DESEMPENHO DE PAINEL FOTOVOLTAICO EM UM SISTEMA ISOLADO

DESEMPENHO DE PAINEL FOTOVOLTAICO EM UM SISTEMA

ISOLADO

ESTOR GNOATTO;

YURI FERRUZZI;

REINALDO P. RICIERI;

MIGUEL M. JUNIOR;

ADRIANA T.E. DE OLIVEIRA

Mestre em Engenharia Agrícola UNIOESTE/Cascavel/PR, Prof. CEFET –

Medianeira/PR. E-mail: estor@unioeste.br

Mestrando em Engenharia Agrícola UNIOESTE/Cascavel/PR, Prof. FAG –

Cascavel/PR. E-mail: yuri@unioeste.br

Prof. Dr. do Curso de Mestrado e Graduação em Eng. Agrícola da

UNIOESTE/Cascavel/PR, Cascavel/PR E-mail: ricieri@unioeste.br

Mestrando em Engenharia Agrícola UNIOESTE/Cascavel/PR, Prof. FAG –

Cascavel/PR. E-mail: miguel@fag.edu.br

Licenciada em Matemática UNIOESTE/Cascavel/Pr, --Cascavel/PR. E-mail:

atoliveira@unioeste.Br

RESUMO:

A instalação de módulos fotovoltaicos tem se tornado uma fonte alternativa de fornecimento de energia elétrica. O presente trabalho teve como objetivo avaliar a eficiência de painéis fotovoltaicos de silício policristalino, através de sua instalação em um sistema isolado, em condições meteorológicas naturais da região, e dispondo de um sistema de aquisição de dados automático, para os índices de tensão, corrente e temperatura do painel e a irradiação solar incidente no mesmo plano dos módulos, durante o ano de 2002

.

PALAVRAS-CHAVE:

radiação solar, energia, sistema fotovoltaico isolado, recursos renováveis.

PERFORMANCE OF PANEL FOTOVOLTAICO IN AN ISOLATED SYSTEM

SUMMARY:

The installation of photovoltaic modules has if turned an alternative source of supply of electric energy, the present work had as objective to evaluate the efficiency of photovoltaic panels of multicrystalline silicon, through its installation in an isolated system, in conditions natural meteorological of the region, and having an automatic system of acquisition of data, for the tension indexes, current, and temperature, of the panel and the incident solar irradiation in the same inclination of the cells, during the year of 2002.

KEYWORDS: solar radiation, energy, isolated photovoltaic system, renewable resources.

1 INTRODUÇÃO:

Mediante o avanço de fontes alternativas de energia elétrica, a aplicação da energia solar através de módulos fotovoltaicos tem se tornado uma opção para os consumidores. Para melhor dimensionar tais dispositivos, é de grande importância a determinação das suas características sob condições reais de funcionamento. As características elétricas dos módulos são geralmente estimadas de acordo com sua potência máxima de saída, sob condições de teste padrão (STC - Standard Test Conditions), irradiação solar 1000W/m2, temperatura da célula de 25 oC e distribuição espectral AM=1,5. Como essa temperatura raramente é atingida em condições reais

de operação, em dias de sol claro é tipicamente de 20 a 40 oC maior que a ambiente. (CEPEL/CRESESB, 1999, OVERSTRAETEN; MERTENS, 1996). Um módulo fotovoltaico não é fonte linear de potência, depende da temperatura e do nível de radiação. A radiação solar e temperatura ambiente determinam o ponto de operação para o módulo, sendo assim, há necessidade de conhecer o comportamento de operação do painel. A performance dos painéis fotovoltaicos, segundo (TREBLE, 1991, p. 25-30), está relacionada a fatores construtivos das células, bem como a fatores externos.

2 MATERIAL E MÉTODOS

2.1Localização do Experimento

O presente trabalho é referente a parte da dissertação (GNOATTO, 2003), realizado na Estação Experimental Agrometeorológica da UNIOESTE – Universidade Estadual do Oeste do Paraná – Campus Cascavel, a uma latitude 24º 59’ Sul, longitude de 53º26’ Oeste com altitude de 682 metros, no período de 01 de janeiro de 2002 a 31 de dezembro de 2002. Onde foi montado o sistema fotovoltaico isolado (stand alone), com sistema de armazenamento de energia, composto de :

• 02 painéis fotovoltaicos, marca Solarex, modelo MSX-56, tensão padrão 12V, corrente padrão 3,35A, potência 56W;

• 2 baterias recarregáveis estacionárias de chumbo-cálcio, marca Concorde, modelo PVX-1285 (85Ah/12V);

• Controlador de carga e descarga do sistema de armazenamento, marca Morningstar Prostar 30 (30A);

Os painéis fotovoltaicos foram ligados em paralelo, onde os módulos operam a uma tensão regulada mantida pelo controlador de carga e descarga que alimenta o banco de baterias (ligadas em paralelo) e a carga. A carga é representada por uma resistência fixa que é acionada através de um controlador horário digital, para intervalos de tempo pré definidos, de tal modo que toda a energia fornecida pelos painéis fotovoltaicos é armazenada no banco de baterias ou utilizada pela carga . O esquema simplificado do sistema é mostrado na Figura 1.

