Aula07

UNIVERSIDADE FEDERAL DE

SÃO JOÃO DEL-REI

ENERGIAS RENOVÁVEIS – TE

ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA

Sumário

1. Natureza da Radiação Solar

2. Estruturas de suporte e energia gerada

3. Exemplos

4. Bibliografia

Exemplo

Ex.1) À partir dos parâmetros do módulo KS-10T da Kyocera,

vistos abaixo, obtenha o valor da resistência que deveria ser conectada aos terminais do módulo para extrair a máxima potência.

Exemplo

Natureza da Radiação Solar

O Sol, nossa estrela mais próxima, emite uma enorme quantidade de radiação, fruto de reações internas de fusão nuclear. Uma pequena parte desta energia chega à Terra, o que constitui um formidável recurso.

Saber qual é sua natureza, bem como sua disponibilidade espacial e temporal, constitui o primeiro passo para aproveitá-lo através da conversão fotovoltaica.

Natureza da Radiação Solar

- Irradiância e Irradiação Solar

A radiação solar é a energia que chega do Sol em forma de ondas eletromagnéticas. Diferentemente de outro tipo de transferência de energia, a radiação eletromagnética não precisa de suporte material para sua transmissão, isso é, pode ser transmitida através do vácuo.

Conforme aspecto da radiação solar que se pretenda estudar, utilizam-se vários conceitos para definir suas características.

Natureza da Radiação Solar

O primeiro deles, chamado Irradiância Solar (G), constitui uma medida de potência (energia/tempo) por unidade de área. Portanto, é medido em watts por metro quadrado (W/m²), ou miliwatts por centímetro quadrado (mW/cm²), quando se trata de expressar a irradiância incidente sobre uma célula. A irradiância que chega a nosso planeta, proveniente do Sol, tem um valor médio aproximado de 1.367 W/m².

Por Irradiação Solar se entende a quantidade de energia solar incidente por unidade de superfície durante um período definido de tempo (normalmente um dia, mês ou ano). Obtém-se integrando a irradiância global neste período. Costuma expressar-se em kWh/(m²·dia), kWh/(m²·mês) ou kWh/(m²·ano).

Natureza da Radiação Solar

- Composição espectral da radiação solar

A radiação solar se compõe de ondas eletromagnéticas que abarcam uma determinada gama de frequências ou, inversamente, de comprimentos de onda.

Praticamente toda sua energia se encontra no intervalo de comprimentos de onda existente entre 0,2 μm e 4 μm. Sua representação é conhecida como Espectro Solar, como mostra a Figura 1.

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Natureza da Radiação Solar

Fora da atmosfera, seu espectro se corresponde com o de um corpo negro a uma temperatura de 5770 K. É o denominado AM0 (Air Mass 0).

Posteriormente, a interação da radiação solar com a atmosfera terrestre faz com que este espectro seja modificado. O Espectro Solar de Referência para aplicações fotovoltaicas terrestres é o AM1.5G, correspondente a uma massa de ar de 1,5.

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Natureza da Radiação Solar

- Componentes direta e difusa da radiação solar

Segundo o modo com o qual a radiação solar chegue até a superfície terrestre, depois de ter atravessado a atmosfera, a Irradiância Solar pode ser descomposta em uma fração chamada irradiância direta, G_b, e outra fracção denominada irradiância difusa, G_diff.

Por outro lado, a superfície terrestre reflete uma fração da irradiância solar recebida. Assim, um dispositivo fotovoltaico ou um sensor de irradiância solar, dependendo de sua orientação, pode receber também parte desta irradiância refletida, influindo em seu comportamento. Esta fração é conhecida como albedo (Figura 3).

