Desempenho energético em sistemas fotovoltaicos: fixo vs seguidor solar

Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro

Desempenho Energético em Sistemas Fotovoltaicos

– Fixo vs Seguidor Solar –

Dissertação de Mestrado em Engenharia Eletrotécnica e de

Computadores

Ana Rita Pinto de Azevedo

Orientador: Professor Doutor Sérgio Augusto Pires Leitão

Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro

Desempenho Energético em Sistemas Fotovoltaicos

– Fixo vs Seguidor Solar –

Dissertação de Mestrado em Engenharia Eletrotécnica e de

Computadores

Ana Rita Pinto de Azevedo

Orientador: Professor Doutor Sérgio Augusto Pires Leitão

Dissertação submetida à

UNIVERSIDADE DE TRÁS-OS-MONTES E ALTO DOURO para obtenção do grau de

MESTRE

em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores, de acordo com o disposto no de acordo com o disposto

no DR – I série – Nº 151, Decreto-Lei n.º 115/2013 de 7 de agosto e no Regulamento de Estudos Conducente ao Grau de Mestre da UTAD

Orientação científica:

Sérgio Augusto Pires Leitão

Professor Auxiliar do

Departamento de Engenharias da Escola de Ciências e Tecnologia

Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro

Composição do Júri:

Presidente:

Doutor João Agostinho Batista de Lacerda Pavão

Professor Auxiliar da Escola de Ciências e Tecnologia da

Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro

Vogais:

Doutor Hélder Filipe Duarte Leite

Professor Auxiliar da Faculdade de Engenharia da Universidade do

Porto

Doutor Sérgio Augusto Pires Leitão

Professor Auxiliar da Escola de Ciências e Tecnologia da

Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro

“Somos aquilo que fazemos de forma repetida. Por isso, a excelência não é um ato, mas um hábito”

(Aristóteles)

“Nada é particularmente difícil se o dividir em pequenas tarefas.” (Henry Ford)

i

Agradecimentos

Ao meu orientador, Professor Doutor Sérgio Augusto Pires Leitão, um agradecimento especial pelo conhecimento transmitido, disponibilidade e auxilio na elaboração deste trabalho. Ao Engenheiro Rui Fonseca e ao Pedro Sousa, da Empresa Objetivo Verde de Vila Real, pela prontidão e disponibilidade na recolha de dados de produção no local das instalações fotovoltaicas.

Aos meus pais, António e Branca, agradeço por tudo, pelo incentivo e apoio ao longo de todos estes anos.

À minha irmã, Daniela, pela força e apoio em todos os momentos menos bons e pelo exemplo de vida.

Ao meu irmão, Ivo, pelas palavras de coragem, experiência de vida e incentivo nesta caminhada.

Ao meu namorado, Carlos, pela paciência, incentivo e força. Sem dúvida que sem ele não seria a mesma coisa.

Aos meus colegas que também contribuíram para esta fase tão importante da minha vida.

A todos, em geral, que ao longo do meu percurso académico, permitiram o culminar deste trabalho.

iii

Resumo

A ação no domínio das energias renováveis e da eficiência energética, para além de combater as alterações climáticas, contribui para a segurança do aprovisionamento energético e ajuda a limitar a dependência da energia importada. Com as recentes preocupações energéticas e ambientais, a Europa e Portugal, em particular, tem vindo a traçar um novo rumo nas políticas energéticas. A aplicação de políticas energéticas eficazes pode reduzir a intensidade energética, relacionada com o consumo energético do país e, as emissões de gases de efeito de estufa.

As energias renováveis são fontes de energia provenientes de recursos naturais. A energia solar fotovoltaica é uma das energias renováveis existentes e, considerada como uma energia inesgotável, limpa e com menores impactos ambientas.

Esta dissertação tem como objetivo estudar o desempenho energético entre dois sistemas fotovoltaicos: fixo e seguidor solar.

Para esse efeito, propõe-se num caso de estudo referente aos dois sistemas fotovoltaicos, com diferentes localizações geográficas e numa fase inicial, uma análise de produção real de energia elétrica, medida diretamente à saída dos inversores de cada sistema e, a comparação entre a estimativa da energia elétrica produzida usando um software de simulação. Numa fase final, procede-se à avaliação do desempenho energético dos dois sistemas fotovoltaicos implementados por comparação com os resultados reais.

Por fim, é realizada uma análise sobre a viabilidade económica de cada investimento relativa à implementação de cada sistema fotovoltaico, de modo a compreender, no momento de aquisição do produto, qual é o mais vantajoso economicamente.

Palavras-chave: Energia solar fotovoltaica, sistema fotovoltaico fixo, seguidor solar, energia

v

Abstrat

The action in the domain of the renewable energy and the energy efficiency, beyond going against the climatic changes, helps to security of energy supply and helps to limit the imported energy dependence. As a result of the recent energetic and environmental worries, Europe and Portugal, particularly, started to chart a new course in the energetic policies. The implementation of effective energetic policies can reduce energy intensity, related to the energy consumption of the country, and emissions of greenhouse gases.

