Análise de dados de radiação solar na região de Curitiba para aproveitamento energético

(1)

DEPARTAMENTO ACAD ˆ

EMICO DE ELETROT ´

ECNICA

CURSO DE ENGENHARIA EL ´

ETRICA

FRANCISCO FADEL PENICHE

GABRIEL TEM PASS

LUCAS BOZZA DE OLIVEIRA MELLO

AN ´

ALISE DE DADOS DE RADIAC

¸ ˜

AO SOLAR NA REGI ˜

AO DE

CURITIBA PARA APROVEITAMENTO ENERG ´

ETICO

TRABALHO DE CONCLUS ˜

AO DE CURSO

CURITIBA

(2)

GABRIEL TEM PASS

LUCAS BOZZA DE OLIVEIRA MELLO

AN ´

ALISE DE DADOS DE RADIAC

¸ ˜

AO SOLAR NA REGI ˜

AO DE

CURITIBA PARA APROVEITAMENTO ENERG ´

ETICO

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Departamento Acadêmico de Eletrotécnica da Universidade Tecnológica Federal do Paraná como requisito parcial para obtenção do t´ıtulo de Engenheiro Eletricista.

Orientador: Prof. Me. Celso Fabr´ıcio de Melo J´unior

CURITIBA

(3)

Lucas Bozza de Oliveira Mello

AN ´

ALISE DE DADOS DE RADIAC

¸ ˜

AO SOLAR NA REGI ˜

AO DE

CURITIBA PARA APROVEITAMENTO ENERG ´

ETICO

Este Trabalho de Conclusão de Curso de Graduação foi julgado e aprovado como requisito parcial para a obtenção do T´ıtulo de Engenheiro Eletricista, no curso de Engenharia Elétrica no Departamento Acadêmico de Eletrotécnica (DAELT) da Universidade Tecnol´gica Federal do Paraná (UTFPR).

Curitiba, 07 de dezembro de 2016.

Prof. Emerson Rigoni, Dr.

Coordenador de Curso Engenharia ´etrica

Profa. Annemarlen Gehrke Castagna, Me. Respons´avel pelo Trabalhos de Conclus˜ao de

Curso de Engenharia El´etrica do DAELT

ORIENTAC¸ ˜AO BANCA EXAMINADORA

Celso Fabr´ıcio de Melo Júnior, Me. Universidade Tecnológica Federal do Paraná

Orientador

Carlos Henrique Karam Salata, Prof. Esp. Universidade Tecnol´ogica Federal do Paran´a

Gerson M´aximo Tiepolo, Dr.

Universidade Tecnol´ogica Federal do Paran´a

Vilmair Ermenio Wirmond, Me. Universidade Tecnol´ogica Federal do Paran´a

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não teria sido concretizado. Este trabalho também é uma conquista de vocês. Somos eternamente gratos. Obrigado.

(5)

Agradecemos primeiramente ao nosso Orientador, Professor Me. Celso Fabr´ıcio de Melo Júnior por nos auxiliar e guiar durante esta jornada, com palavras de incentivo, atenção e conselhos.

`

A equipa do Instituto de tecnologia do Paran´a (TECPAR), por acreditarem em nossa capacidade de realizar um bom estudo e terem fornecido todos os dados necess´arios para que esse trabalho fosse realizado.

`

A todos os professores da Universidade Tecnológica Federal do Paraná por terem nos mostrado o caminho do conhecimento durante os anos de graduação, nos auxiliando para que nos tornemos bons profissionais.

`

A todos os amigos e familiares que nos incentivaram durante todos os longos anos de graduac¸˜ao.

E por fim um agradecimento especial as pessoas que formam nossa fonte de inspirac¸˜ao, nossos pais, que possibilitaram que este sonho se torna-se realidade.

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PENICHE, Francisco F., TEM PASS, Gabriel, MELLO, Lucas B.. AN ÁLISE DE DADOS DE RADIAÇ ÃO SOLAR NA REGI ÃO DE CURITIBA PARA APROVEITAMENTO ENERG ÉTICO. 90 f. Trabalho de Conclusão de Curso – Curso de Engenharia Elétrica, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba, 2016.

A energia elétrica está presente na vida de todas as pessoas, tornando-a mais confortável, segura, prática e sendo um sinônimo de desenvolvimento. Com o crescimento econômico de diversos pa´ıses, houve o aumento da demanda de energia e com isso, o aumento pela busca de alternativas sustentáveis de geração, entretanto, muitos pa´ıses não possuem dados ambientais precisos de seu território para poder realizar estudos confiáveis de quais as melhores alternativas como solar, eólica, maremotriz, entre outras. No Brasil, o Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), possui programas de coleta de dados ambientais afim de realizar o estudo da capacidade de geração de energia sustentável. Um de seus programas é o Sistema Nacional de Organização de Dados Ambientais (SONDA). Este projeto conta com estações solarimétricas por todo território nacional e tem como objetivo levantar dados para realização de estudos dos recursos de energia solar e eólica no Brasil, e consequentemente realizar o planejamento de seu uso. Este trabalho visa realizar o tratamento e estudo dos dados coletados na base solarimétrica conveniada ao projeto SONDA, localizada no Instituto de Tecnologia do Paraná (TECPAR), o qual cedeu os dados de irradiação solar no per´ıodo de vinte meses na cidade de Curitiba. O estudo é importante para comparar esses dados com os obtidos através de métodos computacionais pelo INPE para a mesma região. Ao final do trabalho será avaliado se os dados do INPE são corroborados pelos reais do TECPAR. Além disso, é poss´ıvel mostrar o potencial de geração de energia solar na região da cidade de Curitiba, afim de tornar a cidade mais sustentável e menos dependente da energia gerada em locais distantes como ocorre hoje. É também mostrado um comparativo com outras cidades e pa´ıses nos quais a aplicação de geração através de painéis fotovoltaicos já esteja mais disseminado.

Palavras-chave: Geração de Energia, Energia Sustentável, Energia Solar, Projeto SONDA, Sistemas Fotovoltaicos.

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PENICHE, Francisco F., TEM PASS, Gabriel, MELLO, Lucas B.. SOLAR IRRADIATION DATA ANALYSIS IN CURITIBA REGION FOR ENERGY USES. 90 f. Trabalho de Conclusão de Curso – Curso de Engenharia Elétrica, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba, 2016.

Electrical power is widely present in modern life, making it more confortable, secure, practical, being a marker of technological development. Together with the economic growth of many countries, energy demand rises constantly and, with said increase, the search for sustainable power generation alternatives follows. However, lots of nations don’t have accurate environmental data of its territories, prohibiting them from precise studies on their renewable power generation potential. In Brazil, the National Institute on Space Research (INPE), has environmental data collection programs with the goal of studying the country’s renewable energy capacity. One of the Institute’s programs is the recently created National System of Environmental Data Organization (SONDA). The project has solarimetric stations throghout the nation and has the objective of gathering data for solar and wind resource studies within Brazil. In doing so, the country’s engineers can plan on how to better use them. This thesis, as it’s objective, seeks to process and study data collected on project SONDA’s partner solarimetric base, located at the Technological Institute of Paran´a (TECPAR), which has delivered to the authors it’s data on Curitiba’s solar radiation in a timeframe of 20 months. The study of these ground based measurements is important, allowing comparisons with computer methods data from INPE for the same region. At the end, it is possible to check if INPE’s data can be backed by TECPAR’s. And besides that, with the data, the solar generation potential of Curitiba can be found, with the purpose of making the city more sustainable and less dependent on faraway generated power, as it happens today. Also a comparison between Curitiba and other cities and countries, where fotovoltaic generation is in widespread use, is presented.

Keywords: Energy Generation, Sustainable Energy, Solar Energy, SONDA’s Project, Photovoltaics Energy.

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FIGURA 1 Atividade da radiação solar medida pelo TIM abordo da espaçonave SORCE. . . 18 –

FIGURA 2 Fluxo de energia na Terra . . . 19 –

FIGURA 3 Medic¸˜oes do NREL para AM 0 e AM 1.5 em uma superf´ıcie inclinada e em uma paralela ao solo. . . 20 –

FIGURA 4 Componentes da radiac¸˜ao solar. . . 21 –

FIGURA 5 Orbita da Terra em torno do Sol, mostrando a diferença na inclinação de´ acordo com a data. . . 22 –

FIGURA 6 incidˆencia por ´area de acordo com a latitude . . . 22 –

FIGURA 7 Angulos entre o Sol e uma superf´ıcie.ˆ . . . 23 –

FIGURA 8 Comprimentos de onda no Espectro Eletromagn´etico . . . 25 –

FIGURA 9 Estrutura simplificada de uma c´elula fotovoltaica de sil´ıcio. . . 27 –

FIGURA 10 Painel de sil´ıcio Monocristalino instalado no TECPAR. . . 28 –

FIGURA 11 Painel de sil´ıcio Policristalino instalado no TECPAR. . . 29 –

FIGURA 12 Painel de sil´ıcio amorfo instalado no TECPAR. . . 30 –

FIGURA 13 Tipos de suportes para pain´eis fotovoltaicos. . . 31 –

FIGURA 14 Curva carater´ıstica I-V e curva de potência P-V para um módulo com potência nominal de 100Wp . . . 32 –

