Sistemas de Rastreamento para Módulos Planos

Assim como em sistemas concentradores, seguidores podem ser aplicados também a módulos planos que contém células fotovoltaicas convencionais, com o intuito de otimizar o aproveitamento da radiação direta no seu processo de conversão energética. Isso é realizado por meio da orientação automática da superfície dos módulos FV em relação ao Sol (CASSARES, 2016). Procura-se com isso efetuar constantemente a busca pelo ponto de máxima potência dos módulos (MPP), não só eletricamente – o que depende dos equipamentos de condicionamento, como inversores de frequência; mas também fisicamente.

Para Koussa et al. (2011), a instalação de sistemas com seguimento solar incrementam o ganho de energia do módulo fotovoltaico, porém existem fatores a serem levados em conta como custo, viabilidade técnica, consumo de energia do mecanismo automatizado e sua manutenção.

Neto et al. (2010), identificam que os rastreadores solares podem ser classificados quanto ao número de eixos rotativos, tipo de estrutura, tipo de controle, e estratégias de seguimento empregado. Quanto aos eixos rotativos, em geral podem haver seguidores de um ou dois eixos. Quando de 1 eixo, são capazes de alterar a orientação polar, norte-sul ou leste- oeste. Quando de 2 eixos, possuem 1 eixo vertical de ajuste do ângulo azimutal e o outro horizontal para ajuste de inclinação (OLIVEIRA, 2008-b).

2.6.2.1 Seguidor de eixo horizontal (movimento Leste-Oeste)

Tem como fundamento a rotação do plano coletor sobre um eixo horizontal normalmente paralelo ao eixo polar norte-sul, apoiado em mancais, fazendo o seguimento do movimento aparente do Sol, leste-oeste (MORAES, 2012).

O principio básico de funcionamento consiste em seguir a tragetória aparente do Sol durante o dia, acompanhando o ângulo horário solar (CASSARES, 2016), tendo seu menor valor de inclinação durante o ponto de maior altitude solar. Na Figura 12 pode-se ver um exemplo de planta fotovoltaica que emprega este tipo de seguidor.

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Figura 12 – Planta geradora com seguidores horizontais de movimento Leste-Oeste. Fonte: Oliveira (2008-b).

Os módulos são dispostos paralelamente ao eixo de rotação, e a base onde são

apoiados os mancais é fixa. Lira (2014) afirma que este modelo de seguimento apresenta bom desempenho para regiões próximas à linha do Equador. Cassares (2016) complementa por destacar ainda que estes seguidores possuem montagem robusta e simples, e apresentam vantagem em relação a outros seguidores quanto à estabilidade mecânica e tamanho reduzido da fundação necessária à sua fixação.

2.6.2.2 Seguidor de eixo horizontal com movimento norte-sul (sazonal).

Embora menos usual que os demais, dentre os tipos de seguidores mencionados neste trabalho, este é o que possui o mecanismo mais simples. Isso deve-se ao fato de que seu movimento é limitado à compensação das variações do ângulo de declinação do Sol 𝛿 ao longo do ano, permitindo um seguimento sazonal. Ou seja, seu único eixo móvel é horizontal, paralelo à linha do Equador e ortogonal ao eixo polar terrestre. O sistema completa portanto seu ciclo de movimento a cada 365 dias (LIRA, 2014).

Para este tipo de seguimento, os limites angulares que o equipamento deve atingir dependem da latitude local. Um módulo instalado sobre o Equador, por exemplo, deverá possibilitar que o seu plano percorra posições angulares de inclinação entre -23,45º e +23,45º, que correspondem aos solstícios de inverno e verão. Sistemas que permitem o ajuste do ângulo de inclinação 𝛽, como é o caso deste seguidor, quando comparados a módulos fixos, apresentam

48 um ganho bastante expressivo em localidades de elevada latitude, apenas com seu movimento sazonal (MCWILLIAMS et al., 2016).

Oliveira (2008-b) afirma que este é um modelo de montagem robusta e de baixa manutenção , mas de uso mais restrito. Em determinadas aplicações, para reduzir os custos da instalação, dispensa-se o uso de motores para efetuar o ajuste do ângulo de inclinação manualmente.