Renewable energies are energy sources from natural resources. Photovoltaic solar energy is one of the existing renewable energy and considered as an inexhaustible, clean energy and lower environment impacts.

This dissertation has the goal to study the energetic performance of two different photovoltaic systems: fixed and solar tracker.

For this purpose, it is proposed a case study concerning the two photovoltaic systems, with different geographical locations in an early stage, a real production analysis of electric energy, measured directly to the output of the inverters of each system and, the comparison between the estimated produced using one simulation software. In a final stage, it is proceeded an evaluation of the energy performance of two photovoltaic systems implemented by comparing with the real results.

Lastly, it is made one analysis concerning the economic variability of each investment related to the implementation of each photovoltaic system, in order to understand, in the moment of the product acquisition, which one is the most economically advantageous.

vii

Índice

Capítulo 2 - Energia Solar Fotovoltaica ... 5

2.1 Enquadramento ... 5

2.2 Radiação Solar ... 5

2.3 Movimento da Terra ... 8

2.3.1 Declinação Solar ... 9

2.3.2 Altitude, Azimute e Zénite Solar ... 9

2.4 Painéis Fotovoltaicos ... 10

2.4.1 Efeito Fotovoltaico ... 11

2.4.2 Tipo de Células Fotovoltaicas ... 11

2.4.3 Modelo Elétrico ... 12

2.4.4 Características de um Painel Fotovoltaico ... 15

2.4.4.1 Influência da Radiação Solar e Temperatura ... 16

2.4.5 Interligação de Módulos ... 18

2.5 Sistemas Fotovoltaicos ... 18

2.5.1 Baterias ... 18

2.5.2 Inversores ... 19

2.5.3 Reguladores de Carga ... 19

2.5.4 Tipos de Sistemas Fotovoltaicos ... 20

2.6 Seguidores Solares ... 20

2.6.1 Seguidores Passivos ... 21

viii

2.6.2.1 Seguidor Polar de Eixo Único ... 22

2.6.2.2 Seguidor de Eixo Horizontal ... 23

2.6.2.3 Seguidor de Eixo Vertical ou de Azimute ... 24

2.6.2.4 Seguidor de dois Eixos ... 25

2.6.2.4.1 Seguidor Polar de dois Eixos ... 25

2.6.2.4.2 Seguidor de Plataforma Rotativa de dois Eixos ... 26

2.6.2.4.3 Seguidor de Trajetórias Paralelas... 26

2.7 Sistemas de Controlo para Seguidores Solares ... 26

2.7.1 Seguimento com Sensores ... 27

2.7.1.1 Seguimento com Foto-Sensores ... 27

2.7.1.2 Seguimento com Visão Artificial ... 27

2.7.2 Seguimento sem Sensores ... 28

2.8 Fatores que Influenciam o Desempenho dos Sistemas FV ... 28

2.8.1 Recurso Solar e Irradiância ... 28

2.8.2 Sujidade ... 28

2.8.3 Temperatura e ação do vento ... 29

2.8.4 Sombreamento ... 29

2.8.5 Avarias e desgaste nos equipamentos ... 30

2.9 Conclusões... 31

Capítulo 3 - Software de Simulação de Sistemas Fotovoltaicos ... 33

3.1 Enquadramento ... 33

3.2 Photovoltaic Geographical Information System (PVGIS) ... 34

3.3 Photovoltaic System (PVSyst) ... 34

3.4 System Advisor Model (SAM)... 35

3.5 Photovoltaic Software PV*SOL ... 35

3.6 Polysun Simulation Software ... 36

ix

3.8 Comparação entre Software ... 36

3.9 Conclusões ... 37

Capítulo 4 - Caso de Estudo ... 39

4.1 Enquadramento ... 39

4.2 Sistema Fotovoltaico Fixo ... 40

4.2.1 Descrição do Sistema... 40

4.2.2 Esquema de Ligação do Sistema ... 41

4.2.3 Estrutura dos Inversores do Sistema ... 42

4.2.4 Análise de Parâmetros do Sistema ... 43

4.2.4.1 Distribuição Anual ... 44

4.2.4.2 Distribuição Mensal ... 45

4.2.4.3 Distribuição Diária ... 49

4.2.4.3.1 Potência Elétrica ... 49

4.2.4.3.2 Fator de Potência no Inversor ... 50

4.2.4.3.3 Rendimento do Inversor ... 51

4.2.5 Comparação de Resultados Reais e Simulados ... 52

4.3 Sistema Fotovoltaico com Seguimento Solar ... 54

4.3.1 Descrição do Sistema... 54

4.3.2 Esquema de Ligação do Sistema ... 56

4.3.3 Análise de Parâmetros do Seguidor Solar ... 56

4.3.3.1 Distribuição Anual ... 57

