As instalações solares fotovoltaicas podem ser divididas em dois grandes grupos. No primeiro incluem-se os clientes com contrato de fornecimento de energia eléctrica em baixa tensão e unidades de microprodução de electricidade monofásica em baixa tensão com uma potência de ligação de até 5,75 kW, instalada no local de consumo. O Decreto-Lei nº. 363/2007 define este grupo como microgeração. Dentro deste grupo temos dois regimes remuneratórios, o bonificado até 3,68 kW e o geral para as restantes unidades de microgeração. O segundo grupo inclui as restantes instalações, consideradas grandes centrais solares fotovoltaicas. O critério de inclusão num dos dois grupos é a potência instalada.
Os sistemas fotovoltaicos implementados podem, globalmente, apresentar diferentes configurações consoante o objectivo a que se destinam e os orçamentos disponíveis. Os seus principais elementos são as baterias, inversores e painéis fotovoltaicos, mas podendo também apresentar diferentes tipos de sistemas mecânicos de seguimento e reguladores de carga.
2.2.2 - Factores que Influenciam a Produção de Energia Solar Fotovoltaica
A produção solar FV de uma central é influenciada por diferentes aspectos, sendo os principais factores que afectam a produção abordados de forma sucinta nos pontos seguintes.2.2.2.1. Características das Células Solares Fotovoltaicas
A funcionalidade de uma célula solar consiste em converter directamente a energia solar em electricidade. O processo de conversão mais comum é realizado através do efeito fotovoltaico [27].
A escolha do tipo de células solares vai influenciar a capacidade de produção dos parques solares fotovoltaicos. Apresenta-se de seguida os três principais tipos de células solares:
As células monocristalinas de Silício (Si-m) constituem a primeira geração. O seu rendimento eléctrico é relativamente elevado, mas as técnicas utilizadas na sua produção são complexas e dispendiosas. Por outro lado, é necessária uma grande quantidade de energia no seu fabrico, devido à exigência de utilização de materiais em estado muito puro e com uma estrutura cristalina perfeita [27].
As células policristalinas de Silício (Si-p) têm um custo de produção inferior uma vez que necessitam de menos energia para o seu fabrico, mas no entanto apresentam um rendimento eléctrico inferior. Esta diminuição de rendimento é causada pela imperfeição do cristal, devido ao sistema de fabrico [27].
As células de silício amorfo (Si-a) apresentam um custo de produção mais reduzido, mas em contrapartida o seu rendimento eléctrico é também o menor. As células de silício amorfo são películas muito finas, o que permite a sua utilização como material de construção, tirando ainda proveito energético [27].
Na Tabela 2.1, são apresentados os valores típicos para o rendimento eléctrico dos diversos tipos de células fotovoltaicas, rendimento este que vai condicionar a produção da central.
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Tabela 2.1 - Rendimento eléctrico dos tipos de células fotovoltaicas mais utilizadas
(Adaptado de [27]).
Rendimento típico [%]
Máximo registado em aplicações [%]
Rendimento máximo registado em laboratório [%]
Si-m 12-15 22.7 24.0
Si-p 11-14 15.3 18.6
Si-a 6-7 10.2 12.7
Existem ainda outros tipos de células que se tem vindo a desenvolver nos últimos anos:
Células de Telureto de Cádmio (CdTe). Estas constituem o concorrente mais recente do Si-m, Si-p e Si-a no mercado fotovoltaico para geração de potência, também na forma de filmes finos. O recorde de eficiência de células individuais de pequenas áreas em laboratório situa-se na ordem dos 18%, enquanto, os painéis solares encontrados no mercado internacional apresentam eficiência entre 7% e 9% [28].
Células de Disselenieto de Cobre e Índio (CIS). Estas serão, num futuro próximo, outro sério concorrente no mercado fotovoltaico, uma vez que possuem potencial para atingir eficiências relativamente elevadas. Actualmente, as células CIS de pequenas áreas, produzidas em laboratório, apresentam eficiências em torno dos 19,9%. Painéis com grandes áreas (actualmente em escala piloto com aproximadamente 0,38 m2) devem estar disponíveis no mercado dentro em breve, com eficiências de 9-10% [28].
A potência máxima de uma única célula FV não excede 2 W, aproximadamente, o que é manifestamente insuficiente para a maioria das aplicações. Desta forma, as células fotovoltaicas são agrupadas em série e/ou em paralelo formando módulos ou painéis [29].