FIGURA 15 Variação da corrente na curva I-V de acordo com a irradiância, para um módulo fotovoltaico de 36 células de sil´ıcio cristalino (c-Si) a 25oC 33 –

FIGURA 16 Efeito da variação de temperatura em uma curva I-V para um módulo fotovoltaico de 36 células de sil´ıcio cristalino (c-Si) sob irradiância de 1000W /m2 . . . 34 –

FIGURA 17 Rastreador com esfera de sombreamento e piranˆometro difuso. . . 37 –

FIGURA 18 Anel de sombreamento e piranˆometro difuso. . . 38 –

FIGURA 19 Pireliˆometro instalado na estrutura de um rastreador solar no TECPAR. . . 39 –

FIGURA 20 Piranômetro termoelétrico difuso com a esfera de sombreamento e o global, instalados na base com ventilação forçada do rastreador solar no TECPAR. . . 40 –

FIGURA 21 Localização das estações do projeto SONDA . . . 44 –

FIGURA 22 Piranˆometro inclinado instalado em uma barra suspensa no TECPAR. . . 46 –

FIGURA 23 M´edia da irradiˆancia global no plano horizontal em 2015. . . 49 –

FIGURA 24 M´edia da irradiˆancia global no plano horizontal em 2016. . . 50 –

FIGURA 25 Média da irradiância global no plano horizontal no verão de 2015. 50 –

FIGURA 26 Média da irradiância global no plano horizontal no verão de 2016. 50 –

FIGURA 27 M´edia da irradiˆancia global no plano horizontal no outono de 2015. . . 51 –

FIGURA 28 M´edia da irradiˆancia global no plano horizontal no outono de 2016. . . 51 –

(9)

2016. . . 52 –

FIGURA 31 M´edia da irradiˆancia global no plano horizontal na primavera de 2015. . . 52 –

FIGURA 32 M´edia da irradiˆancia global no plano horizontal na primavera de 2016. . . 52 –

FIGURA 33 M´edia da irradiˆancia global no plano inclinado em 2015. . . 53 –

FIGURA 34 M´edia da irradiˆancia global no plano inclinado em 2016. . . 53 –

FIGURA 35 Média da irradiância global no plano inclinado no verão de 2015. 53 –

FIGURA 36 Média da irradiância global no plano inclinado no verão de 2016. 54 –

FIGURA 37 M´edia da irradiˆancia global no plano inclinado no outono de 2015. 54 –

FIGURA 38 M´edia da irradiˆancia global no plano inclinado no outono de 2016. 54 –

FIGURA 39 M´edia da irradiˆancia global no plano inclinado no inverno de 2015. . . 55 –

FIGURA 40 M´edia da irradiˆancia global no plano inclinado no inverno de 2016. . . 55 –

FIGURA 41 M´edia da irradiˆancia global no plano inclinadol na primavera de 2015. . . 55 –

FIGURA 42 M´edia da irradiˆancia global no plano inclinado na primavera de 2016. . . 56 –

FIGURA 43 Irradiação global anual no plano horizontal no estado do Paraná. 64 –

FIGURA 44 Irradiação Total Anual no plano inclinado no estado do Paraná. . 64 –

FIGURA 45 Mapa solar da Alemanha, média de irradiação anual no plano inclinado. . . 67 –

FIGURA 46 Mapa solar do Reino Unido, média de irradiação anual no plano inclinado. . . 68 –

FIGURA 47 Irradiˆancia m´edia no plano horizontal em janeiro de 2016. . . 74 –

FIGURA 48 Irradiˆancia m´edia no plano horizontal em fevereiro de 2015. . . 74 –

FIGURA 49 Irradiˆancia m´edia no plano horizontal em fevereiro de 2016. . . 75 –

FIGURA 50 Irradiância média no plano horizontal em março de 2015. . . 75 –

FIGURA 51 Irradiância média no plano horizontal em março de 2016. . . 75 –

FIGURA 52 Irradiˆancia m´edia no plano horizontal em abril de 2015. . . 76 –

FIGURA 53 Irradiˆancia m´edia no plano horizontal em abril de 2016. . . 76 –

FIGURA 54 Irradiˆancia m´edia no plano horizontal em maio de 2015. . . 76 –

FIGURA 55 Irradiˆancia m´edia no plano horizontal em maio de 2016. . . 77 –

FIGURA 56 Irradiˆancia m´edia no plano horizontal em junho de 2015. . . 77 –

FIGURA 57 Irradiˆancia m´edia no plano horizontal em junho de 2016. . . 77 –

FIGURA 58 Irradiˆancia m´edia no plano horizontal em julho de 2015. . . 78 –

FIGURA 59 Irradiˆancia m´edia no plano horizontal em julho de 2016. . . 78 –

FIGURA 60 Irradiˆancia m´edia no plano horizontal em agosto de 2015. . . 78 –

FIGURA 61 Irradiˆancia m´edia no plano horizontal em agosto de 2016. . . 79 –

FIGURA 62 Irradiˆancia m´edia no plano horizontal em setembro de 2015. . . 79 –

FIGURA 63 Irradiˆancia m´edia no plano horizontal em setembro de 2016. . . 79 –

FIGURA 64 Irradiˆancia m´edia global em outubro de 2015. . . 80 –

FIGURA 65 Irradiˆancia m´edia no plano horizontal em outubro de 2016. . . 80 –

FIGURA 66 Irradiˆancia m´edia no plano horizontal em novembro de 2015. . . . 80 –

(10)

–

FIGURA 70 Irradiˆancia m´edia no plano inclinado em fevereiro de 2016. . . 83 –

FIGURA 71 Irradiância média no plano inclinado em março de 2015. . . 83 –

FIGURA 72 Irradiância média no plano inclinado em março de 2016. . . 83 –

FIGURA 73 Irradiˆancia m´edia no plano inclinado em abril de 2015. . . 84 –

FIGURA 74 Irradiˆancia m´edia no plano inclinado em abril de 2016. . . 84 –

FIGURA 75 Irradiˆancia m´edia no plano inclinado em maio de 2015. . . 84 –

FIGURA 76 Irradiˆancia m´edia no plano inclinado em maio de 2016. . . 85 –

FIGURA 77 Irradiˆancia m´edia no plano inclinado em junho de 2015. . . 85 –

FIGURA 78 Irradiˆancia m´edia no plano inclinado em junho de 2016. . . 85 –

FIGURA 79 Irradiˆancia m´edia no plano inclinado em julho de 2015. . . 86 –

FIGURA 80 Irradiˆancia m´edia no plano inclinado em julho de 2016. . . 86 –

FIGURA 81 Irradiˆancia m´edia no plano inclinado em agosto de 2015. . . 86 –

FIGURA 82 Irradiˆancia m´edia no plano inclinado em agosto de 2016. . . 87 –

FIGURA 83 Irradiˆancia m´edia no plano inclinado em setembro de 2015. . . 87 –

FIGURA 84 Irradiˆancia m´edia no plano inclinado em setembro de 2016. . . 87 –

FIGURA 85 Irradiˆancia m´edia no plano inclinado em outubro de 2015. . . 88 –

FIGURA 86 Irradiˆancia m´edia no plano inclinado em outubro de 2016. . . 88 –

FIGURA 87 Irradiˆancia m´edia no plano inclinado em novembro de 2015. . . 88 –

FIGURA 88 Irradiˆancia m´edia no plano inclinado em dezembro de 2015. . . 89 –

(11)

–

TABELA 1 Descontinuidades observadas na medic¸˜ao . . . 48 –

TABELA 2 Dados plano horizontal (2015) . . . 57 –

TABELA 3 Dados plano horizontal (2016) . . . 57 –

TABELA 4 Dados plano inclinado (2015) . . . 58 –

TABELA 5 Dados plano inclinado (2016) . . . 58 –

TABELA 6 Comparações de medição no plano horizontal. . . 61 –

TABELA 7 Comparações de medição no plano inclinado. . . 61 –

TABELA 8 Comparação do Atlas Solar com a simulação da média anual de 2015 e 2016 completos para o plano horizontal e inclinado. . . 62 –

TABELA 9 Comparac¸˜ao dos dados de Tiepolo com o total anual de 2015 e 2016 completos para os planos horizontal e inclinado. . . 65 –

TABELA 10 Comparação dos dados de Tiepolo com a simulação do total anual de 2015 e 2016 completos para os planos horizontal e inclinado. . . 65

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AM Air Mass

AR Antirreflexo

AU Unidade Astronˆomica

BSRN Baseline Surface Radioation Network CdTe Telureto de C´admio

CH4 Metano

c-Si Sil´ıcio cristalino

GPS Global Positioning System

INPE Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais Isc Tens˜ao de curto circuito

ISO International Organization for Standardization NASA National Aeronautics and Space Administration NOCT Nominal Operating Cell Temperature

NREL National Renewable Energy Laboratory PNE Plano Nacional de Educac¸˜ao

SONDA Sistema de Organizac¸˜ao Nacional Dados Ambientais SORCE Solar Radiation and Climate Experiment