2.6.2.3 Seguidor de eixo vertical

Também chamado de seguidor azimutal, apresenta um eixo vertical, perpendicular ao solo, acoplado à superfície de instalação dos módulos (LIRA, 2014), e reproduz o seguimento Leste-Oeste. A inclinação 𝛽 é fixa no coletor, determinada normalmente de acordo com latitude do local de instalação.

Oliveira (2008-b) afirma que os seguidores azimutais proporcionam um bom ganho energético em locais tanto de baixa quanto de elevada latitude. Possuem em geral baixo custo relativo de montagem e manutenção. A Figura 13 apresenta um exemplo de aplicação deste tipo de mecanismo.

Figura 13 – Planta geradora com seguidores de eixo vertical. Fonte: Moraes (2012).

49 2.6.2.4 Seguidor de eixo polar

Como descrito por Cortez (2013), este tipo de mecanismo de seguimento possui um único eixo móvel orientado no sentido norte-sul, inclinado em relação à horizontal com um ângulo fixo, normalmente correspondente à latitude local, e portanto paralelo ao eixo polar terrestre. Esta inclinação é a mesma adotada para a instalação de módulos fixos, voltados para o norte, quando instalados no hemisfério Sul. Neste caso, a direção dos raios solares poderão coincidir com a reta normal ao módulo acoplado à sua estrutura nos equinócios de primavera e outono (CASSARES, 2016). Em todos os demais dias do ano os raios solares não estarão perpendiculares ao eixo móvel. É possível ainda que o ângulo formado pelo eixo móvel com a horizontal seja ajustável, não necessariamente de forma automática, de forma a reproduzir a condição angular dos equinócios em outras estações do ano. A Figura 14 mostra esquematicamente um exemplo de seguidor de eixo polar.

Figura 14 - Seguidor de eixo polar. Fonte: Cortez (2013).

Seu método de acionamento é muito semelhante ao de um seguidor de eixo horizontal, e sua construção mecânica relativamente simples. Em muitas montagens é comum haver um pequeno módulo fotovoltaico auxiliar anexo ao eixo, que atua como sensor para o seguimento solar (OLIVEIRA, 2008-b).

50 2.6.2.5 Seguidor de dois eixos móveis

Mecanismos desta natureza possuem dois graus de liberdade e propiciam a melhor precisão de rastreamento dentre as alternativas até agora descritas. São subclassificados em polar/equatorial e azimutal/elevação (CASSARES, 2016). Quando polar/equatorial, há um eixo com orientação norte-sul, e outro com orientação leste-oeste, como ilustrado na Figura 15.

Figura 15 – Seguidor de dois eixos (polar/equatorial).

Fonte: Adaptado de Cassares (2016, apud ALATA, AL-NIMR e QAROUSH, 2005).

Quando do tipo azimutal/elevação, sua estrutura conta com um eixo móvel vertical que permite a variação do ângulo azimutal; e um eixo horizontal, responsável pelo movimento dos módulos na direção norte-sul, para compensar as variações da altura solar (𝛼). Oliveira (2008-b) ressalta que este tipo de equipamento pode ser aplicado em instalações de conversão direta ou de concentração de irradiância, com espelhos ou lentes – no caso dos sistemas CPV. A Figura 16 ilustra comparativamente os graus de liberdade para seguidores de um e de dois eixos e de um módulo fixo.

Figura 16 - Classificação de seguidores solares quanto ao número de eixos rotativos.

a) módulo fixo, b) módulo movido unidirecionalmente – 1 eixo vertical, c) módulo movido bidirecionalmente - 2 eixos – azimutal/elevação.

51 Apesar da elevação da eficiência energética apresentada por sistemas de rastreamento duaxiais (dotados de dois eixos móveis), Cortez (2013) afirma que em muitas aplicações, devido à complexidade mecânica intrínseca a este tipo de equipamento, normalmente não se tornam competitivos quando comparados com seguidores monoaxiais. Além disso, a operação com dois graus de liberdade traz conisgo problemas como a vulnerabilidade a esforços mecânicos. A base deve ser projetada para suportar todas as forças provenientes do peso da estrutura em si, nas mais diversas posições, e também resistir à força do vento, entre outras eventuais variáveis ambientais (JOVANOVIC et al., 2016). Para evitar cargas excessivas que venham a danificar sua estrutura, no caso de ventania, alguns seguidores são dotados de um sistema de proteção que se encarrega de posicionar os painéis de tal forma a reduzir o ângulo de ataque do vento, em função da direção e velocidade do mesmo.