A organização das células nos módulos pode ser feito conectando-as em série ou em paralelo. Ao conectar as células em paralelo, a corrente total do módulo é dada pela soma das correntes de cada célula e a tensão do módulo é igual à tensão da célula. A conexão mais comum de células fotovoltaicas em módulos é o arranjo em série. Este consiste em agrupar o maior número de células em série onde se soma a tensão de cada célula chegando ao valor final de tensão pretendido [30].
Os módulos fotovoltaicos constituídos através de ligações em série e em paralelo, apresentam uma maior unidade do ponto de vista eléctrico e mecânico. De forma a minimizar as perdas de potência no sistema, só se deverá utilizar módulos do mesmo tipo [10].
No caso de se tratar de grandes instalações, os módulos ou painéis fotovoltaicos podem ser agrupados em série e/ou paralelo de modo a obter os valores de tensão pretendidos.
Ao contrário de outras tecnologias, os sistemas fotovoltaicos raramente operam em condições nominais de funcionamento. O funcionamento nominal apenas ocorre nas condições de referência (CTS) [10].
Os principais factores que influenciam as características eléctricas de um painel são a radiação incidente e a temperatura das células [30].
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2.2.2.2. Efeito da Radiação
De uma forma geral pode afirmar-se que a corrente produzida nos módulos aumenta de forma linear com o aumento da Intensidade luminosa [30]. Assim, quando a irradiância desce para metade, a electricidade produzida reduz-se também para metade [10].
No entanto, o valor da tensão permanece relativamente constante com as variações da radiação solar. Na Figura 1.1, pode constatar-se que para um módulo standard de 50 Wp, a alteração máxima da tensão MPPT produzida pelas variações da irradiância é de aproximadamente 4 V. Porém, dado que a maioria dos sistemas fotovoltaicos possuem vários módulos fotovoltaicos ligados em série, a tensão MPPT poderá variar dentro de um intervalo de 40 V, devido às variações da radiação. Para níveis baixos de radiação (apenas alguns W/m2) a tensão cairá. Os inversores passam então a operar ao nível da tensão correspondente, isto é, o ponto operacional do inversor para irradiâncias baixas deixa de ser o MPPT [10].
Figura 2.1 - Curvas I-U do módulo para diferentes irradiâncias, a uma temperatura constante (adaptado
de [10]).
Conclui-se assim, que a variação da irradiância incidente é um dos principais factores que condicionam a produção FV de uma instalação.
2.2.2.3. Efeito da temperatura
O aumento da temperatura na célula faz com que a eficiência do módulo caia, baixando assim os pontos de operação para a potência máxima gerada [30].
A tensão do módulo é sobretudo afectada pela temperatura da célula. O desvio da tensão para o módulo em análise, sob condições CTS, pode elevar-se a -8 V no Verão e a +10 V no Inverno. As variações da tensão do módulo estabelecem a tensão do sistema e, consequentemente, têm uma forte influência na concepção do sistema fotovoltaico. No Inverno, quando temos vários módulos ligados em série, esta condição poderá causar um nível de aumento da tensão, podendo ser superior a 100 V, o que leve a que seja ultrapassada a
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potência útil do módulo fotovoltaico para altas temperaturas pode elevar-se a 35%, em comparação com as condições de referência, como se pode verificar na Figura 2.3. De forma a minimizar esta perda de potência, os módulos fotovoltaicos devem poder dissipar este excesso de calor para o exterior, recorrendo a ventilação suficiente. Note-se que, as variações de temperatura não têm um efeito significativo na corrente, verificando-se apenas um ligeiro aumento com o aumento da temperatura [10].
Figura 2.2 - Curvas I-U do módulo para diferentes temperaturas e para uma irradiância constante de
1000 W/m2 (adaptado de [10]).
Figura 2.3 - Potência do módulo para diferentes temperaturas e para uma irradiância constante de 1000
W/m2 (adaptado de [10]).
2.2.2.4. Efeito da Velocidade do Vento
Numa primeira fase de dimensionamento dos sistemas fotovoltaicos, é necessário proceder-se ao estudo de dados históricos de velocidade do vento, relativamente ao local onde se pretende instalar a central, tendo em conta os esforços que estes exercem
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relativamente às instalações. Só assim é possível dimensionar de forma correcta as instalações.