STC Standard Test Conditions

TECPAR Instituto de Tecnologia do Paran´a TIM Total Irradiance Monitor

UN United Nations

WMO World Metereological Organization WRR World Radiometric Reference

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1 INTRODUÇ ÃO . . . 12 1.1 TEMA . . . 13 1.1.1 Delimitação do Tema . . . 13 1.2 PROBLEMAS E PREMISSAS . . . 13 1.3 OBJETIVOS . . . 14 1.3.1 Objetivo Geral . . . 14 1.3.2 Objetivos Espec´ıficos . . . 14 1.4 JUSTIFICATIVA . . . 14

1.5 PROCEDIMENTOS METODOL ´OGICOS . . . 15

1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO . . . 15

2 FUNDAMENTOS E REVIS ˜AO BIBLIOGR ´AFICA . . . 17

2.1 RADIAC¸ ˜AO SOLAR . . . 17

2.1.1 O Sol . . . 17

2.1.2 Radiac¸˜ao Solar na Terra . . . 17

2.1.3 ˆAngulos de Incidˆencia Solar . . . 21

2.1.4 Formas de Medição da Radiação Solar . . . 24

2.2 PAIN ´EIS FOTOVOLTAICOS . . . 25

2.2.1 Hist´oria das C´elulas Fotovoltaicas . . . 25

2.2.2 Efeito Fotovoltaico . . . 26

2.2.3 Tipos de M´odulos Fotovoltaicos . . . 27

2.2.4 Tipos de Suporte . . . 30

2.2.5 Fatores Ambientais e Caracter´ısticas El´etricas de M´odulos Fotovoltaicos . . . 31

2.3 INSTRUMENTOS DE MEDIC¸ ˜AO . . . 36

2.3.1 Piranˆometro . . . 36

2.3.2 Pireliˆometro . . . 38

2.3.3 Rastreador Solar . . . 39

2.3.4 Exatid˜ao dos Instrumentos . . . 40

2.4 TRATAMENTO DE DADOS . . . 41

3 ESTAC¸ ˜AO DE COLETA E TRATAMENTO DOS DADOS . . . 43

3.1 CARACTERIZAÇ ÃO DA ESTAÇ ÃO SOLARIM ÉTRICA . . . 43

3.1.1 Projeto SONDA . . . 43

3.1.2 Instrumentos da Estac¸˜ao . . . 45

3.2 DADOS E SEU TRATAMENTO . . . 46

3.2.1 Descontinuidades . . . 47

3.2.2 Dados de Irradiˆancia . . . 48

3.2.3 Dados de Irradiac¸˜ao . . . 56

4 AN ´ALISE DOS RESULTADOS . . . 60

4.1 COMPARAC¸ ˜AO COM ATLAS BRASILEIRO DE ENERGIA SOLAR . . . 60

4.2 COMPARAÇ ÃO COM OUTRO ESTUDO QUE ENVOLVE A REGI ÃO DE CURITIBA . . . 63

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Apêndice A -- GR ÁFICOS IRRADI ÂNCIA M ÉDIA GLOBAL POR M ÊS EM 2015 E 2016 . . . 74 Apêndice B -- GR ÁFICOS IRRADI ÂNCIA M ÉDIA INCLINADA POR M ÊS EM

2015 E 2016 . . . 82 Apˆendice C -- ARQUIVO RECEBIDO COM OS DADOS BRUTOS PARA AN ´ALISE 90

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1 INTRODUC¸ ˜AO

A energia é essencial para o desenvolvimento da vida em nosso planeta. Dela somos dependentes para alimentação, lazer, produção, aquecimento, iluminação, etc. Sendo assim, ela é essencial para o desenvolvimento. Com o crescimento econômico em diversos pa´ıses, a demanda por energia cresce em conjunto, sendo necessário falar sobre formas de aumentar o acesso e geração desse recurso (BORGES, 2007).

A questão energética tornou-se estratégica em um mundo onde para a geração de energia são usados em sua maioria combust´ıveis fósseis, e tais compostos não são inesgotáveis e sua queima causa impactos ambientais.

A reflexão sobre a energia e seus aspectos tem se tornado um tema transversal, multidisciplinar, envolvendo pol´ıticos, técnicos, sociólogos, ambientalistas, advogados e administradores, pois a energia tem influência particular sobre a evolução e desenvolvimento social (BORGES, 2007).

Atualmente, a energia hidráulica é a principal fonte de energia para geração de eletricidade no Brasil. Apesar de ser considerada uma fonte renovável e limpa, as usinas hidroelétricas produzem um impacto ambiental ainda não adequadamente avaliado, devido ao alagamento de grandes áreas cultiváveis. Estudos mostram que gases do efeito estufa, principalmente o metano (CH4), são emitidos para atmosfera em consequência de processos

de degradação anaeróbica da matéria orgânica que ocorrem em áreas alagadas. Além disso, as principais bacias hidrográficas brasileiras com capacidade de geração hidroelétrica de alta densidade energética já estão praticamente esgotadas (PEREIRA et al., 2006).

Visando descongestionar os sistemas de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica, alguns pa´ıses da Europa, como a Alemanha, têm incentivado a chamada geração distribu´ıda, onde o próprio consumidor gera toda ou parte da energia que ele mesmo consome. Isto está sendo conseguido também através do uso de módulos fotovoltaicos, que convertem a energia do sol diretamente em energia elétrica. Desta forma, aumenta-se a disponibilidade de energia para o consumidor, sem a necessidade de que esta seja gerada a muitos quilômetros de

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onde ser´a consumida, como ocorre normalmente (URBANETZ JR., 2010).

O Brasil, por ser um pa´ıs localizado na sua maior parte na regi˜ao inter-tropical, possui grande potencial para aproveitamento de energia solar durante todo ano (PEREIRA et al., 2006).

Assim, um levantamento de dados para fins de aproveitamento dessa energia solar, de forma local, é crucial para o entendimento das capacidades de aproveitamento energético de uma região.

O TECPAR, no final de 2014, instalou em seu s´ıtio na cidade industrial de Curitiba uma estação solarimétrica. Esse trabalho tem como objetivo tratar e apresentar os dados de radiação solar coletados pela estação.

1.1 TEMA

Tratamento de dados de radiação solar na região de Curitiba para fins de aproveitamento energético na forma de geração de energia fotovoltaica.

1.1.1 Delimitac¸˜ao do Tema

O trabalho tem como foco o tratamento de informações dispon´ıveis em bancos de dados gerados na estação solarimétrica instalada na sede do TECPAR, sobre radiação solar na cidade de Curitiba. E, com base nesses, a viabilidade de sistema de geração através de painéis fotovoltaicos em Curitiba, comparando com outras regiões onde tal método de geração é adotado com sucesso.

1.2 PROBLEMAS E PREMISSAS

´

E uma tendência mundial o aumento da participação das fontes renováveis como elemento primário na geração de energia elétrica. Contudo, o custo elevado da implantação de sistemas baseados em fontes renováveis em comparação aos sistemas tradicionais ainda é um fator que dificulta a participação efetiva dessas fontes na matriz energética (SUZUKI; REZENDE, 2013).

Sendo assim, informações precisas sobre quantificação e capacidade de geração dessas fontes são muito importantes para análises de viabilidade.

Os dados utilizados atualmente para região de Curitiba, dispon´ıveis no Atlas Solar Brasileiro, são obtidos através de um método de solução da equação radiativa. Porém, quanto

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maior o número de estações de coleta espalhados numa área, maior a confiança dos dados para comparação (TIEPOLO, 2015).

1.3 OBJETIVOS

1.3.1 Objetivo Geral

Analisar dados coletados de radiação solar pela estação solarimétrica instalada nas dependências do TECPAR e, baseado nesses fazer um estudo do potencial energético solar em Curitiba.

1.3.2 Objetivos Espec´ıficos

a) Fazer um estudo sobre radiação solar, bem como a instrumentação utilizada para medição, métodos de aquisição de dados e técnicas de tratamentos desses dados.

b) Fazer um estudo elementar sobre geração fotovoltaica, funcionamento básico de módulos e painéis solares e sua eficiência.

c) Por meio do tratamento dos dados fornecidos pelo TECPAR, fazer um estudo do potencial energ´etico solar em Curitiba.

1.4 JUSTIFICATIVA

No mundo atual, de acordo Borges (2007), alcançamos um grau de avanço tecnológico onde dependemos cada vez mais de energia.

Porém, grande parte das matrizes energéticas causam enorme impacto ambiental nos ecossistemas, segundo Pereira et al. (2006). Como por exemplo as hidroelétricas que inundam grandes territórios com fauna e flora e as termoelétricas à carvão que jogam grandes quantidades de poluentes na atmosfera, colaborando para o agravamento do efeito estufa.

Por conta de problemas como estes e com uma demanda energética crescente, o mundo procura cada vez mais fontes alternativas de geração de energia.

Este estudo, visa o tratamento de dados coletados de radiação para efeito de aproveitamento energético fotovoltaico.

Com essas informações, engenheiros podem planejar instalações com o objetivo de gerar energia elétrica através de radiação solar com um maior n´ıvel de certeza quanto ao

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potencial de geração das instalações.

Com este estudo, é poss´ıvel ter melhores informações para tomada de decisões que possam tornar Curitiba uma capital mais sustentável e um pouco menos dependente do uso de usinas geradoras localizadas a longa distância.

