A minigeração fotovoltaica em edifícios escolares: um caso de estudo

A minigeração fotovoltaica em edifícios escolares – Um caso de estudo

Dissertação de Mestrado em Engenharia de Energias

Márcio José Apolinário Costa

Orientador: Professor Doutor José Manuel Ribeiro Baptista Co-orientador: Professor Doutor Sérgio Augusto Pires Leitão

A minigeração fotovoltaica em edifícios escolares – Um caso de estudo

Dissertação de Mestrado em Engenharia de Energias

Márcio José Apolinário Costa

Orientador: Professor Doutor José Manuel Ribeiro Baptista Co-orientador: Professor Doutor Sérgio Augusto Pires Leitão

Composição do Júri:

Professor Doutor Eurico Vasco Ferreira Amorim Professor Doutor João Paulo da Silva Catalão Professor Doutor José Manuel Ribeiro Baptista Professor Doutor Sérgio Augusto Pires Leitão

Professora Doutora Margarida da Conceição Rasteiro M. L. Rodrigues Liberato

Aos meus pais e ao meu irmão obrigado por tudo. Obrigado por todo o carinho, dedicação e pela oportunidade…

Os meus agradecimentos ao meu orientador Professor Doutor José Baptista pelo constante auxílio na elaboração deste trabalho, por todo o tempo disponibilizado e pelo conhecimento transmitido.

Ao meu co-orientador Professor Doutor Sérgio Leitão pela sua simpatia e pronta disponibilidade para ajudar.

Ao Sr. Paulo Barradas da empresa Ventos & Argumentos e ao Eng. João Cordeiro do Grupo Visabeira pela sua colaboração no esclarecimento de algumas questões necessárias à realização deste trabalho.

A todos os professores que integram esta magnífica instituição e com os quais tive o prazer de adquirir conhecimentos essenciais à minha formação.

A todos os meus colegas e amigos, “os de sempre”, que me acompanharam durante esta maravilhosa etapa da minha vida, com os quais passei grandes e bons momentos e com os quais aprendi a crescer. No fundo, um obrigado pela família que nos tornamos.

Ao Bruno, à Daniela e à Tatiana que me acompanharam sempre desde o início até ao fim desta etapa.

À Tatiana pela sua prestabilidade e constante disponibilidade para ajudar no que for preciso.

Aos meus queridos avós e pais, pela educação que me deram, apoio, carinho e força.

“Não existe uma resposta única. No futuro, teremos de recorrer a uma ampla variedade de tecnologias para obter energia.”

National Geographic, Edição Especial Energia

“O paradigma energético do futuro tem a produção descentralizada como um dos seus principais trunfos.”

i

Resumo

Um elemento importante do desenvolvimento económico – o consumo intensivo de energia – está cada vez mais ameaçado. A abundância energética tem-se baseado na utilização de combustíveis fósseis, dada a sua elevada densidade energética e baixo custo de exploração. Porém, diversos problemas estão a pôr em causa a continuidade deste modelo de desenvolvimento. O aumento da procura de energia a nível mundial, o aumento da insegurança no fornecimento de energia e a urgente necessidade de mitigar as alterações climáticas através da redução das emissões de CO2 são os principais desafios do novo milénio.

Desta forma, torna-se imperativo alterar o atual paradigma energético, sendo fundamental aproveitar todos os recursos renováveis, principalmente os de potencial mais elevado como é a radiação solar.

Portugal é um país de grande potencial solar e no âmbito da minigeração fotovoltaica (Decreto-Lei nº 34/2011 de 8 de Março) cidadãos, empresas e entidades podem produzir e, entregar contra remuneração, eletricidade à rede pública. Este regime de produção permite que o nosso país reduza a dependência energética face ao exterior, possibilita a produção descentralizada de energia, contribui para melhorar a eficiência energética dos edifícios e mitigar o consumo dos mesmos no consumo total de energia elétrica do país.

Os edifícios públicos possuem normalmente instalações de significativas dimensões com grandes potências elétricas instaladas e consumos energéticos relativamente elevados, apresentando, desta forma, um grande potencial para a miniprodução. No entanto, com a atual crise económica, com a subida do preço da eletricidade e com os sucessivos cortes nas tarifas de venda de energia a viabilidade económica deste tipo de projetos pode estar em causa.

Desta forma, este trabalho visa, no âmbito da minigeração, realizar um caso de estudo aplicado ao edifício de Engenharias I da UTAD, apresentando, de forma detalhada, a metodologia utilizada para esse efeito, bem como, as principais características e condicionantes no dimensionamento de um sistema fotovoltaico ligado à rede.

Palavras-chave: energia, minigeração fotovoltaica, produção descentralizada, eficiência

iii

Abstract

An important element of economic development - the energy intensive consumption - is increasingly threatened. The energy abundance has been based on the use of fossil fuels due to their high energy density and low exploration cost. However, several problems are jeopardizing the continuity of this development model. The increased demand for energy worldwide, the increased insecurity in energy supply and the urgent need to mitigate climate change by reducing CO2 emissions are the main challenges of the new millennium. Thus, it becomes imperative to change the current energy paradigm, and avail all the key renewable resources, especially those of higher potential as the solar radiation.

Portugal is a country of great solar potential, and in the ambit of photovoltaic minigeneration (Decree-Law No. 34/2011 of 8 March) citizens, companies and organizations can produce and sell electric energy to the public grid. This production regime allows our country to reduce dependence on foreign energy, allows for decentralized energy production, help to improve the energy efficiency of buildings and mitigate the consumption of them in total consumption of electricity in the country.

Public buildings typically have large installations with large electric power installed and relatively high energy consumption, thus presenting a great potential for miniproduction. However, the current economic crisis, the rising price of electricity and the successive cuts in tariffs for sale of electricity are putting in question the economic viability of such projects.

Therefore, this work aims, in the ambit of minigeneration, to realize a case study applied to the UTAD Engineering I building, presenting in detail the methodology used for the effect, as well as, the main characteristics and constraints in the design of a grid connected photovoltaic system.

Keywords: energy, photovoltaic minigeneration, decentralized energy production, energy efficiency, public buildings, grid connected photovoltaic system.