Relativamente à influência da velocidade do vento na produção FV, esta reflecte-se no cálculo da temperatura da célula. Este parâmetro influência posteriormente a potência produzida pela instalação, na medida em que faz o ajuste do rendimento ou da potência do painel, em cada instante.
Existem diversas formulações para calcular a temperatura da célula, apresentando-se em seguida duas das formulações existentes. A opção por uma delas está dependente, em vários casos dos dados disponíveis.
(2.1)
Onde:
é a temperatura da célula, (K); é a temperatura ambiente, (K); é o coeficiente de absorção da radiação; é a irradiância incidente, (W/m2); corresponde à tensão na célula, (V); corresponde à corrente na célula, (A);
é superfície de cada célula onde incide a radiação, (m2); é a velocidade do vento, (m/s)
são as componentes fixa (WK-1m-2) e variável (JK-1m-3) do factor de perdas térmicas do colector, respectivamente.
(2.2)
Onde:
irradiância total plano do painel, (W/m2);
é o Nominal Operationg Cell Temperature, temperatura de funcionamento nominal da célula, fornecido pelos fabricantes, (ºC);
corresponde à temperatura ambiente prevista para o mesmo instante da previsão, (ºC);
2.2.2.5. Efeito da Inclinação e Orientação dos Módulos Solares
A orientação definida para a instalação solar tem por consequência diferentes níveis de radiação. Para instalações fixas, situadas no hemisfério norte, a orientação que maximiza a quantidade de radiação aproveitável coincide com o Sul geográfico. Para instalações no hemisfério sul, a orientação que maximiza a quantidade de radiação aproveitável coincide
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com o Norte geográfico. Desvios para Leste traduzem-se num avanço à captação e desvios para Oeste num atraso à captação (1 hora por cada 15º) [31].
Figura 2.4 – Variação da disposição da instalação solar e diferenças na captação [31]
A quantidade de radiação solar captada numa superfície é maximizada quando esta se encontra posicionada perpendicularmente à radiação. Este facto deve-se à variação angular da absorção (α) e à reflexão (ρ), assim como ao percurso realizado pela radiação na atmosfera, Figura 2.5 [31].
Figura 2.5 – Influência do percurso realizado na atmosfera pela radiação [31].
A inclinação dos painéis solares deverá optimizar a captação de radiação solar, tendo em conta a variação da elevação e do azimute solar ao longo do ano, como se pode ver pela Figura 2.6.
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Figura 2.6 – Inclinação tendo em conta a altura do ano (adaptado de [31]).
O ângulo de inclinação óptimo para os painéis é um valor próximo da latitude do local da instalação [31].
Em Portugal, a orientação óptima de uma instalação é a direcção Sul, com um ângulo de 35º (β=35º) de inclinação. Neste caso, o nível de radiação é, aproximadamente, 15% maior do que a captada numa instalação com inclinação de 0º (β=0º) [10].
A implementação de instalações solares em telhados inclinados, com orientações diferentes à da posição óptima, traduz-se numa menor produção de energia devido à redução da radiação. Uma orientação para Sudoeste ou Sudeste dos telhados ou uma inclinação entre 20º e 50º implica uma redução máxima da energia produzida de dez por cento. Os telhados cuja orientação varie ainda mais da posição óptima podem também ser explorados, no entanto, nesta situação a menor radiação deverá ser equacionada [10].
A utilização das fachadas para a integração de tecnologias solares (β =90°) implica uma menor produção de energia, devido à redução significativa da radiação [10].
2.2.2.6. Efeito do Uso de Sistemas Mecânicos de Seguimento
O uso de sistemas mecânicos de seguimento para seguir a posição do Sol traduz-se num aumento de energia produzida [32].
Nos dias de maior radiação, com grande componente de radiação directa, podem obter-se ganhos elevados de radiação. Mediante a latitude do local em estudo, para dias claros, estes ganhos podem atingir 50 % no Verão e 300 % no Inverno, quando comparados com sistemas fotovoltaicos implementados na horizontal. A utilização de sistemas mecânicos de seguimento apresenta os maiores ganhos na produção de energia no Verão, uma vez que, os ganhos absolutos no Verão são muito maiores do que no Inverno mas também a proporção de dias nublados é significativamente maior no Inverno do que no Verão [32].