FIGURA 1 - CONFIGURAÇÃO BÁSICA DE UM SISTEMA FOTOVOLTAICO ISOLADO

CONJUNTO FOTOVOLTAICO CONTROLADOR DE CARGA BATERIAS CARGA RESISTIVA

2.2Montagem do Experimento

Os painéis fotovoltaicos foram instalados com face voltada para o norte geográfico, a uma altura de 1 metro do solo (parte mais baixa do conjunto) com ângulo de inclinação igual à latitude local. Foram instalados 10 módulos fotovoltaicos, entretanto no objeto em estudo foram analisados dois painéis fotovoltaicos, conforme indicado na Figura 2 e denominados de painel 1 e painel 2.

FIGURA 2 - VISTA PARCIAL DA ESTAÇÃO EXPERIMENTAL AGROMETEOROLÓGICA.

2.3 SISTEMA DE PROTEÇÃO E CONTROLE

O painel de controle e proteção do sistema fotovoltaico, composto por: cinco disjuntores termomagnético SIEMENS, para proteção do sistema contra sobrecarga e curto circuito; um controlador horário COEL; controlador de carga e descarga Morningstar Prostar 30 (30A) e um contator 3TB-40 SIEMENS para o acionamento da carga resistiva, o controlador é programado para acionar o contator durante um período pré determinado, para que as baterias fiquem sempre em carga e, desta forma toda potência gerada pelos painéis possa ser medida. A Figura 3 detalha o diagrama unifilar do experimento.

FIGURA 3 - DIAGRAMA UNIFILAR DO EXPERIMENTO

SIMBOLOGIA - RESISTOR SHUNT - TERRA - CARGA - CONTATOR - DISJUNTOR MONOPOLAR + -- BORNE 1 - BANCO DE BATERIAS - TEMPORIZADOR - PAINEL FOTOVOLTAICO - CONTROLADOR DE CARGA -+ DIAGRAMA UNIFILAR TEMP COEL CONTACTOR PROSTAR 30 40 A 40 A FV/2x56 W 2 com 10 A CARGA REDE 40 A RS RESISTIVA

2.4.

Conjunto Fotovoltaico

O conjunto fotovoltaico avaliado é formado por dois painéis da marca SOLAREX, modelo MSX–56, cada um é composto de 36 células de silício policristalino ligadas em série, podendo fornecer até 112,2 W em condições STC.

2.5. Aquisição De Dados

O sistema de aquisição de dados é constituido por um "micrologger" da CAMPBELL SCIENTIFIC-INC modelo CR10X, programado para realizar uma leitura por segundo de cada canal e armazenar a média aritmética de cinco minutos dos dados das componentes de radiação solar direta, difusa, global no plano horizontal e global na incidência do painel; temperatura bulbo úmido, bulbo seco, e temperatura de operação do painel; tensão e corrente do sistema fotovoltaico. Os dados de temperatura de operação do painel fotovoltaico foram obtidos por um termopar do tipo K, instalado na parte de trás do mesmo (medida de temperatura do painel).

2.5 Determinação Da Eficiência Do Módulo Fotovoltaico

A eficiência do módulo fotovoltaico é definida pela relação entre a potência gerada pelo módulo e a irradiação incidente sobre o módulo. Segundo (OVERSTRAETEN e MERTENS, 1996); (TREBLE, 1980), pode ser obtida pela seguinte equação:

100

)

(

)

(Im

_×

×

×

=

A

Ic

Vmp

p

η

(1)

Onde: Ic = Irradiância solar (W.m-2) A = área útil do módulo (m2) Imp= Corrente máxima de pico Vmp= Tensão máxima de pico

(SANDNES e RESKSTAD, 2002) utilizaram esta equação para calcular a eficiência do painel fotovoltaico em um sistema experimental híbrido, Fotovoltaico/coletor solar gerando eletricidade e água a baixa temperatura. Onde o experimento foi efetuado em condições diferentes das de teste (STC). (HADY e AL-JANABY, 1998) estudou durante dois anos o efeito do clima do Kuwait na eficiência de dois tipos de células fotovoltaicas, onde também utilizou a mesma técnica.

De acordo com (CARDONA e LÓPEZ, 1999), a eficiência de um conjunto fotovoltaico em um sistema de geração de energia elétrica pode ser obtida numa relação entre toda energia diária produzida e a energia diária incidente na superfície do módulo. O rendimento diário do conjunto fotovoltaico é representado pela seguinte equação:

d

Er,

d

Epv,

=

pvd

η

(2)

Onde: E

Pv,d

= Energia diária fornecida pelo módulo.

E

r,d

= Irradiação diária na superfície do conjunto fotovoltaico.

A média mensal do rendimento diário é obtida por:

D

pvd

D D

∑

=

=

1

η

η

(3)

Onde: D é o número de dias com dados.