v

1. Introdução ... 1

1.1 Motivação e Objetivos ... 2

1.2 Organização da dissertação ... 3

2. Fundamentos de energia solar fotovoltaica ... 5

2.1 Radiação solar ... 5

2.2 Semicondutores ... 12

2.3 Efeito fotovoltaico ... 15

3. Sistemas fotovoltaicos ... 19

3.1 Células fotovoltaicas... 19

3.1.1 Tipos de células fotovoltaicas ... 25

3.2 Módulos e painéis fotovoltaicos ... 30

3.3 Tipos de sistemas fotovoltaicos ... 33

3.3.1 Sistemas autónomos ... 34

3.3.2 Sistemas ligados à rede ... 34

3.4 Componentes de um sistema fotovoltaico ligado à rede ... 36

3.4.1 Inversores DC/AC ... 36

3.4.2 Controlador MPPT ... 39

3.4.3 Cabos ... 39

3.4.4 Proteções ... 40

3.5 Sombreamento dos sistemas fotovoltaicos ... 44

3.5.1 Sombreamentos temporários ... 44

3.5.2 Sombreamentos produzidos pela envolvente ... 45

3.5.3 Sombreamentos produzidos pelo edifício ... 46

vi

4.1 Ponto de situação ... 52

4.2 Enquadramento legislativo ... 52

4.2.1 Condições de acesso à atividade de miniprodução ... 53

4.2.2 Descrição do processo ... 54

4.2.3 Escalões de potência ... 54

4.2.4 Regimes remuneratórios ... 54

4.2.5 Contra-ordenações ... 56

4.3 Metodologia de dimensionamento de sistemas de minigeração ... 56

4.3.1 Levantamento das características do local da instalação ... 57

4.3.2 Seleção do módulo ... 59

4.3.3 Disposição física dos módulos ... 60

4.3.4 Seleção da potência do sistema ... 61

4.3.5 Estimativa da energia produzida ... 62

4.3.6 Dimensionamento dos inversores ... 63

4.3.7 Dimensionamento dos cabos ... 66

4.3.8 Dimensionamento das proteções ... 71

4.3.9 Análise económica do investimento ... 74

5. Caso de estudo ... 79

5.1 Levantamento das características do local ... 79

5.1.1 Área disponível ... 80

5.1.2 Dados climáticos do local ... 80

5.1.3 Altura mínima do Sol ... 82

5.1.4 Envolvente do edifício ... 83

5.2 Seleção do módulo fotovoltaico ... 83

5.3 Configuração física do sistema ... 84

vii

5.4.2 Condicionante potência contratada ... 86

5.4.3 Condicionante energia consumida ... 86

5.5 Estimativa da energia produzida... 88

5.6 Dimensionamento dos inversores ... 93

5.6.1 Solução de dimensionamento para o Bloco A ... 94

5.6.2 Solução de dimensionamento para o Bloco B ... 95

5.6.3 Solução de dimensionamento para o Bloco D ... 96

5.6.4 Local de instalação dos inversores ... 97

5.7 Dimensionamento dos cabos ... 98

5.8 Dimensionamento das proteções ... 101

5.8.1 Proteção dos cabos de fileira ... 101

5.8.2 Interruptor principal DC ... 101

5.8.3 Proteção AC ... 101

5.8.4 Proteção contra descargas atmosféricas e sobretensões ... 103

5.9 Análise económica do investimento ... 103

5.10 Simulação em PVSyst ... 106

5.11 Discussão dos resultados ... 108

6. Conclusões e perspetivas de trabalho futuro ... 111

ix

Figura 2.1. Radiação solar direta, difusa e refletida. ... 6

Figura 2.2. Conceito de massa de ar. ... 6

Figura 2.3. Efeito da MA na irradiância espectral à superfície. ... 7

Figura 2.4. Variação da radiação solar com a latitude ao longo de um ano no hemisfério Norte . ... 8

Figura 2.5. Órbita da Terra e Declinação solar ao longo do ano. ... 9

Figura 2.6. Representação dos ângulos que determinam a posição solar relativa num determinado instante. ... 9

Figura 2.7. Definição de angulo horário solar hs (CND), declinação solar δs (VOD) e latitude L (POC). P é o ponto de localização do observador. ... 10

Figura 2.8. Irradiação solar global, em kWh/m2, para diferentes orientações da superfície recetora em Lisboa. ... 11

Figura 2.9. Radiação global média anual no planeta. ... 12

Figura 2.10. Representação esquemática das bandas de energia para os materiais: (a) Isolador, (b) Condutor, (c) Semicondutor. ... 14

Figura 2.11. Representação esquemática de uma junção p-n. ... 15

Figura 2.12. Efeito fotovoltaico numa célula FV de silício. ... 16

Figura 3.1. Diagrama do circuito elétrico equivalente de uma célula FV. ... 19

Figura 3.2. Característica V-I e V-P de uma célula fotovoltaica típica de silício. ... 21

Figura 3.3. Influência da radiação e da temperatura nas características da célula FV. ... 23

Figura 3.4. Diagrama representativo dos vários tipos de células FV atualmente disponíveis no mercado. ... 26

Figura 3.5. Vista esquemática em corte transversal da célula solar HIT produzida pela Sanyo. ... 29

Figura 3.6. Efeito na tensão e na corrente da ligação de duas células FV idênticas: ... 30

Figura 3.7 Esquema de um painel FV constituído por MP fileiras com MS módulos cada. ... 31

Figura 3.8. Díodos de by-pass e díodos de fileira. ... 32

Figura 3.9. Curvas I-V de um módulo FV com e sem díodos de bypass. ... 33

Figura 3.10. Representação esquemática de um sistema FV autónomo. ... 34

x

FV. (a) Inversor central único. (b) Um inversor por fileira. (c) Um inversor por módulo. ... 38

Figura 3.13. Modelo conceptual de um sistema fotovoltaico. ... 41

Figura 3.14. Corrente inversa num circuito FV. ... 42

Figura 3.15. Esquema de protecções de um sistema FV ... 44

Figura 3.16. Análise da disposição dos módulos FV em locais com muita neve ... 45

Figura 3.17. Configuração da sombra: a) ligação em série. b) ligação em paralelo com sombreamento em duas fileiras. c) ligação em paralelo com sombreamento de 1 a 4 fileiras 47 Figura 3.18. Perdas de energia pelos vários conceitos de ligação. ... 47

Figura 3.19. Evolução do preço dos sistemas FV (€/W) na Europa. Cenários futuros. ... 49

Figura 3.20. Custo dos diferentes elementos constituintes de um sistema solar FV utilizando módulos de silício cristalino ... 50

Figura 4.1. Capacidade de potência fotovoltaica acumulada instalada em Portugal durante o período de 2003 a 2012. ... 52

Figura 4.2. Fluxograma explicativo da metodologia de dimensionamento. ... 57

Figura 4.3. Esquema representativo da distância entre fileiras. ... 61

Figura 4.4. Esquema de ligação à rede de uma instalação de consumo de MT e unidade de miniprodução superior a 60 ampare. ... 73

Figura 5.1. Imagem satélite do local da instalação da minicentral FV. Blocos A, B e D. ... 79

Figura 5.2. Desenho CAD das plantas da cobertura dos Blocos A, B e D. ... 80

Figura 5.3. Plataforma online PVGIS. ... 81

Figura 5.4. Radiação diária média mensal incidente em painéis fixos com inclinação igual a 34° no Engenharias I, em Vila Real. ... 81

Figura 5.5. Temperatura ambiente média mensal no Engenharias I, em Vila Real ... 82

Figura 5.6. Distribuição da potência de instalação. Bloco A (16 kWp), Bloco B (20 kWp) e Bloco D (14 kWp). ... 85

Figura 5.7. Consumo de potencia ativa no edifício Engenharias I no período de 22 a 27 de fevereiro. ... 87

Figura 5.8. Energia mensalmente produzida por um módulo FV durante um ano. ... 91

Figura 5.9. Produção energética anual. ... 91

Figura 5.10. Comparação da produção energética anual por unidade de área. ... 92

xi

Bloco A. ... 95

Figura 5.13. Esquema simplificado da configuração das ligações da matriz fotovoltaica para o Bloco B. ... 96

Figura 5.14. Esquema simplificado da configuração das ligações da matriz fotovoltaica para o Bloco D. ... 97

Figura 5.15. Traçado da rede de cabos do sistema de minigeração. ... 98

Figura 5.16. Esquema das protecções AC. ... 102

Figura 5.17. Poupança acumulada. ... 105

Figura 5.18. Amortização do investimento. ... 106

Figura 5.19. Produção energética média diária por kWp instalado, para cada mês do ano (simulação PVSyst). ... 107

xiii

Tabela 3.1. Condições STC e NOCT. ... 22

Tabela 3.2. Eficiência das células fotovoltaicas comerciais. ... 30

Tabela 3.3. Eficiência dos módulos comerciais. ... 31

Tabela 4.1. Características principais dos módulos FV. ... 59

Tabela 4.2. Características das cablagens DC em sistemas FV ... 68

Tabela 4.3. Taxa de registo para os diferentes escalões de potência. ... 75

Tabela 4.4. Viabilidade do projeto tendo por base o indicador económico VAL. ... 77