Temos dois grupos de sistemas mecânicos de seguimento, os de dois eixos e os de um eixo. Os mecanismos com dois eixos colocam a superfície de captação na posição ideal relativamente ao Sol. No entanto, estes são muito mais complexos do ponto de vista técnico do que os sistemas de um eixo. As instalações com sistemas de um eixo podem apresentar
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seguimento com um eixo na vertical (ou azimutal), cujo movimento segue o azimute solar; sistema de seguimento com um eixo na horizontal, seguindo a movimentação horária, diária, mensal ou anual do sol, em função da elevação solar [32].
Na Europa Central, os sistemas fotovoltaicos com seguimento de dois eixos, podem obter aumentos de produção na ordem dos 30%. Nos dispositivos de um eixo, este ganho situa-se nos 20%. Em localizações de maior radiação, o aumento de energia produzida será ainda maior [32].
Na Figura 2.7, apresenta-se um exemplo da diferença entre captação de radiação entre uma instalação com sistema de dois eixos e uma instalação sem sistema de seguimento, ao longo de um dia de Verão e um dia de Inverno, para uma localização com latitude de 50º. É possível constatar a diferença significativa entre os dois casos, quer para o dia de Verão, quer para o dia de Inverno [32].
Figura 2.7 – Diferenças na irradiância entre instalação com sistema de dois eixos e instalação na
horizontal, em dias sem nuvens, para um local com latitude de 50º (adaptado de [32]).
No entanto, os sistemas mecânicos de seguimento solar são mais complicados, mais caros e apresentam maiores custos de operação e manutenção. Estes sistemas também deverão resistir às grandes pressões do vento. Os sistemas de seguimento podem vir equipados com um sistema de controlo eléctrico, ou ser movido através de meios termo-hidráulicos. Se utilizamos um sistema de controlo eléctrico será necessária a sua alimentação, o que reduz a eficiência energética global do sistema. Os sistemas termo-hidráulicos são baseados no princípio de aquecimento de líquidos e nas diferenças resultantes de pressão. Caso o mecanismo deixe de funcionar, o sistema fotovoltaico pode ficar imobilizado numa posição desfavorável, o que conduz a uma diminuição considerável da radiação captada durante o período de imobilização [32].
2.2.2.7. Outros Efeitos
Existem outros factores que podem influenciar a produção FV de uma instalação. Quando por algum motivo alguns módulos de uma string ou série ficam encobertos, sombreamento, a corrente não varia mas a tensão fica reduzida em proporção ao número de módulos
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sombreados [33]. No entanto, quando se perdem fileiras ou paralelos por sombreamento, verifica-se uma redução do valor da corrente, mas o valor da tensão mantêm-se como se perdesse apenas uma unidade [33]. Desta forma, para que toda a corrente de um módulo não seja condicionada por uma célula de pior desempenho, usa-se um díodo de passo ou de “bypass” [30].
Outro factor é o MPPT. A potência máxima varia com as condições ambientais e com a tensão aos terminais do módulo [29]. Além disso, quando as células fotovoltaicas estão ligadas a uma carga surgem outros problemas que fazem com que a energia transferida para a carga raramente corresponda à energia máxima produzida pelo gerador fotovoltaico [34]. De forma a colocar o módulo fotovoltaico no ponto de operação que corresponde ao valor de potência máxima, os conversores fotovoltaicos possuem, actualmente, um sistema digital de cálculo da tensão à potência máxima (para cada par de valores radiação – temperatura), designado por seguidor MPPT [29]. Estes controladores estão particularmente adaptados para regular fontes não lineares e forçá-las a trabalhar no ponto de potência máxima, resultando, assim, uma melhoria global do rendimento da conversão em energia eléctrica [34]. O valor de referência da tensão é calculado através de um modelo de simulação do comportamento do módulo fotovoltaico e constitui uma entrada de um conversor CC/CC, que é usado para ajustar o nível da tensão de saída à tensão de entrada do inversor. Muitas vezes, o próprio conversor CC/CC é designado (de forma não muito rigorosa) por MPPT. Ao controlar a tensão de saída do módulo, automaticamente se impõe o valor de corrente, que depende da tensão de acordo com a curva I-V do módulo fotovoltaico e com o modelo adoptado para a sua representação [29].