1.5 PROCEDIMENTOS METODOL ´OGICOS

Para a realização deste projeto, a primeira etapa foi a elaboração de base bibliográfica, que foi utilizada para o aprofundamento do assunto teórico no assunto abordado.

Em seguida foi realizada a análise dos dados fornecidos pelo TECPAR, para compreender os dados medidos e assim tomar a decisão de quais informações podem deles extra´ıdas. Estes dados foram gerados pela estação solarimétrica integrada ao projeto SONDA. Nesta etapa ainda, foi montado o estudo dos equipamentos utilizados na estação solarimétrica para a realização das medições.

Com essas informações reunidas, foi executada a tabulação e análise da radiação solar na região de Curitiba, assim é poss´ıvel aplicar os conhecimentos adquiridos sobre radiação para utilização de painéis solares na geração de energia.

1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO

A forma padrão para o desenvolvimento do trabalho de conclusão de curso (TCC), é a divisão em algumas partes sendo:

Cap´ıtulo 1: Introdução. A apresentação da proposta de trabalho, contendo uma breve introdução sobre o tema, bem como os objetivos gerais e espec´ıficos do trabalho.

Cap´ıtulo 2: Fundamentos e Revisão Bibliográfica. Este é uma revisão bibliográfica, contendo os conceitos teóricos sobre radiação solar, instrumentação de medição, painéis solares, método de análise de dados.

Cap´ıtulo 3: Estação de Coleta e Tratamento dos Dados. Este contempla os resultados obtidos no tratamento dos dados. Por meio desses dados, é feito o estudo do potencial energético solar em Curitiba, bem como uma comparação dessa com outras regiões, tais como Alemanha, Reino Unido e Espanha, que tem tal método de geração mais disseminada, e outros estudos, como o Atlas solarimétrico (PEREIRA et al., 2006) e os dados do estado do Paraná tratados por Tiepolo (2015).

(19)

Cap´ıtulo 4: Análises e Comparações. Este contém comparações dos dados obtidos com outros trabalhos e da região de Curitiba em relação a outras regiões.

Cap´ıtulo 5: Conclusão. Contém a conclusão obtida por meio dos estudos realizados e o resultado obtido.

(20)

2 FUNDAMENTOS E REVIS ˜AO BIBLIOGR ´AFICA

2.1 RADIAC¸ ˜AO SOLAR

2.1.1 O Sol

A radiação que recebemos na Terra provem do Sol, a estrela central do nosso sistema solar. A energia gerada pelo Sol é irradiada para o universo na forma de radiações eletromagnéticas (RIFKIN, 2003).

O Sol é a estrela mais próxima da Terra, a uma distância média de 149,6 milhões de quilômetros, distância denominada unidade astronômica (AU) (PINHO; GALDINO, 2014).

O Sol possui uma massa de 1, 989x1030 kg, aproximadamente 333.000 vezes maior que a do nosso planeta. Através de processos de fusão de hidrogênio no núcleo, material que compõe 92,1% da estrela, a temperatura de sua superf´ıcie atinge aproximadamente 5.500◦C.

´

E estimado que nosso Sol possua 4,6 bilhões de anos, tendo combust´ıvel suficiente para pelo menos mais 10 bilhões de anos de fusão (NASA, 2016b).

Desde a pré história, a humanidade vem percebendo o incr´ıvel poder do sol, sendo interpretado como divindade e fonte de adoração em diversas culturas.

2.1.2 Radiac¸˜ao Solar na Terra

Radiação solar é um termo genérico, que pode ser definido mais a fundo com duas outras denominações, irradiância solar e irradiação solar.

Irradiação solar é definida por meio de quantidade de energia em um periodo e é dada em W h/m2. Já irradiância solar é definida por meio de um fluxo de potência dada em W /m2.

A Terra não possui uma órbita circular em torno do Sol, mas sim uma órbita el´ıptica, com uma excentricidade atual aproximada de 0,0167. Por a Terra se encontrar a uma certa distância do sol, a potência incidente sobre o planeta é apenas uma pequena parcela da emitida pela superf´ıcie solar (PINHO; GALDINO, 2014).

(21)

Essa potência incidente que chega no topo da nossa atmosfera é dado o nome ”constante solar”, com um valor médio histórico de aproximadamente 1,36 kW /m2 (KOPP; LEAN, 2011). Esta incidência varia de acordo com diversos fatores, como manchas solares e outros fenômenos, como pode ser visto na Figura 1, do Laboratório de F´ısica Atmosférica e Espacial da Universidade de Colorado Boulder.

Figura 1: Atividade da radiação solar medida pelo TIM abordo da espaçonave SORCE. Fonte: Adaptado de University of Colorado Boulder (2016).

De acordo com Pinho e Galdino (2014), a constante solar efetiva ou seja, irradiância que chega ao topo da atmosfera terrestre, pode ser aproximada através da equação 1, onde n é o dia Juliano e I0 é o valor médio histórico da constante solar, 1,36 kW /m2:

I_{0e f} = I0(1 + 0, 33 × cos[(

360

365 × 25) × n]) (1)

Porém, devido as propriedades f´ısicas da luz e da nossa atmosfera, apenas parte desse fluxo atinge o solo efetivamente. A Figura 2 representa o fluxo de energia térmica na atmosfera terrestre. Ela tem o intuito de demonstrar a absorção de energia através dos gases atmosféricos. Da energia incidente sobre a camada gasosa do planeta, 23% é absorvida pela mesma. Da radiação térmica que sai da superf´ıcie, parte é reabsorvida também pela atmosfera, o que pode ser visualizado na Figura 2 (NASA, 2016a).

(22)

Figura 2: Fluxo de energia na Terra

Fonte: Dispon´ıvel em: ¡http://earthobservatory.nasa.gov/Features/EnergyBalance/page6.php¿. Acesso em: abr 2016.

Segundo Pinho e Galdino (2014), a luz é afetada ao atravessar a atmosfera, devido as propriedades f´ısicas, como espalhamento, reflexão e absorção. A intensidade na qual a luz é afetada depende da espessura de atmosfera pela qual ela percorre. Esse parâmetro pode ser identificado por um coeficiente Massa de Ar, ou AM (do ingles Air Mass). No n´ıvel do mar, esse coeficiente depende do ângulo entre o zênite, ou a normal da superf´ıcie, e o sol. No n´ıvel do mar é dado pela equação 2, onde θz é o ângulo entre a normal da superf´ıcie e o sol.

AM= 1

cos(θz)

(2)

Existem n´ıveis de referˆencia dentro do coeficiente:

• AM0 é usado para indicar quando a massa atmosférica é inexistente;

• AM1refere-se ao n´ıvel do mar quando o sol se encontra no zˆenite;

• AM₂ ´e empregado ao n´ıvel do mar quando o sol se encontra a 60 graus do zenite(PINHO; GALDINO, 2014)(NREL, 2016);

A Figura 3 mostra medic¸˜oes do NREL (do ingles National Renewable Energy Laboratory) para AM0 e para AM1.5 em uma superf´ıcie inclinada e em uma paralela ao solo,

(23)

onde foi considerado a m´edia da latitude dos Estados Unidos.

Figura 3: Medic¸˜oes do NREL para AM 0 e AM 1.5 em uma superf´ıcie inclinada e em uma paralela ao solo.

Fonte: Traduzido de NREL (2016).

A radiação solar que chega à superf´ıcie terrestre pode ser dividida em duas componentes: radiação solar direta e radiação solar difusa. A radiação solar direta é aquela que vem diretamente da direção na qual o Sol se encontra e a radiação difusa é aquela que vem de todas as direções, causadas pelo espalhamento ocorrido na atmosfera terrestre. O espalhamento da luz causado por moléculas dos gases que compõem a atmosfera é chamado de espalhamento de Rayleigh que ocorre em maior parte na região azul/violeta do espectro vis´ıvel, sendo a causa principal da cor azul do céu (PINHO; GALDINO, 2014).

Outra componente da radiação difusa, é causada pela reflexão da luz por uma superf´ıcie qualquer. Ao ´ındice de reflexão é dado o nome de Albedo. A Figura 4 mostra todas as componentes incidentes em uma superf´ıcie inclinada. A soma das componentes em um plano inclinado é chamada de radiação total, no plano horizontal é nomeada radiação global.

(24)

Figura 4: Componentes da radiac¸˜ao solar. Fonte: Adaptado de Pinho e Galdino (2014).

2.1.3 Angulos de Incidˆencia Solarˆ

O nosso planeta possui um deslocamento axial, isto é, existe uma diferença entre o eixo de rotação de aproximadamente 23,4 graus em relação ao plano da órbita. Esse deslocamento é a causa das estações do ano. Devido a essa inclinação, durante diferentes per´ıodos do ano, a incidência direta solar em um determinado ponto virá de ângulos diferentes. Por exemplo na linha do Equador, durante os equinócios quando o sol se encontra no pico, o ângulo será de 0 graus, tomando como referência o zênite, já nos solst´ıcios esse ângulo será de ± 23,45 graus (PINHO; GALDINO, 2014).

Na Figura 5, é poss´ıvel observar a variação da inclinação do eixo da Terra em diferentes épocas do ano. A Figura 6 mostra como uma mesma quantidade de energia que incide por uma área maior na superf´ıcie do planeta devido ao ângulo entre a normal dessa e o sol.