Tabela 4.5. Viabilidade do projeto tendo por base o indicador económico TIR. ... 77

Tabela 5.1. Parâmetros de determinação da altura solar mínima. ... 82

Tabela 5.2. Características principais dos módulos FV escolhidos para o estudo. ... 83

Tabela 5.3. Determinação da distância mínima entre fileiras (d). ... 84

Tabela 5.4. Estimativa do consumo total anual de energia no Engenharias I. ... 88

Tabela 5.5. Resumo do cálculo dos parâmetros específicos para um ano completo. ... 90

Tabela 5.6. Resumo da estimativa da energia produzida ao longo de um ano pelo módulo SW250. ... 91

Tabela 5.7. Comparação das receitas anuais previstas para as diferentes soluções. ... 93

Tabela 5.8. Solução de dimensionamento Bloco A. ... 95

Tabela 5.9. Solução de dimensionamento Bloco B. ... 96

Tabela 5.10. Solução de dimensionamento Bloco D. ... 97

Tabela 5.11. Determinação da secção dos cabos de fileira e perdas por efeito de Joule. ... 98

Tabela 5.12. Determinação da secção dos cabos principais DC e perdas por efeito de Joule. 99 Tabela 5.13. Determinação da secção dos cabos AC ... 100

Tabela 5.14. Quantificação das perdas por efeito de Joule na instalação. ... 100

Tabela 5.15. Dimensionamento dos disjuntores. ... 102

Tabela 5.16. Estimativa do custo inicial do projeto. ... 104

Tabela 5.17. Características do projeto e do investimento ... 105

Tabela 5.18. Indicadores financeiros do projeto. ... 106

xv

AM – Air Mass

BT – Baixa Tensão

c-Si – Cristalin Silicone

CC – Corrente Contínua

CdTe – Telureto de Cádmio

CIGS – Disseleneto de Cobre, Índio e Gálio

CIS – Disseleneto de Cobre e Índio

CPV – Concentrating Photovoltaic

CUR - Comercializador de Último Recurso

DC – Direct Current

DGEG – Direção-Geral de Energia e Geologia

DST – Descarregadores de Sobretensões

E European Photovoltaic Industry Association

E E Entidade Reguladora dos Serviços Energéticos

FF – Fator de Forma

FV – Fotovoltaico/a

HIT – Heterojunction with Intrinsic Thin layer

IEA – International Energy Agency

MA – Massa de Ar

xvi

MPPT – Maximum Power Point Tracking

MT – Média Tensão

NOCT – Nominal Operating Cell Temperature

PR – Performance Ratio

PRI – Período de Retorno do Investimento

PT – Posto de Transformação

PVC – Policloreto de Vinilo

RESP – Rede Elétrica de Serviço Público

E Regras Técnicas de Instalações Elétricas de Baixa Tensão

sc-Si – Single Crystalline Silicon

Si – Silício

SRMini – Sistema de Registo da Miniprodução

STC – Standard Test Conditions

TIR – Taxa Interna de Retorno

UTAD – Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro

xvii Fundamentos de Energia Solar

as azimute solar

altitude solar

δs declinação solar

velocidade da luz no vazio

energia do fotão G irradiância solar global

G0 – constante solar

h constante de Plank

hs ângulo horário solar L latitude

comprimento de onda em metros

N número do dia do ano

v frequência

ts hora solar local z zénite solar

Sistemas fotovoltaicos

cos (φ) fator de potência Ɛ hiato do silício

η eficiência das células

eficiência do rastreio do inversor

xviii I0 corrente inversa máxima de saturação do díodo

ICC corrente do curto-circuito

Imax corrente máxima

IZ corrente máxima admissível

k constante de Boltzman

m fator de idealidade do díodo

m’ fator de idealidade equivalente do díodo NSM número de células ligadas em série

Pmax potência máxima

q carga elétrica do electrão

RS resistência em série

RP resistência em paralelo

T temperatura absoluta da célula

temperatura da célula

temperatura ambiente

VT tensão equivalente da temperatura

VCA tensão de circuito aberto

Vmax tensão máxima

Metodologia de dimensionamento de sistemas de minigeração

b – altura do módulo

xix Δt – intervalo de tempo considerado

ΔV – coeficiente de temperatura de VCA

δ – condutividade elétrica

E – energia produzida pelo módulo

ηinv – rendimento do conjunto MPPT/inversor

F – fator de utilização do espaço

ICABO AC – corrente nominal do cabo AC

ICABO DC – intensidade de corrente nominal no cabo principal DC

ICC FV – corrente de curto-circuito nominal do gerador fotovoltaico

i taxa de atualização

IFi – corrente nominal da fileira

In – corrente nominal do aparelho de proteção

Inf – corrente convencional de não funcionamento da proteção

It investimento total atualizado

I2 – corrente convencional de funcionamento do disjuntor

LAC– comprimento do cabo do ramal AC

LCABO DC – comprimento do cabo principal DC

LM – comprimento dos cabos de fileira

n – número de períodos de tempo considerado

nmax – número máximo de módulos em série

nmin – número mínimo de módulos em série

xx PAparente – potência aparente

PCABO AC – perdas de Joule no cabo AC

PCABO DC – perdas de Joule no cabo principal DC

PFV – potência nominal do gerador fotovoltaico

PINV – potência do inversor

PM – perdas de Joule nos cabos de fileira

R – resistência elétrica

SCABO AC – secção transversal do cabo AC

SCABO DC – secção transversal do cabo principal

SFi – secção transversal do cabo da fileira

VC – tensão composta de saída do inversor

VCA FV – tensão de circuito aberto nominal do gerador fotovoltaico

1

1.

Introdução

A busca de um maior nível de conforto aumenta a procura de energia e a dependência da sociedade atual relativamente aos recursos energéticos não renováveis e poluentes.

Para evitar as abruptas e irreversíveis alterações climáticas são necessárias reduções significativas nas emissões de CO2. Impõem-se assim, medidas de mitigação e uma

necessidade de alterar o atual cenário energético. As energias renováveis desempenham, por isso, um papel fundamental.

A tecnologia fotovoltaica tem crescido, ao longo da última década, a um ritmo notável, mesmo em tempos economicamente difíceis, e está no caminho para se tornar uma importante fonte de geração de energia para o mundo. Segundo a EPIA (European Photovoltaic Industry

Association), no ano de 2012, a capacidade fotovoltaica acumulada em todo o mundo superou

a impressionante marca de 100 GW instalados. Esta capacidade é capaz de produzir tanta energia elétrica anual quanto 16 centrais de carvão ou reatores nucleares de 1 GW cada, e em cada ano, estas instalações fotovoltaicas evitam a produção de mais de 53 milhões de toneladas de CO2. A Europa continua a ser a região líder mundial em termos de capacidade

instalada acumulada, com mais 70 GW. O extraordinário crescimento da energia fotovoltaica no mundo deve-se, não só a melhorias nos materiais e tecnologias fotovoltaicas, mas principalmente devido a programas de introdução ao mercado e incentivos dos governos.

Relativamente ao mercado nacional, verifica-se que, comparativamente com outros mercados com um potencial solar muito menor que o português, este se encontra bastante desaproveitado. Neste sentido, e devido às metas impostas pela União Europeia através da Diretiva 2009/28/CE, que estipula um objetivo global de 31% de incorporação de energia renovável no consumo final até 2020, torna-se fundamental aproveitar todos os recursos renováveis, principalmente os de potencial mais elevado. Deste modo, foi criado em 2011 o conceito de Minigeração fotovoltaica regido pelo Decreto-Lei nº 34/2011 e mais recentemente complementado pelo novo Decreto-lei nº 25/2013. Este conceito permite a criação de centrais fotovoltaicas com potências até 250 kWp e com uma tarifa bonificada para a venda de energia

2

fotovoltaica. Tal como acontece com a microgeração, a minigeração fotovoltaica contribui para melhorar a eficiência energética dos edifícios e reduzir o consumo do setor dos edifícios no consumo total de energia elétrica do país. A minigeração tem como vantagem a sua localização junto do local de consumo, o que permite reduzir as perdas de transporte de energia e possibilita aos miniprodutores aproveitar o espaço que têm disponível, investindo num projeto que pode ser economicamente rentável.