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Natureza da Radiação Solar

- A influência da atmosfera e do clima

Para avaliar a irradiação recebida na superfície terrestre à partir da existente antes de atravessar a atmosfera, recorremos a vários parâmetros:

 O índice de claridade, K_Td, define-se para uma área a partir da irradiação média diária na superfície, G_d, e a irradiação média extraterrestre, G_0d, como o quociente G_d/G_0d. O índice de claridade mensal seria definido a partir de valores médios do índice diário como:

Natureza da Radiação Solar

 A massa de ar relativa, m, representa o caminho percorrido pela radiação através da atmosfera. Depende do ângulo de altitude solar, γ_s, e da pressão atmosférica local, ρ. É representada pela expressão:

 Espessura óptica (Rayleigh), δ_r, pode ser obtida em função da massa de ar mediante o algoritmo:

Em caso contrario, aplica-se

Natureza da Radiação Solar

 O fator de turbidez (Linke), T_LK, definido pelo estado da atmosfera (na ausência de nuvens), com valores típicos de 2 para atmosferas frias e claras, 3 para atmosferas quentes e claras, 4-6 para atmosferas com alto conteúdo em vapor de água e >6 para atmosferas contaminadas. Deste modo, a irradiância direta sobre uma superfície horizontal pode ser determinada pela seguinte correlação:

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Figura 4 – Radiação Solar média no Brasil (2014).

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Figura 5b – Radiação Solar média em São João del-Rei (2017).

Estruturas de suporte e energia gerada

A estrutura de suporte do campo de painéis fotovoltaicos é um elemento auxiliar importante que cumpre três funções fundamentais:

 Atua como armação, conferindo rigidez ao conjunto de módulos FV e adaptando a geometria e disposição do painel.

 Situa os módulos em uma orientação e inclinação

adequadas, que dependerá da localização geográfica na qual estejam e também do tipo de aplicação.

 Serve como elemento intermediário para a união dos módulos FV com o elemento construtivo ao que estejam ancorados (telhado, parede, etc.).

Estruturas de suporte e energia gerada

Os materiais dos quais estão construídas devem ser resistentes à corrosão, normalmente utiliza-se alumínio anodizado e aço galvanizado no calor. Os módulos FV são fixados sobre elas com parafusos de alumínio anodizado e aço inoxidável para evitar pares galvânicos e corrosões. Além disso, deve-se garantir um bom isolamento elétrico.

Com relação à inclinação, em muitas instalações se otimiza o desenho para obter os valores máximos de saída do painel fotovoltaico durante os piores meses do ano, que é quando a radiação é mais fraca e a produção de energia é muito menor, ou se otimiza para obter a maior produção anual. Em algumas ocasiões se utilizam estruturas que possuem duas ou três posições, permitindo ao usuário variar a inclinação do gerador de acordo com a estação.

Estruturas de suporte e energia gerada

A colocação dos painéis fotovoltaicos depende do número de módulos, do espaço disponível, da possível integração em elementos já construídos, etc., mas podemos comentar de forma geral as seguintes possibilidades:

 Sobre o solo. É a forma mais comum e apresenta as vantagens de acesso, facilidade de montagem e área oposta ao vento, ainda que seja suscetível de ser enterrado ou objeto de rompimento por animais ou pessoas.

Estruturas de suporte e energia gerada

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Estruturas de suporte e energia gerada

Estruturas de suporte e energia gerada

adicional, no entanto, pode apresentar os inconvenientes de não possuir uma orientação adequada ou estar submetida a sombras parciais.

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Estruturas de suporte e energia gerada

espaço, nem estruturas adicionais mas, como no caso anterior, pode ser mais difícil encontrar a orientação adequada e é frequente o surgimento de sombras parciais.

Estruturas de suporte e energia gerada

Para instalações maiores, nas quais o gerador fotovoltaico está constituído por diversos grupos, requerem-se instalações mais robustas. Além destes casos deve-se ter um cuidado especial para que uma fileira de módulos não gere sombra sobre outra imediatamente posterior.

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Estruturas de suporte e energia gerada

Atualmente está aumentando a instalação de sistemas fotovoltaicos com rastreamento solar, já que deste modo consegue-se um maior aproveitamento da energia solar.

A conveniência, e o tipo de rastreamento, dependerão da localidade em que será instalado o sistema, e o ganho que conseguirá com relação à ocupação do terreno. Existem diversos tipos de sistemas conforme o tipo de rastreamento, como mostra a Figura 11.