3 RESULTADOS E DISCUSSÃO:

A temperatura e a irradiação solar são os dois principais fatores que influenciam na produção de energia por módulos fotovoltaicos. A corrente gerada pelo módulo varia linearmente com a irradiância, enquanto que a tensão varia logaritmicamente. O rendimento diário foi calculado pela Equação (2). Na Figura 1, encontra-se a eficiência diária dos módulos fotovoltaicos.

FIGURA - 4 EFICIÊNCIA DIÁRIA DOS MÓDULOS FOTOVOLTAICOS.

5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 0 2 4 6 8 1 0 E F IC IÊN C IA (% ) D I A J U L I A N O E f ic iê n c i a p a i n e l

A Figura 4 mostra o comportamento diário da eficiência no ano de 2002, em que foram analisados 349 dias registrados. Tendo o ponto de eficiência máxima de 9,46%, em 14 de fevereiro de 2002 e o ponto de eficiência mínima 6,03%, em 12 de agosto de 2002. Com base na análise diária, observou-se o comportamento da freqüência de ocorrências em relação à eficiência média diária. Foi possível observar que 81,9 % das ocorrências registraram valores entre 8,6% e 9,2% de eficiência, 4,6% entre 9,2 e 9,46% e os demais ficaram entre 6,0% e 8,6% de eficiência. Os valores de baixa eficiência estão relacionados com dias nublados. Os índices podem ser melhor observados no gráfico da Figura 2.

FIGURA – 5 PERCENTUAL DE OCORRÊNCIAS X EFICIÊNCIA DIÁRIA.

6,0 6,2 6,4 6,6 6,8 7,0 7,2 7,4 7,6 7,8 8,0 8,2 8,4 8,6 8,8 9,0 9,2 9,4 9,6 0 5 10 15 20 25 30 35 Oc or rê n ci as ( % ) Eficiência (%) Percentual

Podemos visualizar, na Figura 5, que a eficiência sofre uma pequena variação, como a quantidade de dias que apresentam essa variação não é significativa, para melhor visualizar os índices de eficiência média mensal traçamos o gráfico da Figura 6, que reflete a média mensal da eficiência.

Numa partição sazonal, os valores de eficiência média obtidos foram: 8,82% na primavera, 8,91% no verão, 8,90% no outono e 8,67% no inverno, com um desvio padrão de ± 0,11, não representando uma variação significativa entre as estações, para a região de cascavel. A eficiência média mensal foi calculada de acordo com a Equação (3).

FIGURA 6 – GRÁFICO DA EFICIÊNCIA MÉDIA MENSAL DOS MÓDULOS FOTOVOLTAICOS

jan/02 fev/ 02 mar/ 02 abr/02 ma i/0 2 jun/02 jul/ 02 ago/02 set/0 2 out /02 nov /02 dez /02 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 Ef ic iên ci a % M ê s

Observa-se, no Gráfico 6, que o valor de eficiência mínima foi de 8,65%, em julho e a máxima de 9,17%, em fevereiro, com uma média de 8,84%. Salientando dessa forma que há uma variação percentual entre os valores máximo e mínimo de 5,67% , demonstrando que a eficiência do sistema fotovoltaico não apresenta uma variação significativa, durante o período de janeiro a dezembro de 2002, possibilitando desta forma a aplicação desses índices para um dimensionamento otimizado de sistemas fotovoltaicos. A análise mostra um percentual inferior ao encontrado por (CARDONA e LÓPEZ, 1999) e por (CAMARGO, 2000), demonstrando que Cascavel apresenta uma condição mais estável para esse tipo de sistema fotovoltaico.

4 CONCLUSÕES:

A eficiência média mensal dos módulos é de 8,84%, em condições reais de campo, o que significa 71,12% da eficiência, segundo o padrão de teste STC, dessa forma pode-se melhor dimensionar os sistemas fotovoltaicos para a localidade de Cascavel – Paraná, otimizando essa forma de geração alternativa de energia elétrica.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

CAMARGO, J. C. Medidas do potencial fotovoltaico na região das bacias dos rios Piracicaba

e Capivari. Campinas, 2000. 107 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) -

Universidade Estadual de Campinas.

CARDONA, M, S; LÓPEZ, M, L. Performance analysis of a grid-connected photovoltaic

system. Energy, Local, v. 24, p. 93-102, 1999.

CEPEL/CRESESB. Manual de engenharia para sistemas fotovoltaicos. Rio de Janeiro: CEPEL/CRESESB, 1999.

HADY, A, A; AL-JANABY. M. The effects of Kuwaiti climate on the efficiency of photovoltaic

cells, Renovable Energy, v. 14, 1998, P 173-178.

OVERSTRAETEN, R. W.; MERTENS, R. P. Physics, technology and use of fhotovoltaics.

Londres:. Modern Energy Studies, 1996, 277p.

SANDNES, B; RESKSTAD, J. A photovoltaic/thermal (PV/T) collector with a polymer absorber

plate. Experimental study and analytical model. Solar Energy, Local, n. 72. p.63-73, 2002.

TREBLE, F. C. Generating electricity from the sun. New York: Pergamon Press, 1991.

GNOATTO, E. Desenpenho de painel fotovoltaico para geração de energia elétrica na região