Atualmente, ao nível dos edifícios públicos, verifica-se um subaproveitamento do seu potencial para produzir energia de forma descentralizada usando a tecnologia fotovoltaica. Neste sentido os edifícios escolares como Universidades, Politécnicos, etc. apresentam-se como grandes candidatos para a instalação de unidades de miniprodução, uma vez que, possuem normalmente instalações de dimensões significativas, com grandes potências elétricas instaladas e consumos energéticos relativamente elevados. Além disso, as unidades de produção poderiam ser usadas em ambiente académico para recolha de dados e realização de trabalhos de pesquisa e desenvolvimento no âmbito da energia solar fotovoltaica. Além de que, como instituições de excelência, prestígio, respeito e possuidoras do conhecimento devem constituir um exemplo para toda a comunidade na disseminação das novas tecnologias que permitem obter eletricidade de uma forma limpa e simultaneamente reduzir a dependência energética do país face ao exterior.

1.1 Motivação e Objetivos

Segundo EPIA (2012), os sistemas fotovoltaicos irão desempenhar um papel importante na evolução do mix energético europeu, podendo cobrir cerca de 15% a 25% da produção de eletricidade da UE até 2030. Neste sentido, e apesar da crise financeira, o mercado fotovoltaico português cresceu 41% em 2012, atingindo uma capacidade fotovoltaica total acumulada de cerca de 223 MW, dos quais 99% são sistemas ligados à rede. No entanto, é possível fazer mais e melhor, nomeadamente, ao nível dos edifícios públicos e escolares onde temos assistido a um subaproveitamento de potencial na aplicação destas tecnologias. Assim, este trabalho visa abordar a temática da Minigeração fotovoltaica enquadrada no Decreto-Lei nº 34/2011 de 8 de Março aplicada aos edifícios escolares. Deste modo, com a realização deste trabalho pretende-se:

3

 Abordar a temática da minigeração no âmbito do Decreto-Lei nº 34/2011;

 Identificar as alterações que o Decreto-Lei nº 25/2013 vem impor à minigeração e de que forma a liberalização do mercado de eletricidade traz ou não implicações ao regime miniprodutor;

 Caracterizar os sistemas FV ligados à rede, identificando os equipamentos utilizados pelos mesmos e as suas condições técnicas de funcionamento;

 Analisar a viabilidade de implementação de sistemas de minigeração fotovoltaica em edifícios escolares, tendo em conta a atual legislação e as tarifas em vigor, descrevendo a metodologia de dimensionamento e optimização para uma instalação desta natureza;

 Aplicar a metodologia desenvolvida a um caso de estudo acompanhado de uma análise de viabilidade económica;

 Utilizar uma das diferentes ferramentas de simulação existentes no mercado a fim de realizar uma comparação com os resultados obtidos.

1.2 Organização da dissertação

Esta dissertação encontra-se estruturada em 6 capítulos. O presente capítulo faz uma introdução ao tema, e apresenta a motivação e os objetivos do trabalho.

O Capítulo 2 aborda os fundamentos que constituem a tecnologia solar fotovoltaica, desde o recurso solar, passando pela teoria dos semicondutores essencial à compreensão do efeito fotovoltaico.

Os sistemas fotovoltaicos são apresentados no Capítulo 3, onde se faz uma caracterização dos seus constituintes, desde a unidade mais pequena, a célula, até aos painéis fotovoltaicos. São abordados em particular os tipos de sistemas fotovoltaicos ligados à rede elétrica, e as características dos elementos que o constituem.

No Capítulo 4 é abordada a temática da minigeração, nomeadamente o estado atual, o conceito e a legislação que a rege. Posteriormente são apresentados os métodos que podem ser utilizados no dimensionamento e otimização de unidades de minigeração.

4

No Capítulo 5 é apresentado um caso de estudo aplicado ao edifício Engenharias I da UTAD e respetiva análise de viabilidade económica. No final do capítulo é feita uma análise crítica dos resultados obtidos.

Finalmente, no Capítulo 6, são expostas as conclusões do trabalho desenvolvido e sugestões de trabalhos futuros a realizar no âmbito desta temática.

5

2.

Fundamentos de energia solar fotovoltaica

A origem da vida e das outras formas de energia que existem na Terra têm como principal fonte energética o Sol (Morais, 2009). A energia do Sol tem origem na fusão dos núcleos de átomos de hidrogénio e a consequente produção de núcleos de hélio. A intensidade da radiação solar fora da atmosfera, depende da distância entre o Sol e a Terra, que durante o decorrer do ano, pode variar entre 1,47 x 108 km e 1,52 x 108 km. Devido a este facto, a irradiância global, G, varia entre 1325 W/m2 e 1412 W/m2. O seu valor médio é designado por constante solar, G0 = 1367 W/m² (Greenpro, 2004). Define-se, ainda, irradiação solar

como a quantidade de energia solar incidente por unidade de área, expressando-se em Wh/m2.

À medida que a radiação solar atravessa a atmosfera terrestre, esta é modificada pela interação com os vários elementos aí existentes. Alguns destes, como as nuvens, refletem a radiação solar. Outros, como por exemplo, ozono, oxigénio, dióxido de carbono e vapor de água, têm uma absorção significativa da radiação solar em diferentes bandas do espectro (Lopes, 2010). A atmosfera também é responsável pela difração dos raios solares, sendo devido a este fenómeno, que mesmo num dia de céu nebulado há sempre radiação a chegar à superfície terrestre (Costa, 2009). Assim, a radiação solar total ou radiação global, corresponde à soma da radiação solar direta que passa pela atmosfera sem sofrer dispersão, com a radiação solar difusa, que corresponde à radiação que sofre desvios na sua direção por parte da atmosfera (Alam et al., 2005). Este fenómeno ocorre devido às diversas moléculas existentes na atmosfera, partículas em suspensão, poluição, etc. Em superfícies inclinadas relativamente à horizontal existe ainda uma terceira componente de radiação, que corresponde à radiação que é refletida pelo ambiente circundante, o albedo (Morais, 2009). A Figura 2.1 representa as três componentes da radiação solar.

6

Figura 2.1. Radiação solar direta, difusa e refletida (adaptado de Vilaça, 2009).

Os fenómenos que ocorrem na atmosfera condicionam, assim, a radiação solar que chega à superfície terrestre, o que equivale a dizer que, a massa de ar, MA (ou AM em inglês) tem efeitos ao nível da radiação solar que chega à superfície. A MA não possui unidades e traduz o caminho total que a luz solar tem de percorrer através da atmosfera até atingir a superfície terrestre ao nível do mar. O ângulo de incidência dos raios solares através da atmosfera terrestre faz com que estes possuam um percurso com maior ou menor massa de ar atravessada, sendo que este ângulo varia com a declinação da Terra em relação ao Sol, ver Figura 2.2. Assim, a MA que os raios solares atravessam, é tanto maior quanto menor a elevação solar, traduzindo-se assim numa maior atenuação na energia transmitida.

7

A massa de ar AM assume o valor 1 se z = 0. Como média anual para a Europa, utiliza-se uma massa de ar de 1,5. Na Figura 2.3, é possível observar os efeitos que a massa de ar provoca ao nível do espectro da radiação solar à superfície.