Estruturas de suporte e energia gerada

Estruturas de suporte e energia gerada

Estruturas de suporte e energia gerada

Para poder estimar a energia gerada por um gerador fotovoltaico devemos, em primeiro lugar, saber qual é a radiação incidente sobre o plano em o que se localizam os módulos fotovoltaicos. À partir desta informação, e com os dados de temperatura, deveremos estimar a potência nas condições experimentais desejadas e avaliar, ou pelo menos determinar o valor dos mais comuns existentes na bibliografia, aos distintos fatores de perdas que reduzem a potência de um gerador de seus valores nominais até seus valores reais em operação.

Obtida esta potência, integram-se estes valores para o período que desejamos quantificar a energia, seja diário, mensal ou anual.

Estruturas de suporte e energia gerada

Para o cálculo da energia do gerador em condições experimentais, partimos da potência do mesmo no ponto de máxima potência do sistema, e o levamos às condições de irradiância e temperatura da localidade na qual se instalou nosso sistema.

Existem diversos softwares que fornecem os valores de

irradiância e temperatura para determinadas localidades e em distintas orientações e inclinações. Porém, também é possível fazer uma aproximação dos valores.

Estruturas de suporte e energia gerada

Quando se dispõe dos valores da potência nominal do sistema é possível calcular, através de um modelo aproximado, a potência em distintas condições de operação. Uma das equações mais utilizadas para tanto, por sua simplicidade, é:

em que:

P_m é a potência máxima do gerador nas condições desejadas de irradiância G e temperatura da célula T_c;

P_m,ref é a potência máxima do gerador nas condições de referência (STC ou outras condições nas quais se conheça a potência);

G é a irradiância nas condições desejadas;

G_ref é a irradiância nas condições de referência (em geral, 1000 W/m²);

T_c.ref é a temperatura da célula nas condições de referência (25 ºC);

Estruturas de suporte e energia gerada

A equação anterior permite o cálculo da potência em distintas condições de operação e, a partir daí, se poderia obter a energia. Contudo, em um sistema real existem diferentes perdas que devem ser consideradas e que fazem com que a potência do sistema não seja igual a que seria obtida multiplicando a potência nominal do módulo pelo número de módulos que compõem o sistema.

O cálculo exato das mesmas não é sempre fácil, contudo, em algumas delas é possível aplicar intervalos gerais ou utilizar valores de referência na literatura. Os fatores a se considerar são mostrados a seguir.

Estruturas de suporte e energia gerada

 Perdas por diferença de parâmetros entre módulos (mismatch);

 Perdas por sujeira ou pó;

 Perdas angulares e espectrais;

 Perdas ôhmicas em corrente contínua, devidas às quedas ôhmicas nos

cabos;

 Perdas por não cumprimento da potência nominal. Aqui se refere à

possibilidade de que os fabricantes forneçam módulos com potências próximas ao limite inferior à faixa considerada válida para sua potência nominal, o que, em um número suficiente de módulos, produziria uma redução da potência do sistema;

 Perdas por rendimento do rastreamento do ponto de máxima potência;

 Perdas por sombreamento;

 Perdas por temperatura;

 Perdas por rendimento CA/CC do inversor;

 Perdas ôhmicas em alternada;

 Perdas devidas a outros aspectos não considerados, como paradas por

Exemplo

Ex.2) Sabendo que a potência do módulo do exercício anterior é

de 10 W na STC (G = 1000 W/m² e T = 25 ºC), calcule o novo valor de potência para a situação de G = 800 W/m² e T = 40 ºC (γ=-0,42%). Qual seria o novo valor da corrente de máxima potência, nessa condição, se a tensão de máxima potência fosse mantida em V_MAX=16,9 V?

Aviso para alunos de 3ª etapa

Os alunos de 3ª etapa que faltaram às primeiras 6 aulas deverão fazer um resumo das aulas 2 a 6, dos dias que não compareceram às aulas, para ter a presença lançada no sistema.

O resumo deve ser feito à mão e cada aula deve ser resumida em, no mínimo, duas páginas de folha almaço (sem contabilizar os exercícios nesse número de páginas). Os exercícios e o resumo deverão ser entregues juntos.

Bibliografia

1. Alonso, M.C., García, F.S. e Silva, J.P., “Energia Solar Fotovoltaica”,

Programa de Capacitação em Energias Renováveis, ONUDI, 2013.

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