Considerando-se as convenções para a declinação solar e a latitude, positivas ao norte e negativas ao sul do Equador, a diferença entre a declinação e a latitude determina a trajetória do movimento aparente do Sol para um determinado dia em uma dada localidade na Terra(PINHO; GALDINO, 2014).

(25)

Figura 5: Órbita da Terra em torno do Sol, mostrando a diferença na inclinação de acordo com a data.

Fonte: Adaptado de (PINHO; GALDINO, 2014).

Figura 6: incidˆencia por ´area de acordo com a latitude Fonte: Adaptado de (PINHO; GALDINO, 2014).

Ainda de acordo com Pinho e Galdino (2014), tal declinação é dada através da equação 3, onde n é o dia de acordo com o calendário Juliano (de 1 a 365).

sin(δ ) = − sin(23, 45) cos[( 360

365, 25)(n + 10)] (3)

Ao levar-se em consideração também o movimento aparente do Sol em relação à superf´ıcie terrestre por conta da rotação do planeta, existem outras relações de ângulo entre

(26)

o Sol e uma superf´ıcie, tais ˆangulos, mostrados na Figura 7 e descritos por Pinho e Galdino (2014), s˜ao:

Figura 7: ˆAngulos entre o Sol e uma superf´ıcie. Fonte: (LISBOA, 2010)

.

• ângulo Zenital (θz): ângulo entre a normal da superf´ıcie e o vetor de incidência solar;

• altura Solar (α): Complemento do ângulo Zenital, relação entre o plano da superf´ıcie e a incidência;

• ângulo Azimutal do Sol (γs): Conhecido como azimute solar, é o ângulo entre a projeção

dos raios solares no plano horizontal em relação a direção norte-sul da superf´ıcie. O deslocamento angular é tomado a partir do norte geográfico, sendo, por convenção, positivo quando a projeção se encontrar à direita do sul (leste) e negativo quando se encontrar à esquerda (oeste). Tais valores vão de -180 a 180 graus;

• ângulo Azimutal da Superf´ıcie (γ): ângulo entre a projeção da normal à superf´ıcie no plano horizontal e a direção norte-sul;

• inclinação da superf´ıcie de captação (β ): ângulo entre o plano da superf´ıcie em questão e o plano horizontal. Valores entre 0 e 90 graus;

• ângulo de incidência (θ ): ângulo formado entre os raios do Sol e a normal à superf´ıcie de captação;

(27)

• ângulo Horário do Sol ou Hora Angular (ω): deslocamento angular leste-oeste do meridiano do Sol, a partir do meridiano local, e devido ao movimento de rotação da Terra.

2.1.4 Formas de Medição da Radiação Solar

Até meados do século XVII, acreditava-se que a luz se propagava pela emissão de corpúsculos das fontes luminosas. Em 1679, Huygens demonstrou que as leis da reflexão seriam facilmente explicadas se fosse admitida a propagação da luz através de ondas de qualquer natureza. Porém foi apenas em 1888 que Hertz, com um circuito oscilante, conseguiu produzir ondas eletromagnéticas extremamente curtas que continha as mesmas propriedades das ondas luminosas, atribuindo à luz as caracter´ısticas de onda eletromagnéticas (OMETTO, 1968).

Para avaliar o poder energético da radiação solar, surgiram os radiômetros. Na década de 60 os radiômetros mais utilizados eram respectivamente o heliógrafo de Campbell-Stokes, o actinógrafo de Robitch e o pireliômetro de Eppley, este último foi considerado o padrão secundário de medida da intensidade da radiação solar (OMETTO, 1968).

Com a ajuda desses equipamentos, a energia solar começou a ser estudada para entender as relações entre a radiação solar (energia) e a insolação (brilho solar). Todas as relações encontradas tiveram um objetivo comum de determinar coeficientes da radiação solar na ausência da atmosfera, na superf´ıcie do solo e a insolação para um determinado local (KREITH, 1977).

Os estudos sobre a energia solar foram, posteriormente, orientados no sentido de determinar a energia l´ıquida, dispon´ıvel na superf´ıcie da Terra para os processos de evapotranspiração, aquecimento do ar, solo e/ou água, ou seja, fração de energia radiante incidente que é estimada para uma superf´ıcie exposta.

Os instrumentos dispon´ıveis para medir a energia l´ıquida são: o piranômetro, destinado a medir a radiação global, o pireliômetro, responsável pela medição da radiação direta normal e o heliógrafo, destinado a medir o número de horas de insolação mas por possuir uma precisão mais baixa entrou em desuso (LUNDE, 1980).

A radiação solar é considerada uma radiação eletromagnética que se propaga a uma velocidade de 300.000 km/s. Em termos de comprimento de onda, a radiação solar ocupa a faixa espectral de 0,1 µm a 5 µm, ao ponto que 99% da energia radiante estar compreendida entre 0,28 µm a 4,96 µm, portanto a maior parte da energia radiante está compreendida entre a radiação ultravioleta e o infravermelho.

(28)

Existem processos de conversão direta da radiação solar que se fundamentam na absorção da energia radiante. A conversão pelo processo de fotoconversão resulta na geração de eletricidade, combust´ıveis e substâncias qu´ımicas. Há também o processo de termoconversão utilizado para aquecimento de água, ambientes e secagens (nEDA, 2011).

Uma representação do espectro eletromagnético pode ser observada através da Figura 8.

Figura 8: Comprimentos de onda no Espectro Eletromagn´etico Fonte: Dispon´ıvel em:

http://www.infoescola.com/wp-content/uploads/2007/12/espectro-visivel-da-luz.jpg. Acesso em: nov 2016.

2.2 PAIN ´EIS FOTOVOLTAICOS

2.2.1 Hist´oria das C´elulas Fotovoltaicas

A conversão da energia solar em energia elétrica é realizada através do efeito fotovoltaico observado por Edmond Bequerel em 1839. Foi observada uma diferença de potencial nas extremidades de uma estrutura semicondutora, quando incidia uma luz sobre ela (NASCIMENTO, 2004).

De acordo com Vallêra e Brito (2006),em março de 1953, Calvin Fuller, qu´ımico no Bell Laboratories, desenvolveu um processo de difusão, chamado de dopagem, para introduzir impurezas em cristais de sil´ıcio. Fuller produziu uma barra de sil´ıcio dopado com gálio, que o torna assim um material condutor, sendo as cargas móveis positivas.

(29)

Seguindo as instruções de Fuller, seu colega o f´ısico Gerald Person, mergulhou uma barra de sil´ıcio dopada em um banho quente de l´ıtio, criando assim na superf´ıcie da barra uma zona com excesso de elétrons livres. Person percebeu que ao expor o material à luz solar, produzia uma corrente elétrica, caracterizando assim a primeira célula fotovoltaica de sil´ıcio. Essa novidade foi apresentada na National Academy of Sciences, em Washington, e anunciada numa conferência de imprensa no dia 25 de Abril de 1954.

A primeira aplicação dessa célula fotovoltaica foi utilizada para alimentar uma rede de telefonia local no estado da Georgia nos Estados Unidos da América durante o per´ıodo de um ano. No final do per´ıodo de teste, a célula foi removida com resultados muito promissores, porém o alto custo de produção das células, restringiam seu uso para aplicações muito especiais, como por exemplo, geração de energia no espaço (VALLêRA; BRITO, 2006).

No começo, os satélites usavam pilhas como fonte de energia. As células fotovoltaicas eram consideradas uma curiosidade e, por isso, a NASA teve grande relutância ao aceitar incorporá-las a seus projetos. O Vanguard I, lançado em março de 1958, foi o primeiro satélite a usá-las. O painel fotovoltaico do Vanguard I tinha como função servir de reserva para caso a pilha qu´ımica falhasse, e a pilha qu´ımica acabou falhando. Com a falha da pilha, o painel entrou em funcionamento e operou por 8 anos, surpreendendo a todos. Depois desta experiência satisfatória com o Vanguard I, a NASA adotou as células fotovoltaicas como fonte de energia de seus satélites, fazendo com que a pesquisa cient´ıfica, sobre esse tipo de energia, fosse ampliada (PERLIN, 2004).

O custo das células fotovoltaicas é, ainda hoje, um grande desafio para a indústria e o principal empecilho para a difusão dos sistemas fotovoltaicos em larga escala. A tecnologia fotovoltaica está se tornando mais competitiva devido seu custo decrescente, quanto os custos crescentes das demais formas de geração de energia, além do aumento da fiscalização quanto aos danos ambientais que antes eram ignorados (PINHO; GALDINO, 2014).

2.2.2 Efeito Fotovoltaico

O efeito fotovoltaico diz respeito à conversão da energia luminosa em energia elétrica. Tal efeito, trazido a tona pelo terceiro trabalho revolucionário de Albert Einstein, passou a ser mais difundido depois da introdução do primeiro semicondutor de sil´ıcio, que se deu na década de 50 pelo qu´ımico Calvin Fuller (CAVALCANTE et al., 2002)

O efeito fotovoltaico é observado quando, a radiação ao atingir um átomo do semicondutor que forma o campo elétrico interno das células fotovoltaicas (junção pn). No

(30)

momento em que o material semicondutor é atingido pela radiação proveniente dos raios solares, este liberta um elétron que passa a ser conduzido do campo elétrico gerado no material para os contatos, contribuindo assim para a corrente produzida pela célula fotovoltaica (BRITO; SILVA, 2006), como é visto na Figura 9.