Figura 2.3. Efeito da MA na irradiância espectral à superfície (adaptado de Vilaça, 2009).

Desta forma, em média, num dia de céu limpo, a irradiância incidente junto à superfície terrestre, num plano perpendicular à radiação direta, é aproximadamente 1000 W/m2, sendo este o valor que é usado por defeito nos testes de painéis fotovoltaicos.

Outros fatores conhecidos que influenciam os níveis de radiação registados à superfície são, a latitude do lugar e a estação do ano. Devido à curvatura da Terra, um país/região com uma menor latitude apresenta níveis de radiação solar mais elevados. A Figura 2.4 representa graficamente a variação da radiação solar com a latitude ao longo de um ano para o caso do hemisfério Norte. Portugal Continental situa-se aproximadamente entre 37º e 42º de latitude. As estações do ano introduzem um outro fator para a captação da radiação solar. As variações sazonais (“Verão-Inverno”) da energia solar que incide sobre a superfície da erra (em especial nas zonas afastadas do equador) resultam de uma inclinação do eixo do planeta em relação ao eixo do Sol (23,45º).

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Figura 2.4. Variação da radiação solar com a latitude ao longo de um ano no hemisfério Norte (adaptado de Portela, 2011).

Devido ao movimento de translação da Terra, o ângulo formado entre o plano que passa pelo

equador e a direção dos raios solares varia ao longo do ano entre os limites (+23,45º e -23,45º). A este ângulo dá-se o nome de declinação solar, δs. A declinação pode ser obtida

para cada dia do ano de forma aproximada pela expressão (2.1),

[ ( )

] (2.1)

onde N é o número do dia do ano (N=1 no dia 1 de janeiro). Pelo facto de o ano solar ter um pouco mais do que 365 dias (cerca de 365,25 dias), a declinação solar num determinado dia de um dado mês, varia ligeiramente de ano para ano, pelo que a equação (2.1) é apenas aproximada (Falcão, 2008). Se estivermos no hemisfério Norte, a declinação solar varia entre -23,45° no solstício do Inverno (21 de dezembro) e +23,45° no solstício do Verão (21 ou 22 de junho). O solstício de Inverno é o momento em que o Sol atinge a altitude mais baixa. A declinação solar é nula nos equinócios (da Primavera, a 20 ou 21 de março, e do Outono, a 21 de setembro) altura em que a duração do dia é igual à duração da noite. Os solstícios e equinócios marcam o início das estações. Estes são antagónicos nos dois hemisférios. A Figura 2.5 representa a órbita da Terra em torno do Sol, bem como a declinação solar ao longo do ano.

9

Figura 2.5. Órbita da Terra e declinação solar ao longo do ano (adaptado de Messenger e Ventre, 2004).

Nos estudos sobre energia solar é conveniente adotar como referencial o da Terra, o que equivale a admitir que o Sol roda à volta desta. A posição do Sol num determinado instante e em relação a um determinado local é definida por duas coordenadas, o ângulo de altitude solar, β, formado pelos raios solares com o plano horizontal e o ângulo de azimute solar, as,

entre a projeção horizontal dos raios solares e a direção Norte-Sul no plano horizontal. É positivo se o Sol estiver a Oeste do Sul, e negativo de estiver a Este do Sul. Define-se ainda o ângulo de zénite solar, z, como sendo (z = 90° − β) o ângulo entre os raios solares e a direção vertical (Falcão, 2008) (observar Figura 2.6).

Figura 2.6. Representação dos ângulos que determinam a posição solar relativa num determinado instante (adaptado de Kalogirou, 2009).

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Na estação de Inverno a altura solar é menor do que na estação de Verão. Quanto menor é a altura do Sol menor será a sua irradiância, uma vez que, os raios solares terão de percorrer uma maior distância através da atmosfera. Por outro lado, quanto mais verticalmente os raios de Sol atingirem a superfície da Terra mais concentrados estão, e por conseguinte maior quantidade de energia por unidade de tempo atinge a superfície (Costa, 2009).

Os ângulos de altitude solar, β, e de azimute solar, as, podem ser expressos em função de três

ângulos fundamentais: declinação solar, δs, que como vimos depende do dia do ano, latitude, L, que varia com o local, e ângulo horário solar, hs, que depende do local e do instante considerados. O ângulo horário solar é dado em função da hora solar local, ts pela expressão (2.2).

( ) (2.2)

Estes três ângulos estão representados na Figura 2.7. A partir de relações trigonométricas, obtêm-se as seguintes equações para a altura solar, β, e para o azimute, as:

(2.3)

(2.4)

Ao meio dia solar, ts = 12 h, hs = 0 e, portanto, as = 0 e β = 90° − |L − δs|.

Figura 2.7. Definição de ângulo horário solar, hs (CND), declinação solar, δs (VOD) e latitude, L (POC). P é o ponto de localização do observador (Falcão, 2008).

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A radiação solar é sempre maior numa área que se estende perpendicularmente em relação aos raios solares, do que numa área horizontal das mesmas dimensões. Uma vez que o azimute e a altura solar mudam ao longo do dia e do ano, o ângulo de incidência da radiação solar varia constantemente na maior parte das áreas potenciais de aproveitamento da energia solar (telhados, etc.). A análise da radiação anual ajuda a equacionar a conveniência das áreas existentes, tendo em conta o seu aproveitamento solar (Greenpro, 2004). A Figura 2.8 representa a irradiação solar anual que incide numa área de 1 m2, em função do azimute e da altura solar para a cidade de Lisboa.

Figura 2.8. Irradiação solar global, em kWh/m2, para diferentes orientações da superfície recetora em Lisboa (Greenpro, 2004).

Para a medição da radiação solar existem diversos aparelhos como: o piranómetro (mede a radiação global), o actonógrafo (mede e regista a radiação global) e o piroheliómetro (mede a radiação solar direta normal). Para medir o número de horas de insolação existe o heliógrafo. Estes aparelhos podem registar a radiação ao longo de um ano, e assim, fornecerem informação importante acerca da energia solar que chega à superfície, permitindo, a construção de mapas de radiação solar do planeta, como o que é representado na Figura 2.9. Estes mapas mostram que a irradiação solar, em algumas regiões situadas perto do Equador,

excede 2300 kWh/m2 por ano, enquanto no Sul da Europa não deverá exceder os 1900 kWh/m2. Em Portugal, este valor poderá situar-se entre os 1300 kWh/m2 e os 1800

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Figura 2.9. Radiação global média anual no planeta (adaptado de Fechner, 2005).

Esta energia solar que anualmente chega até nós, sob a forma de radiação eletromagnética, pode ser aproveitada sem produzir ruído, sem poluição e sem partes ou peças em movimento, o que torna os sistemas de aproveitamento da energia solar altamente fiáveis e duradouros (Morais, 2009). A conversão direta da potência associada à radiação solar em potência elétrica de corrente contínua CC (ou DC em inglês) é realizada através de células fotovoltaicas. As células fotovoltaicas são constituídas por um material semicondutor ao qual são adicionadas substâncias, ditas dopantes, de modo a criar um meio adequado ao estabelecimento do efeito fotovoltaico.