2.2.3 - Previsão da Produção Renovável
Os sistemas e ferramentas de previsão são utilizados no auxílio da gestão de sistemas eléctricos, com particular relevância para a previsão de carga. Tendo em conta a importância dos resultados obtidos, a precisão é fundamental para ajudar a um planeamento eficaz e eficiente. Assim, para se garantir níveis de precisão e fiabilidade mais elevados, os sistemas de previsão estão constantemente a evoluir e podem ser caracterizados pelo horizonte temporal das previsões que são feitas [35].
Para que a energia FV produzida seja introduzida, quer no mercado de electricidade, quer na gestão de redes, é indispensável a existência de ferramentas capazes de efectuar a sua previsão.
Tipicamente os horizontes temporais definidos são:
Previsão de Muito Curto Prazo: Sistemas de previsão para horizontes temporais desde alguns segundos até uma hora;
Previsão de Curto Prazo: Previsão para um horizonte temporal compreendido entre uma hora e uma semana, embora possa entrar no horizonte temporal de muito curto prazo como no caso desta dissertação (previsão para 15 minutos). Tem particular importância para a participação no mercado de electricidade diário, embora o horizonte temporal de previsão necessário seja definido pela exigência do operador de mercado sobre a antecedência das previsões;
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Importa ainda referir que em função do horizonte temporal escolhido, os sistemas de previsão podem auxiliar no despacho do sistema electroprodutor e/ou apoiar nas decisões de expansão da rede eléctrica [25].
2.3- Modelos de Previsão Associados à Energia Fotovoltaica
Um objectivo principal da dissertação consiste em elaborar modelos de previsão de produção de centrais solares fotovoltaicas, pelo que se tornou necessário proceder a uma pesquisa sobre o estado da arte até à data. Procurou-se identificar que tipo de software executa simulação e previsão de produção e posteriormente identificar metodologias disponíveis para a previsão de radiação, simulação de produção e previsão de produção.
2.3.1 - Software de Dimensionamento de Sistemas Fotovoltaicos
Todos os softwares apresentados na Tabela 2.2 são baseados em séries temporais de radiação. Estas podem ser geradas de forma sintética ou reproduzidas a partir de séries históricas típicas.
Nenhum destes softwares utiliza previsão de produção a curto prazo segundo a perspectiva apresentada na dissertação.
Tabela 2.2 – Softwares utilizados para dimensionar instalações fotovoltaicas.
Na pesquisa realizada não foram encontrados serviços de previsão a curto prazo. No entanto, temos conhecimento que existem empresas que começam a oferecer serviços deste tipo.
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2.3.2 - Modelos Numéricos – Numerical Weather Prediction (NWP)
As previsões atmosféricas apresentam vastas aplicações e utilizações, sendo a base explicadora do funcionamento de grande variedade de sistemas, porque quase todos os sistemas são influenciados pelas condições e variáveis meteorológicas.
Relativamente à previsão de produção FV, a previsão das variáveis atmosféricas são de extrema importância, na medida em que, é necessário conhecer o comportamento das condições atmosféricas para efectuar a previsão pretendida.
Surgiram modelos de previsão numérica (modelos NWP) cujo objectivo, partindo de um conjunto de condições iniciais, é fornecer informação sobre o comportamento da atmosfera para um determinado horizonte temporal.
Os modelos NWP têm sido utilizados desde 1950 após um trabalho desenvolvido por
Charney, Fjortoft e von Neumann [36]. São modelos computacionais com capacidades de
simular o comportamento da atmosfera, utilizando um sistema complexo de equações matemáticas. Estas apresentam um carácter não linear, tornando-se assim impossível obter uma solução exacta. Deste modo, para a resolução das respectivas equações é necessária a utilização de métodos numéricos.
Habitualmente, os modelos NWP encontram--se divididos em dois modelos: Global – onde se efectuam previsões para todo o planeta; Regional/Local – onde se efectuam previsões para determinadas zonas continentais.
Importa salientar que os modelos NWP têm a capacidade de fornecer valores de previsão à escala continental, para um horizonte temporal que varia de três a 72 horas. Quanto aos modelos globais podem fornecer previsões com horizonte temporal até sete dias.
2.3.2.1. Modelos Globais
Os modelos atmosféricos de macroescala são os que oferecem previsões meteorológicas