Figura 9: Estrutura simplificada de uma c´elula fotovoltaica de sil´ıcio. Fonte: Adaptado de (PINHO; GALDINO, 2014).

As células fotovoltaicas podem ser dispostas de diversas formas, sendo a mais utilizada a montagem de painéis ou módulos solares. Além dos painéis fotovoltaicos, também se utilizam filmes flex´ıveis, com as mesmas caracter´ısticas, ou até mesmo a incorporação das células em outros materiais, como o vidro. As diferentes formas com que são montadas as células se prestam à adequação do uso, por um lado maximizando a eficiência e por outro se adequando às possibilidades ou necessidades arquitetônicas

2.2.3 Tipos de M´odulos Fotovoltaicos

Sil´ıcio Monocristalino:

O sil´ıcio monocristalino é o mesmo material utilizado para a fabricação de circuitos empregados em microeletrônica. Historicamente, as células utilizadas com este material são utilizadas e comercializadas como conversor direto de energia solar em eletricidade (FADIGAS, 2000), um exemplo de painel é visto na Figura 10.

(31)

A sua produção é feita através do processo de Czochralski, que consiste em fundir o sil´ıcio à uma temperatura de 1420◦C. Com o material em seu estado l´ıquido, é então inserido um pedaço sólido do mesmo material, denominado de semente, preso na ponta de uma haste condutora, onde é aplicado uma rotação constante. O material fundido agrupa-se juntamente com a semente, solidificando-se e formando assim um cilindro de sil´ıcio monocristalino puro, o qual é cortado em lâminas de 0,3 mm e utilizado para formação de painéis fotovoltaicos (GREENPRO, 2004).

Este material produzido pelo m´etodo de Czochralski possui uma eficiˆencia entre 15% e 18% (CORREIA, 2015).

Figura 10: Painel de sil´ıcio Monocristalino instalado no TECPAR. Fonte: Os Autores.

Sil´ıcio Policristalino:

A obtenção do sil´ıcio policristalino consistem em aquecer o sil´ıcio em seu estado bruto até uma temperatura de 1500◦C. Após o material se encontrar totalmente em seu estado l´ıquido, é então resfriado até a temperatura de 800 ◦C, onde então é armazenado em um recipiente especial para então ser formado blocos de sil´ıcio de 40 x 40 cm2. Estes blocos são cortados em barras e posteriormente cortados em pastilhas de 0,3 mm, onde então são introduzidos impurezas de outros metais com o fósforo (GREENPRO, 2004). Sua aparência é como na Figura 11.

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Os painéis equipados com sil´ıcio policristalino são mais baratos que os monocristalino e também possuem uma vida útil de mais de 30 anos (TU-BERLIN, 2016).

Este material possui uma eficiˆencia entre 13% e 15% (CORREIA, 2015).

Figura 11: Painel de sil´ıcio Policristalino instalado no TECPAR. Fonte: Os Autores.

Sil´ıcio Amorfo:

Desde a década de 90, o desenvolvimento dos processos de pel´ıcula fina para fabricar células solares, tornaram-se cada vez mais importantes. Neste caso, os semi-condutores fotoativos são aplicados em finas camadas num substrato (na maioria dos casos vidro). Os métodos utilizados incluem disposição por vaporização, processos de disposição catódica e banhos eletrol´ıticos. O Sil´ıcio amorfo, o diselenieto de cobre e ´ındio (CIS), e o telureto de cádmio (CdTe), são utilizados como materiais semicondutores. Devido à elevada absorção luminosa destes materiais, uma camada com uma espessura menor que 1 µm é, teoricamente, suficiente para converter a luz solar. Estes materiais são mais tolerantes à contaminação de átomos estranhos (GREENPRO, 2004).

O sil´ıcio amorfo absorve a radiação solar de uma maneira muito mais eficiente do que o sil´ıcio cristalino, pelo que é poss´ıvel depositar uma fina pel´ıcula de sil´ıcio amorfo sobre um substrato (metal, vidro, plástico). Este processo de fabricação é ainda mais barato do que o do sil´ıcio policristalino (TU-BERLIN, 2016).

(33)

A maior desvantagem deste tipo de painel, é que sua degradação é muito rápida se comparada com os modelos monocristalinos e policristalinos, por isso possuem uma garantia de vida útil menor (SHELL SOLAR, 2016).

Em condições estáveis, a eficiência do sil´ıcio amorfo fica em torno de 5% a 8% (CORREIA, 2015). Tais painéis são representados através da Figura 12

Figura 12: Painel de sil´ıcio amorfo instalado no TECPAR. Fonte: Os Autores.

2.2.4 Tipos de Suporte

Existem 3 tipos de suportes para os painéis fotovoltaicos, como é apresentado na Figura 13. O primeiro e mais simples é o fixo, que como o próprio nome sugere, são sistemas onde o eixo encontra-se imóvel. Este tipo de sistema é utilizado em maior escala por ser mais simples e barato, entretanto o rendimento será menor, visto que os painéis não acompanham os movimentos solares.

O segundo tipo é o suporte com eixo único, que rastreia o sol e em seguida ajusta o posicionamento dos painéis somente em um eixo com o aux´ılio de um motor elétrico. Normalmente é feito o movimento no sentido Leste-Oeste, em razão de haver maior variação de movimento do sol. No entanto, em locais mais próximos dos pólos pode ser necessário utilizar o sistema de rastreamento nos eixos Norte-Sul, por conta da pouca variação dos movimentos

(34)

do astro de Leste para Oeste.

O terceiro tipo é o suporte com eixo duplo. O qual é movido por motores elétricos do mesmo modo que o sistema de eixo único, contudo segue o sol tanto nos sentidos Leste-Oeste, como Norte-Sul. Consegue assim se adaptar para um posicionamento perpendicular cont´ınuo à radiação direta que chega no painél e, deste modo, o sistema recebe durante todo o dia os máximos n´ıveis poss´ıveis de radiação. Em contrapartida, possui uma maior complexidade de construção, manutenção e consequentemente maior custo. É utilizado mais em pesquisas, em virtude do seu valor alto.

Figura 13: Tipos de suportes para pain´eis fotovoltaicos. Fonte: Os Autores.

Com os diferentes tipos de suporte, a eficiência da geração pode ser consideravelmente melhorada. Um artigo publicado pela Renewable Energy World (2009) afirma que, em relação aos painéis fixos no ângulo ótimo, os sistemas de eixo único são capazes de produzir 27-32% mais energia, enquanto que os de eixo duplo 35-40% mais. É importante ressaltar que esses números são médias aproximadas, visto que variações na latitude causam diferenças nos percentuais de eficiência.

2.2.5 Fatores Ambientais e Caracter´ısticas El´etricas de M´odulos Fotovoltaicos

Além dos fatores de eficiência em cada tipo de módulo fotovoltaico, é importante ter uma ideia geral de como variáveis ambientais ou locais influenciam no funcionamento dos mesmos.

Segundo Pinho e Galdino (2014), ”As principais células fotovoltaicas conhecidas possuem, individualmente, uma tensão muito baixa, da ordem de 0,5V a 0,8V para as células de sil´ıcio. Assim, para obter valores de tensão mais elevados, as células são associadas em série.”

(35)

Um módulo é geralmente identificado pela sua potência elétrica de pico (Wp). A definição da potência de pico de um módulo fotovoltaico é feita nas condições padrão de ensaio, ou STC (do inglês Standard Test Conditions), considerando irradiância solar de 1.000 W /m2 sob uma distribuição espectral padrão para AM1,5 e temperatura de célula de 25 oC (PINHO;

GALDINO, 2014).

Quando um módulo está posicionado na direção do Sol, uma tensão pode ser medida entre seus terminais. A tensão observada em um módulo desconectado é a tensão de circuito aberto (Voc). Por outro lado, ao conectar os terminais desse módulo a um amper´ımetro mede-se sua corrente de curto-circuito (Isc). Porém, tais dados isolados não são informativos da capacidade de potência do dispositivo.

Para encontrar as caracter´ısticas de potência de um módulo fotovoltaico, é feito o ensaio da curva caracter´ıstica I-V. Para executar o ensaio, o dispositivo é submetido a uma varredura de tensão, indo de pequenos valores negativos até ultrapassar a tensão de circuito aberto do mesmo, nas condições padrões de teste. Durante esta varredura são registrados pares de dados de tensão e corrente, permitindo o traçado de uma curva caracter´ıstica (figura 14).

Figura 14: Curva carater´ıstica I-V e curva de potência P-V para um módulo com potência nominal de 100Wp

(36)

Ainda segundo Pinho e Galdino (2014), os principais fatores ambientais que influenciam essa curva são a intensidade da irradiância incidente e a temperatura do módulo.

A intensidade de irradiância solar afeta diretamente e linearmente a corrente elétrica gerada pelo módulo, como o exemplo da figura 15.