2.2 Semicondutores

Como é sabido, os átomos são formados por um núcleo e por eletrões que orbitam em torno do mesmo. De acordo com a mecânica quântica, os eletrões de um átomo isolado podem ter apenas determinados níveis de energia discretos ou quantizados. Nos elementos que têm eletrões em múltiplas orbitais, os eletrões mais próximos do núcleo têm o mínimo (máximo negativo) de energia e, por isso, requerem grande quantidade de energia para saírem da atração do núcleo e se tornarem livres. Quando os átomos estão próximos uns dos outros, a energia eletrónica de cada um dos átomos é alterada e os níveis de energia são agrupados em bandas de energia. Em algumas bandas os eletrões são permitidos, e noutras são proibidos. Os eletrões da camada mais afastada do núcleo atómico são os únicos que interagem com outros átomos. Esta camada designa-se por camada ou banda de valência e os eletrões que nela se

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encontram são os eletrões de valência. Os eletrões da banda de valência estão mais fracamente atraídos pelo núcleo do átomo e por isso poderão ligar-se mais facilmente a outro átomo vizinho, dando a esse átomo carga negativa, deixando o átomo original com carga positiva. Alguns eletrões da banda de valência podem ter grandes quantidades de energia, o que lhes permite saltar para uma banda superior. Estes eletrões são responsáveis pela condução de eletricidade e calor, e a esta banda superior chama-se banda de condução. A diferença de energia entre um eletrão da banda de valência e a banda de condução designa-se por intervalo de banda ou hiato energético (gap de energia). Consoante o intervalo de banda que possuem, os materiais podem ser de três tipos:

a) Materiais isoladores, cujo intervalo de banda é muito grande, superior a 3 eV; b) Materiais condutores (metais), cujo intervalo de banda é muito pequeno

permitindo facilmente aos eletrões de valência escapar da estrutura atómica e ficarem livres para conduzir eletricidade;

c) Materiais semicondutores, com um intervalo de banda intermédio, inferior a 3 eV.

Os semicondutores têm uma estrutura de bandas semelhante à dos materiais isoladores mas a energia que é necessária para excitar os eletrões para a banda de condução é muito menor (Kalogirou, 2009). A Figura 2.10 pretende representar esquematicamente as bandas de energia que caracterizam estes três tipos de materiais.

Existem dois tipos de materiais semicondutores, os puros, chamados de semicondutores intrínsecos, e os que são dopados com pequenas quantidades de impurezas, chamados de semicondutores extrínsecos. Nos semicondutores intrínsecos, os eletrões de valência podem facilmente ser excitados por meios térmicos ou ópticos saltando para a camada de condução, onde não estão limitados por uma fronteira e por isso podem mover-se livremente através do cristal. Quando um fotão da radiação solar contendo energia suficiente atinge um eletrão da banda de valência, este move-se para a banda de condução, deixando um buraco ou lacuna no seu lugar, a qual se comporta como uma carga positiva. Neste caso, diz-se que o fotão criou um par lacuna-eletrão (Kalogirou, 2009).

Uma célula fotovoltaica constituída por cristais de silício puro não produziria energia elétrica. Os eletrões passariam para a banda de condução mas acabariam por se recombinar com os buracos, não dando origem a qualquer corrente elétrica.

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Figura 2.10. Representação esquemática das bandas de energia para os materiais: (a) isolador, (b) condutor, (c) semicondutor (adaptado de Kalogirou, 2009).

Para haver corrente elétrica, é necessário que exista um campo elétrico, isto é, uma diferença de potencial entre duas zonas da célula. Através do processo conhecido como dopagem do silício, que consiste na introdução de elementos estranhos com o objetivo de alterar as suas propriedades elétricas, é possível criar duas camadas na célula: a camada tipo-p e a camada tipo-n, que possuem, respetivamente, um excesso de cargas positivas e um excesso de cargas negativas, relativamente ao silício puro (Castro, 2008).

O silício (Si) pertence ao grupo 4 da tabela periódica, isto é, possui 4 eletrões na camada de valência. Se o material usado para dopagem tiver mais eletrões na camada de valência do que o material semicondutor, então esse material designa-se por semicondutor do tipo-n. Isto acontece quando os átomos de silício são substituídos por elementos do grupo 5 da tabela periódica, como o fósforo (P), arsénio (As) ou antimónio (Sb). Se por sua vez, o material usado para dopagem tiver menos eletrões na camada de valência do que o material semicondutor, então esse material designa-se por semicondutor do tipo-p. Isto acontece quando os átomos de silício são substituídos por elementos do grupo 3 da tabela periódica,

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como o boro (B), gálio (Ga) ou índio (In). Quando dois semicondutores de tipo diferentes são unidos metalurgicamente criando um contacto ou junção (designada junção p-n), surge uma diferença de potencial (potencial de contacto) que mantém um campo elétrico que evita uma

total recombinação de portadores livres, disponíveis em ambos os lados da junção (ver Figura 2.11).

Figura 2.11. Representação esquemática de uma junção p-n (adaptado de Kalogirou, 2009).

Como se pode observar na figura anterior, quando os dois materiais estão juntos, o excesso de eletrões do semicondutor do tipo-n salta para preencher as lacunas do semicondutor do tipo-p, e as lacunas do tipo-p propagam-se para o lado do tipo-n, deixando o lado n positivamente carregado e o lado p negativamente carregado. As cargas negativas do lado p restringem os movimentos de eletrões adicionais provenientes do lado n, contudo, o movimento de eletrões adicionais do lado p é mais fácil devido às cargas positivas do lado n da junção. Por esta razão, a junção p-n comporta-se como um díodo (Kalogirou, 2009).

2.3 Efeito fotovoltaico

Quando um fotão atinge o material fotovoltaico, ele pode ser refletido, absorvido, ou transmitido (Kalogirou, 2009). Se o fotão for absorvido e tiver energia suficiente, os eletrões da banda de valência podem passar para a banda de condução, deixando um número correspondente de lacunas na banda de valência. Se estes pares lacuna-eletrão são gerados dentro da região de depleção da junção p-n, então o campo elétrico presente nesta região separa-os e conduze-os pelo circuito externo. Os eletrões são acelerados para o terminal negativo e as lacunas são encaminhadas para o terminal positivo. Se uma carga externa for ligada aos terminais, será percorrida por uma corrente elétrica (Baptista e Santos, 2009). Este

16

processo designa-se por efeito fotovoltaico. O efeito fotovoltaico foi descoberto por Becquerel em 1839, utilizando como material o selénio. Mas foi em 1935 que Calvin Fuller concebeu a primeira célula solar moderna introduzindo impurezas em cristais de silício por forma a controlar as suas propriedades elétricas. Os materiais atualmente mais usados para o efeito fotovoltaico são semicondutores como o silício (Si) e compostos de sulfureto de cádmio (Cds), sulfureto de cobre (Cu2S) e arsenieto de gálio (GaAs). A Figura 2.12 representa o

efeito fotovoltaico numa célula solar fotovoltaica de silício.

Figura 2.12. Efeito fotovoltaico numa célula FV de silício (adaptado de Carneiro, 2010).

A espessura da camada do tipo-n, numa célula cristalina de silício, é de cerca de 0,5 µm, enquanto a espessura da camada do tipo-p é de cerca de 0,25 mm (Kalogirou, 2009).

No caso de a energia do fotão ser mais pequena do que a do intervalo de banda, o eletrão não terá energia suficiente para saltar para a banda de condução, e a energia é convertida em energia cinética, o que leva a um aumento da temperatura. Independentemente da intensidade energética do fotão, apenas um eletrão pode ser libertado. Esta é a razão para as baixas eficiências das células fotovoltaicas. A energia contida num fotão é dada pela equação (2.5),

(2.5)

onde h é a constante de Plank (h = 6,625 × 10-34 J.s-1) e v a frequência (s-1). Por sua vez, a frequência é dada pela equação (2.6),

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em que C é a velocidade da luz no vazio (C = 3 × 108 m/s) e λ o comprimento de onda em metros. Logo, combinando as equações anteriores obtém-se a equação (2.7).

(2.7)

O silício tem um intervalo de banda de 1,11 eV, ou seja, 1,6 × 10-19 J, logo, usando a equação anterior é possível determinar que os fotões com um comprimento de onda de 1,12 μm ou inferior servem para criar pares lacuna-eletrão e deste modo eletricidade. Observando a Figura 2.3 constata-se que a maioria da radiação solar pode ser usada efetivamente no efeito fotovoltaico (Kalogirou, 2009).

19

3.

Sistemas fotovoltaicos

3.1 Células fotovoltaicas

A célula é o elemento mais pequeno do sistema fotovoltaico (FV), produzindo tipicamente potências elétricas da ordem de 1,5 Wp correspondentes a uma tensão de 0,5 V e uma corrente de 3 A (Baptista e Santos, 2010). Pela teoria do efeito fotovoltaico, abordada no capítulo anterior, quando os fotões incidem na célula originam-se os pares lacuna-eletrão no material semicondutor (geralmente o silício). Se condutores elétricos estiverem ligados ao lado positivo e negativo da célula, formar-se-á um circuito elétrico e os eletrões são capturados na forma de corrente elétrica chamada foto-corrente, IFV.

A junção p-n funciona como um díodo que é atravessado por uma corrente interna unidirecional ID, que depende da tensão V aos terminais da célula.

Assim, é usual representar a célula fotovoltaica por um circuito elétrico equivalente, Figura 3.1.

Figura 3.1. Diagrama do circuito elétrico equivalente de uma célula FV (adaptado de Meral e Dinçer, 2011).

Este circuito pode ser usado para uma célula FV individual, para um módulo FV constituído por um determinado número de células, ou um painel FV constituído por um determinado número de módulos (Meral, 2011). Como mostra a figura, o modelo contém uma fonte de corrente, IFV, um díodo com uma corrente, ID, e uma resistência em série, RS, que representa a

20

também uma resistência interna representada pela resistência em paralelo, RP, que

corresponde às correntes de fuga da célula (Castro, 2008).

Então, a corrente I fornecida por uma célula FV a uma carga pode ser interpretada como a soma da corrente gerada a partir da incidência de radiação luminosa na superfície da célula,

IFV, com uma corrente em sentido contrário e correspondente à de um díodo no escuro ID

(Buhler, 2007), equação (3.1).

(3.1)

Por sua vez, a corrente no díodo, ID, é traduzida pela equação (3.2),

( _{) (3.2)}

em que I0 é a corrente inversa máxima de saturação do díodo, m o fator de idealidade do díodo

(díodo ideal m = 1; díodo real m > 1) e VT a tensão equivalente da temperatura.

Deve notar-se que a resistência em paralelo, Rp, é geralmente muito maior do que a resistência da carga, enquanto a resistência em série, Rs, é muito menor do que a resistência de carga. Portanto, ignorando estas duas resistências, a corrente I extraída de uma célula FV é a diferença entre a foto-corrente IFV e a corrente normal do díodo ID dada pela equação (3.3)

(Meral e Dinçer, 2011).

( _{) (3.3)}

A tensão equivalente da temperatura, VT, vulgarmente designada de potencial térmico,

corresponde ao potencial de contacto que deriva da agitação térmica de portadores no silício e pode ser calculado pela equação (3.4),

(3.4)

onde k representa a constante de Boltzman, (k = 1,38 × 10-23 J/K), T a temperatura absoluta da célula em Kelvin (0°C = 273,16 K), e q a carga elétrica do eletrão (q = 1,6 × 10-19 C).

21

Se a luz incidir sobre uma célula FV desligada da carga, é criada uma tensão que pode ser medida como a tensão de circuito aberto, VCA (ou Voc em inglês), a partir dos dois contactos

da célula (Vilaça, 2009). Esta corresponde ao valor máximo da tensão aos terminais da célula, que ocorre, quando esta se encontra em vazio. O seu valor é uma característica da célula, sendo um dado fornecido pelo fabricante para determinadas condições de radiação incidente e temperatura (Castro, 2008). A tensão do circuito aberto regista, com células cristalinas, aproximadamente 0,5 a 0,6 V e, para células amorfas, cerca de 0,6 a 0,9 V (Greenpro, 2004). Se ambos os contactos estiverem em curto-circuito através de um amperímetro, a corrente do curto-circuito, ICC (ou Isc em inglês), poderá ser medida. Esta corrente corresponde ao valor

máximo da corrente de carga, igual, portanto, à corrente gerada pelo efeito fotovoltaico (IFV = ICC). O seu valor é uma característica da célula, sendo um dado fornecido pelo

fabricante para determinadas condições de radiação incidente e temperatura. Em células cristalinas standard (10 cm × 10 cm) sob condições de referência, a corrente de curto-circuito é cerca de 3 A.

Para além da VCA e ICC também são características da célula a sua potência máxima Pmax ou PMPP, a corrente máxima Imax ou IMPP e a tensão máxima Vmax ou VMPP, em que MPP refere o

ponto de potência máxima (do inglês Maximum Power Point). A corrente do curto-circuito

ICC é aproximadamente 5 a 15% maior do que a corrente IMPP (Vilaça, 2009). A Figura 3.2

representa as curvas características V-I e V-P de uma célula fotovoltaica típica de silício.

Figura 3.2. Característica V-I e V-P de uma célula fotovoltaica típica de silício (adaptado de Vilaça, 2009).

O valor da potência máxima é fornecido em unidades de Watt-pico (Wp), que é a unidade que mede a potência de pico, ou seja, a potência máxima nas condições de referência ou padrão

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STC (Standard Test Conditions). De facto, as curvas características das células FV são especificadas em condições uniformes de teste, isto é, em condições STC. Estas condições de referência são condições universais para a execução dos testes às células fotovoltaicas, por forma a que o desempenho das mesmas possa ser comparado para as mesmas condições de irradiância incidente e temperatura. Os fabricantes de células FV fornecem assim, um conjunto de parâmetros característicos das células determinados nas condições padrão. Neste trabalho, esses parâmetros serão identificados com índice “r” de referência. Na realidade, as condições de referência ocorrem muito raramente. Mesmo no caso de o Sol brilhar com a intensidade especificada, a temperatura da célula será sempre superior a 25ºC. Por este motivo, é muitas vezes especificada a temperatura nominal de funcionamento da célula do módulo NOCT (Nominal Operating Cell Temperature). Esta temperatura da célula é determinada para um nível de irradiância de 800 W/m2, uma temperatura ambiente de 20 ºC e para uma velocidade do vento de 1 m/s (Greenpro, 2004). A Tabela 3.1 apresenta as condições de teste padrão STC e nominais NOCT.

Tabela 3.1. Condições STC e NOCT.

Condições STC Condições NOCT

Radiação: Gr = 1000 W/m2 Temperatura da célula: Tr = 25ºC Massa de ar: MA = 1,5

Radiação: GNOCT = 800 W/m2

Temperatura Ambiente: TNOCT = 20ºC

Velocidade do vento: WNOCT = 1 m/s

Massa de ar: MA = 1,5

A radiação solar incidente e a temperatura da célula são fatores que influenciam de forma determinante o funcionamento da célula fotovoltaica (Baptista e Santos, 2010). A Figura 3.3 representa de que modo é que essa influência se faz sentir ao nível das curvas características I-V das células.

Como se pode observar na Figura 3.3 (a), a tensão de circuito aberto, VCA, aumenta

logaritmicamente com o aumento da radiação, enquanto a corrente de curto-circuito, ICC,

aumenta de forma linear. Na Figura 3.3 (b) pode-se constatar que o principal efeito do aumento da temperatura da célula é ao nível da tensão de circuito aberto, a qual decresce linearmente com o aumento da temperatura da célula, e portanto, também a eficiência da

23

célula decrece com o aumento da temperatura. Por seu turno, a corrente de curto-circuito aumenta ligeiramente com o aumento da temperatura da célula (Kalogirou, 2009).