Figura 15: Variação da corrente na curva I-V de acordo com a irradiância, para um módulo fotovoltaico de 36 células de sil´ıcio cristalino (c-Si) a 25oC

Fonte: (PINHO; GALDINO, 2014).

A incidência solar, em conjunto com a temperatura ambiente, afeta a temperatura do módulo. Um aumento da temperatura faz com que a tensão do módulo seja menor e a corrente seja mais elevada. Porém, o aumento de corrente não compensa a queda de tensão gerada, fazendo que a capacidade de potência diminua. Tal comportamento pode ser observado através da figura 16.

De acordo com Pinho e Galdino (2014), as variações dos parâmetros elétricos devido a temperatura são dados através de 3 coeficientes: β , α e γ. O coeficiente β é a variação da tensão de circuito aberto (VOC) de acordo com a temperatura, mostrado pela equação 4, onde

∆VOC é a variação da tensão de circuito aberto e ∆T a variação de temperatura.

β = ∆VOC

∆T (4)

(37)

Figura 16: Efeito da variação de temperatura em uma curva I-V para um módulo fotovoltaico de 36 células de sil´ıcio cristalino (c-Si) sob irradiância de 1000W /m2

Fonte: (PINHO; GALDINO, 2014).

de -0,37%/oC em módulos de sil´ıcio cristalino e de -2,8 mV/(célula.oC), uma mudança de -0,32%/oC em módulos de sil´ıcio amorfo. Alguns fabricantes informam βV MP, que seria a

variação da tensão no ponto de máxima potência, tendo esse, normalmente, valores maiores que β .

O coeficiente α demonstra a variação da corrente de curto circuito (I_SC) de acordo com a temperatura, tal qual a equação 5, onde ∆ISC é a variação da corrente de curto circuito e ∆T a

variac¸˜ao de temperatura.

α = ∆ISC

∆T (5)

O coeficiente α é positivo e tem valores t´ıpicos de 0,004 mA/(cm2.oC) (uma mudança de 0,01%/oC) em módulos de sil´ıcio cristalino e de 0,013 mA/(cm2.oC) (uma mudança de 0,1%/oC) em módulos de sil´ıcio amorfo.

Já o coeficiente γ é a variação da potência máxima de acordo com a temperatura (equação 6), sendo ∆PMPa variação da potência máxima e ∆T a variação de temperatura.

(38)

γ = ∆PMP

∆T (6)

O coeficiente γ é negativo e tem valores t´ıpicos de -0,5%/oC para módulos de sil´ıcio cristalino e -0,3%/oC para módulos de sil´ıcio amorfo.

Assim, é poss´ıvel encontrar a potência máxima para determinada temperatura, tendo os valores de tensão e corrente no ponto de máxima potência em condições padrão e os coeficientes já discutidos. Para tal, se considera o coeficiente α para a corrente de curto circuito e para o ponto de máxima potência como coincidentes. O valor de potência máxima é encontrado através da expressão dada pela equação 7.

P(T ) = VMP× IMP= VMPSTC(1 + βVMP× ∆T ) × IMPSTC(1 + α × ∆T ) (7)

Após desenvolver a expressão da equação 7, desprezando o termo de segunda ordem, é obtida a equação 8, que pode ser escrita como a equação 9.

P(T ) = VMP× IMP= VMPSTC× IMPSTC(1 + (α + βVMP) × ∆T ) (8)

γ = α + βVMP (9)

Para um cálculo simplificado da temperatura de operação de um módulo fotovoltaico, podemos utilizar a equação 10, onde TMOD é a temperatura do módulo (oC), TAMBa temperatura

ambiente (oC), G a irradiância incidente sobre o módulo (W /m2), Kto coeficiente térmico para o

m´odulo (dado emoC. m2/W ) podendo, caso este seja desconhecido, ser adotado o valor padr˜ao de 0,03.

T_MOD= T_AMB+ K_t× G (10)

O parâmetro identificado como NOCT (do inglês, Nominal Operating Cell Temperature) depende das propriedades f´ısicas e construtivas dos materiais componentes do módulo. Através da NOCT é poss´ıvel encontrar o coeficiente térmico do módulo pela equação 11.

(39)

é exposto em circuito aberto a uma irradiância de 800 W /m2em um ambiente com temperatura do ar a 20oC e sofrendo ação de vento incidindo com velocidade de 1 m/s (PINHO; GALDINO, 2014)”.

Kt=

NOCT− 20

800 (11)

2.3 INSTRUMENTOS DE MEDIC¸ ˜AO

A World Metereological Organization (WMO) é uma agencia da United Nations (UN), que possui dentro de suas atribuições o estabelecimento de redes de cooperação para troca de dados da área de estudo climático. Para tal, a agência padroniza os instrumentos conforme: nomenclatura, função e precisão (WMO, 2008).

Os três principais tipos de instrumentos de medição de radiação que a WMO cita são encontrados na estação solarimétrica do TECPAR, a qual este trabalho faz uso dos dados. A seguir serão apresentados estes instrumentos, assim como suas caracter´ısticas.

2.3.1 Piranˆometro

Existem dois tipos principais de piranômetros: o fotovoltaico e o termoelétrico. Ambos servem para medir a radiação solar global sobre o plano horizontal e, em alguns casos, a difusa.

O piranômetro fotovoltaico possui uma constituição e funcionamento razoavelmente simples. O instrumento é capaz de fornecer dados experimentais importantes de irradiância e irradiação, através de um sensor fotovoltaico, normalmente de sil´ıcio monocristalino, que converte a radiação solar captada em uma corrente elétrica proporcional. Sua sensibilidade espectral, a qual está limitada a perceber os comprimentos de onda entre 400 e 700 nm, enquanto que o espectro completo de radiação que chega da atmosfera estende-se de 270 à 4000 nm, lhe confere vantagens e desavantagens em relação ao piranômetro termoelétrico (KIPP & ZONEN, 2016c).

Alguns pontos positivos são um pequeno custo de aquisição, um desempenho constante e praticamente independente da variação de temperatura, uma resposta quase imediata e linear nas leituras de irradiância, além de ser muito utilizado em estudos de plantações, devido a sua resposta espectral ser muito similar a utilizada pelas plantas para a fotoss´ıntese. O principal ponto negativo é associado à sensibilidade espectral do fotovoltaico, que é muito baixa

(40)

comparado ao termoel´etrico, isso gera uma precis˜ao menor.

Tal qual Pinho e Galdino (2014) citam, o piranômetro termoelétrico apresenta uma composição distinta, seu sensor de radiação é uma termopilha inserida no interior de duas esferas de vidro concêntricas, que são basicamente diversos termopares em série, com a junção negra apontada para cima, na direção do sol, e a junção fria para baixo. Assim, com a incidência de radiação, a diferença de temperatura criada dentro do sensor relaciona-se linearmente com a diferença de potencial, que por sua vez é transformada em W /m2a fim de colher empiricamente a potência instantânea recebida no local. Suas medições são mais precisas que o piranômetro fotovoltaico por responder à radiação que vai de 285 até 2.800 nm e portanto é o instrumento mais recomendado para este estudo (KIPP & ZONEN, 2016b).

Em suas formas originais, os dois instrumentos fornecem leituras de radiação solar global, entretanto, com a instalação de uma esfera ou anel de sombreamento, é poss´ıvel medir a radiação difusa também. A esfera de sombreamento é um anteparo de metal que é posicionado exatamente entre o sol e o sensor do piranômetro com a finalidade de bloquear somente a radiação solar direta, observado na Figura 17. Sua orientação é feita através de um rastreador solar para que o sistema seja capaz de acompanhar o sol nas mudanças de posição diárias e sazonais automaticamente.

Figura 17: Rastreador com esfera de sombreamento e piranˆometro difuso. Fonte: Adaptado de Kipp & Zonen (2016b).

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O anel de sombreamento, visto na Figura 18, por outro lado, geralmente não é usado com um rastreador solar. Isso implica em acompanhar somente as mudanças de posição diárias do sol, com a necessidade de ajustes manuais conforme o astro mudar de posição no decorrer do ano. Os dois acessórios exigem correções das medições, que envolvem a compensação do sombreamento do céu causado pela esfera ou anel, bem como da anisotropia do céu. Por fim, a obtenção dos dados de radiação solar global (direta mais difusa) e sua componente difusa separadamente, permite conseguir a parcela direta ao se efetuar uma simples subtração da global menos a difusa.

Figura 18: Anel de sombreamento e piranˆometro difuso. Fonte: Adaptado de Kipp & Zonen (2016b).

2.3.2 Pireliˆometro

O pireliômetro é um instrumento empregado para medir a irradiância direta com incidência normal à superf´ıcie do mesmo. Pinho e Galdino (2014) também fornecem uma exposição das caracter´ısticas construtivas do pireliômetro e citam que o sensor termoelétrico, semelhante ao do piranômetro, é posicionado no interior de um tubo de colimação com paredes enegrecidas para se bloquear a irradiância difusa. O tubo é então apontado diretamente para o sol com aux´ılio de um dispositivo de rastreamento solar, que seguirá seu movimento. O instrumento apresenta uma pequena abertura de forma a permitir apenas a radiação do disco solar e a região vizinha denominada circunsolar atingir o sensor no final do tubo. A percepção espectral costuma ser melhor que a do piranômetro termoelétrico e apresentar janela entre 200 e 4000 nm (KIPP & ZONEN, 2016a). Isso se deve ao pireliômetro sempre precisar estar

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acompanhado de um rastreador solar, o que torna o sistema mais caro e o custo da adição de um sensor termoelétrico de melhor qualidade torna-se praticamente irrelevante. Um exemplo de pireliômetro está representado na figura 19.