Figura 3.3. Influência da radiação e da temperatura nas características da célula FV.

(a) Efeito do aumento da radiação. (b) Efeito do aumento da temperatura da célula (adaptado de Kalogirou, 2009).

A eficiência de conversão solar, η, de uma célula FV é um aspeto determinante para a eficiência global do sistema. Esta é uma característica da própria célula e depende do material e da tecnologia que constituem a mesma (Miles et al., 2005). Nas condições de referência, a eficiência pode ser obtida pela equação (3.5),

(3.5)

onde Gr é a radiação incidente nas condições padrão (1000 W/m2) e A, a área da célula, em m2. Ao quociente entre a potência de pico Prmax e o produto (VrCA × IrCC) chama-se fator de

forma FF (Fill Factor) sendo, sempre desejável trabalhar com células em que o fator de forma seja o maior possível (Baptista e Santos, 2010).

No entanto, como já foi visto anteriormente, as células raramente operam nas condições de referência. Pelo que para outro ponto de funcionamento o seu rendimento será dado pela equação (3.6),

24

em que o valor da potência máxima produzida pela célula, é dado, pelo produto entre a tensão e corrente máximas, equação (3.7).

(3.7)

A corrente máxima, Imax, varia com a radiação segundo uma lei idêntica à da corrente de

curto-circuito, ou seja, praticamente não varia com a temperatura da célula, apresentando uma variação linear com a radiação incidente, equação (3.8).

(3.8)

A tensão máxima, Vmax, por sua vez, relaciona-se logaritmicamente com a radiação incidente e

está dependente da temperatura da célula T (K) e da corrente inversa de saturação do díodo I0

(A), equação (3.9).

[

( )

] (3.9)

Por outro lado, a corrente de saturação inversa do díodo I0 pode ser obtida em função de

parâmetros conhecidos da célula nas condições de referência pela equação (3.10),

( ) ( ) (3.10)

em que, Ɛ é o hiato do silício (1,12 eV), a corrente de saturação inversa nas condições de referência determinada pela equação (3.11) e m’ o fator de idealidade equivalente determinado pela equação (3.12),

(3.11) (3.12)

25

onde, NSM é o número de células ligadas em série, sendo que no caso de uma célula

fotovoltaica individual este parâmetro assume o valor igual a um. O fator de idealidade do díodo, m, pode ser determinado apenas em função dos parâmetros característicos da célula fornecidos pelos fabricantes, equação (3.13) (Baptista e Santos, 2010).

(

)

(3.13)

O valor da temperatura de funcionamento de uma célula, θC (ºC), não é um valor conhecido,

no entanto, este pode ser obtido através da relação com a temperatura ambiente do local e da radiação incidente através da equação (3.14),

θ θ_a (N 20)

00 (3.14)

onde θa é a temperatura ambiente, em °C, G a radiação incidente, em W/m2, e NOCT a

temperatura normal de funcionamento da célula, em °C, sendo este valor fornecido pelo fabricante e que representa a temperatura atingida pela célula nas condições normais de funcionamento (Baptista e Santos, 2010). Logo, a temperatura absoluta da célula T (K) será dada pela equação (3.15).

(3.15)

Melhorias ao nível da eficiência da célula estão diretamente ligados a uma redução de custos nos sistemas FV (Kalogirou, 2009). Ultimamente muitos trabalhos de investigação e desenvolvimento têm sido elaborados nesta área contribuindo para o progresso tecnológico das células FV.

3.1.1 Tipos de células fotovoltaicas

Todas as células solares necessitam de um material absorvente de luz que está presente no seu interior para absorver fotões e gerar eletrões livres através do efeito fotovoltaico. O silício tem sido o material dominante, no entanto, existem outros materiais aparentemente promissores. Segundo a IEA (International Energy Agency), o silício cristalino (c-Si) representa hoje

85-26

90% do mercado global anual. Por sua vez, a tecnologia de película fina ou filmes finos (Thin

Films) representa atualmente 10% a 15% das vendas globais. Novos conceitos fotovoltaicos

que, atualmente são objeto de pesquisa, visam atingir uma ultra eficiência das células solares através de materiais avançados e novos conceitos de conversão e de processamento (IEA, 2010). Um diagrama relativo aos vários tipos de células FV atualmente existentes é apresentado na Figura 3.4.

Figura 3.4. Diagrama representativo dos vários tipos de células FV atualmente disponíveis no mercado. (adaptado de Solarpraxis e Sunbeam, 2012)

3.1.1.1 Células de silício cristalino

O silício (Si) é o segundo elemento mais abundante da crosta terrestre, mais de 25% da crosta terrestre é composta por silício (Baptista e Santos, 2010). A maioria das células solares fabricadas e vendidas baseiam-se na utilização deste elemento no seu estado cristalino. As células de silício cristalino podem ser subdivididas em células de silício:

 Monocristalino (sc-Si), do inglês Single Crystalline Silicon;  Policristalino (mc-Si), do inglês Multi-Crystalline Silicone.

Nas células de silício monocristalino, o silício tem uma única estrutura cristalina contínua praticamente sem defeitos ou impurezas. A principal vantagem destas células é a sua alta eficiência (Meral e Dinçer, 2011). A eficiência máxima atualmente registada em laboratório para este tipo de células é de 25% (Green et al., 2013). No entanto, o processo de fabrico

27

destas células é complexo o que se traduz em custos mais elevados quando comparando com as demais tecnologias.

As células de silício policristalino constituem um material menos caro do que as células de silício monocristalino. As células são produzidas usando numerosos grãos de silício monocristalino. No processo de fabricação, o silício policristalino fundido é moldado em lingotes, que são subsequentemente cortados em placas muito finas e montados em células completas. O processo de produção das células policristalinas é mais simples, e portanto, mais barato do que o das células monocristalinas sendo, no entanto, um pouco menos eficientes. O recorde de eficiência para estas células é atualmente de 20,4% (Green et al., 2013).

3.1.1.2 Células de filmes finos

Os filmes finos são feitos por deposição de camadas extremamente finas de materiais fotossensíveis sobre um suporte de baixo custo, tais como o vidro, o aço inoxidável ou o plástico. Este tipo de tecnologia facilita a integração das células fotovoltaicas na construção de edifícios, contribuindo para melhorias arquitetónicas e estéticas. As células de filmes finos podem ser de três famílias principais:

 Silício amorfo (a-Si) e silício amorfo microcristalino (a- i/μc-Si);  Telureto de cádmio (CdTe);

 Disseleneto de cobre e índio (CIS) e disseleneto de cobre, índio e gálio (CIGS);  Outras tecnologias atualmente emergentes englobam filmes finos de células orgânicas. A principal diferença entre as células de silício amorfo e as de silício cristalino é que, em vez da estrutura cristalina, as células de silício amorfo são compostas por uma camada homogénea e fina de átomos de silício (silício não cristalizado). Adicionalmente, o silício amorfo absorve a luz de forma mais eficaz do que o silício cristalino, o que conduz a células mais finas, também conhecidas como células fotovoltaicas de filme fino. Estas células são cerca de 100 vezes mais finas quando comparadas com as células de silício cristalino. A grande vantagem destas células é que o silício amorfo pode ser depositado sobre uma ampla variedade de substratos, tanto rígidos como flexíveis (Meral e Dinçer, 2011). A desvantagem é a sua baixa eficiência. Atualmente regista-se uma eficiência máxima para estas células de 10,1% (Green

et al., 2013). No entanto, o seu processo de produção é relativamente barato pelo que as