Figura 19: Pireliˆometro instalado na estrutura de um rastreador solar no TECPAR. Fonte: Os Autores.

2.3.3 Rastreador Solar

Como alguns instrumentos de medição necessitam de reposicionamento constante em relação ao sol (pireliômetro e piranômetro com anteparo), faz-se o uso de uma estrutura motorizada capaz de cumprir tal função, chamada rastreador solar.

O rastreador geralmente comporta vários instrumentos ao mesmo tempo, pois além de mover-se guiado pelas mudanças de localização do sol, ele provê uma base sólida e estável que pode suportar as mais diversas condições climáticas, como pode ser visto na Figura 20.

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Seu posicionamento é feito através do emprego de um sistema de GPS que se comunica automaticamente com satélites para saber a latitude e longitude em que se encontra, além de obter a hora exata. A partir dai, o motor ajusta a inclinação em relação ao solo e a orientação cardeal. Com o intuito de deixar o conjunto ainda mais preciso, existe a possibilidade de realizar o direcionamento para o sol com um sensor fotodiodo. Esse sensor fornece posicionamento ativo, porém funciona apenas quando uma quantidade m´ınima de radiação for detectada (KIPP & ZONEN, 2016d). É importante citar também, que após o sol se pôr, o rastreador solar se posiciona novamente na direção correta para o nascer do dia seguinte.

Figura 20: Piranômetro termoelétrico difuso com a esfera de sombreamento e o global, instalados na base com ventilação forçada do rastreador solar no TECPAR.

Fonte: Os Autores.

2.3.4 Exatid˜ao dos Instrumentos

A classificação de exatidão dos aparelhos dada pela (WMO, 2008), se baseia na norma ISO 9060:1990 - Solar energy - Specification and classification of instruments for measuring hemispherical solar and direct solar radiation, que define uma série de especificações e requisitos a serem cumpridos para os instrumentos de medição da radiação solar, como: tempo de resposta, resolução, estabilidade, sensibilidade espectral, influência da temperatura, incertezas e erros. Todos os itens mencionados contribuem para classificação, contudo, para fins de simplificação, podem-se destacar as exigências de incertezas e erros.

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Nesse sentido, as categorias dos piranômetros em ordem do mais exato mais o menos exato, são respectivamente: alta qualidade (erro diário menor que 2%), boa qualidade (erro diário menor que 5%) e média qualidade (erro diário menor que 10%). Ainda segundo a WMO, a classificação dos pireliômetros é dividida apenas em alta qualidade (erro diário menor que 0,5%) e boa qualidade (erro diário menor que 1%). Para utilizar dados em estudos e pesquisas recomenda-se usar instrumentos de alta qualidade ou boa qualidade.

Outra responsabilidade da organização mundial é estabelecer uma referência para a calibração de instrumentos. Isto é feito através de um grupo de pelo menos quatro pireliômetros de modelos diferentes, porém, que atendam a uma série de mesmas exigências. Uma vez por ano, em Davos na Su´ıça, são realizadas comparações entre os instrumentos e se determina a World Radiometric Reference(WRR), que é a referência para calibração à ser seguida por todos os outros instrumentos de pesquisa no mundo. É recomendável que se repasse essa referência, através de conferências, para os demais instrumentos a cada cinco anos.

2.4 TRATAMENTO DE DADOS

Os dados adquiridos através da instrumentação é a irradiância em W /m2, coletada em intervalos de tempo em segundos.

De acordo com Tiepolo (2015), as informações são publicadas nas formas de média diária (mensal e sazonal) de irradiação em kW h/m2 (ou kW h/(m2.dia)). Os valores também são apresentados como irradiação total anual em kW h/(m2.ano).

Então de forma a se enquadrar nesse padrão, é feita uma integração para transformar o dado de irradiância (potência por área, W /m2) em irradiação (energia por área, kW h/m2).

O primeiro passo é integrar os valores de irradiância nos intervalos de tempo em que ocorrem as medições. Como o intervalo é fixo, segundo Guidorizzi (2001), pode-se multiplicar a somatória das leituras pelo intervalo de leitura, como pode ser visto pela equação 12.

Irradiacao(W s/m2) = Z t1 0 irradiancia1(W /m2) ∗ dt + Z t2 t1 irradiancia2(W /m2) ∗ dt + ... (12)

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t1 − 0 = t2 − t1 = t3 − t2 = ... = ∆t

n

∑

0

irradiancia(W /m2) ∗ ∆t = Irradiacao(W s/m2) (13)

Após a transformação, é poss´ıvel transformar o valor em W s/m2para kW h/m2através de uma análise dimensional. Sendo que 1h = 3600s e 1kW = 1000W, através de uma regra de três temos a relação mostrada na equação 14.

W s m2 ∗ 1 3600 ∗ 1000= kW h m2 (14)

A partir desse valor de irradiação, podemos obter os valores diários e a partir desses as médias mensais, sazonais e anuais.

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3 ESTAC¸ ˜AO DE COLETA E TRATAMENTO DOS DADOS

3.1 CARACTERIZAÇ ÃO DA ESTAÇ ÃO SOLARIM ÉTRICA

3.1.1 Projeto SONDA

A estação solarimétrica utilizada neste trabalho está localizada na cidade de Curitiba na latitude 25o29’43,6”S e longitude 49o19’52,35”O na altitude de 891 metros em relação ao n´ıvel do mar (INPE, 2016). Esta estação é a primeira do tipo implementada no estado do Paraná.

Esta estação é parceira integrada ao sistema de Organização Nacional de Dados Ambientais (SONDA) e é composta pelos seguintes instrumentos de medição:

• piranômetros termoelétricos para irradiância global e difusa;

• pireliˆometro para irradiˆancia direta;

• piranˆometro termoel´etrico inclinado.

O projeto SONDA conta com estações de medição distribu´ıdas em todo o território nacional conforme mostrado na Figura 21. Estas estações podem ser solarimétricas (ou radiométricas), anemométricas ou ambas.

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Figura 21: Localização das estações do projeto SONDA Fonte: (INPE, 2016).

O objetivo do projeto SONDA é implementar uma infraestrutura f´ısica e de recursos humanos destinada a montagem e melhoramento da base de dados de superf´ıcie necessária ao levantamento dos recursos de energia solar e eólica no Brasil e consequente planejamento de seu uso (INPE, 2016).

Devido ao fato que o investimento em larga escala nas energias eólica e solar no pa´ıs serem inibidos pela falta de informações confiáveis e inadequadas quanto a disponibilidade desses recursos, e também por muitas das pesquisas realizadas não serem destinadas à geração de energia, mas sim para outros fins, o projeto SONDA foi criado para quebrar esta barreira, gerando assim um cruzamento de informações climáticas adequadas com outras informações, como a distribuição da rede elétrica, topografia, custo e disponibilidade de outras formas de energia(INPE, 2016).

O projeto SONDA realiza um processo de validação dos dados medidos para que as informações tenham mais confiabilidade poss´ıvel. Este processo de validação é baseado na estratégia de controle de qualidade de dados adotada pela BSRN (do inglês,Baseline Surface

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Radioation Network) (INPE, 2016).

A BSRN tem como objetivo fornecer informac¸˜oes da melhor qualidade poss´ıvel, baseado em uma alta taxa de amostragens (BSRN, 2016).

3.1.2 Instrumentos da Estac¸˜ao

Todos os instrumentos localizados na estação solarimétrica do TECPAR, que este estudo fará uso, são da marca holandesa Kipp & Zonen, reconhecida no ramo pelo elevado padrão de fiabilidade e exatidão.

Os instrumentos consistem em:

• um rastreador solar SOLYS 2, com rastreamento passivo por GPS e ativo por sensor fotodiodo;

– um piranômetro termoelétrico CMP11 normal à superf´ıcie com ventilação forçada para medir a radiação global;

– um piranômetro termoelétrico CMP11 normal à superf´ıcie com ventilação forçada com anteparo para medir radiação difusa;

– um pireliˆometro CHP1 montado na estrutura do rastreador;

• barra;

– um piranômetro termoelétrico CPM11 posicionado à inclinação da latitude (25,5◦).

A Figura 19, Figura 20 e Figura 22 ilustram os respectivos dispositivos instalados no TECPAR.

De acordo com os manuais técnicos dos equipamentos da Kipp & Zonen, os piranômetros CMP11 se encaixam na classificação da WMO em alta qualidade, enquanto o pireliômetro CHP1 alcança a boa qualidade. Ambos atingem, portanto, as expectativas para aparelhos de coleta de dados direcionados ao uso em estudos acadêmicos.

A empresa holandesa tamb´em ajusta seus produtos conforme a WRR regularmente uma vez a cada dois anos, o que garante que todos os instrumentos est˜ao calibrados adequadamente.