4.3.3.2 Distribuição Mensal ... 58

4.3.3.3 Distribuição Diária ... 61

4.3.3.3.1 Potência Elétrica ... 62

4.3.3.3.2 Fator de Potência no Inversor ... 63

4.3.3.3.3 Rendimento do Inversor ... 64

x

4.4 Análise por Comparação entre Sistemas FV (Fixo e Seguidor Solar) ... 66

4.4.1 Distribuição Anual ... 67

4.4.2 Distribuição Mensal ... 71

4.4.3 Distribuição Diária ... 74

4.4.3.1 Potência Elétrica ... 74

4.4.3.2 Rendimento do Inversor ... 76

4.5 Análise Económica do Investimento ... 78

4.5.1 Sistema Fotovoltaico Fixo ... 78

4.5.2 Seguidor Solar ... 81

4.5.3 Análise dos Resultados ... 82

Capítulo 5 - Conclusões e Perspetivas de Trabalho Futuro ... 85

5.1 Conclusões... 85

5.2 Perspetivas de Trabalho Futuro ... 87

Referências ... 89

Anexo A - Procedimentos de Manutenção ... 93

Anexo B - Dados de Produção ... 95

Anexo C - Indicadores Financeiros ... 111

xi

Lista de Figuras

Figura 2.1 - Formas de radiação solar, após atravessarem a superfície terrestre [3]. ... 6

Figura 2.2 - Radiação global anual em Portugal [6]. ... 8

Figura 2.3 - Definição de ângulo horário solar (hs), declinação solar (δs) e latitude (L) [7]. ... 10

Figura 2.4 - Circuito elétrico simplificado equivalente a um díodo. ... 12

Figura 2.5 - Circuito elétrico equivalente detalhado. ... 14

Figura 2.6 - Curva I-V de uma célula solar genérica [10]. ... 15

Figura 2.7 - Curva característica P-V de um painel fotovoltaico, adaptado [11]. ... 16

Figura 2.8 - Influência da curva I-V e P-V com variação da radiação incidente, a uma temperatura constante de 25ºC [12]. ... 17

Figura 2.9 - Influência das curvas I-V e P-V com a variação da temperatura, onde MPP representa o ponto de potência máxima, adaptado [11]. ... 17

Figura 2.10 - Ligação de células solares fotovoltaicas em série (a) e em paralelo (b), adaptado [10]. ... 18

Figura 2.11 - Inversor Kaco 18.0 TL3 [13]. ... 19

Figura 2.12 - Comparação da energia produzida entre um sistema fixo e um sistema de seguimento de 2 eixos, adaptado [15]. ... 21

Figura 2.13 - Mecanismo de funcionamento do sistema de seguimento solar passivo [16]. ... 22

Figura 2.14 - Modelo de um seguidor polar de eixo único [19]. ... 23

Figura 2.15 - Modelo de um seguidor de eixo horizontal [19]. ... 24

Figura 2.16 - Modelo de um seguidor de eixo vertical ou de azimute [19]... 24

Figura 2.17 - Modelo de um seguidor solar de dois eixos [19]. ... 25

Figura 2.18 - Distância entre fileiras, adaptado [24]. ... 30

Figura 4.1 - Esquema de ligação entre painéis fotovoltaicos, inversores e quadro elétrico. .... 42

Figura 4.2 - Esquema de ligação de uma instalação com dois inversores. ... 43

Figura 4.3 - Distribuição da energia elétrica anual produzida pelo sistema FV. ... 45

Figura 4.4 - Distribuição da energia mensal produzida, dos meses de julho e dezembro de 2015. ... 47

Figura 4.5 - Distribuição da média da energia mensal produzida, ao longo dos anos. ... 48

Figura 4.6 - Distribuição das potências ao longo do dia 25 de julho de 2015. ... 49

xii

Figura 4.8 - Distribuição do fator de potência ao longo dos dias, 25 de julho e 11 de dezembro de 2015. ... 51 Figura 4.9 - Rendimento do inversor 1 ao longo dos dias, 25 de julho e 11 de dezembro de 2015. ... 52 Figura 4.10 - Esquema de ligação entre os painéis dos seguidores solares, inversores e quadro elétrico. ... 56 Figura 4.11 - Distribuição da energia anual produzida pelo seguidor solar. ... 58 Figura 4.12 - Distribuição da energia mensal produzida, nos meses de julho e dezembro de 2015. ... 60 Figura 4.13 - Distribuição da energia elétrica média mensal produzida, ao longo dos anos, pelo seguidor solar. ... 61 Figura 4.14 - Distribuição das potências ao longo do dia 25 de julho de 2015. ... 62 Figura 4.15 - Distribuição das potências ao longo do dia 11 de dezembro de 2015. ... 63 Figura 4.16 - Distribuição do fator de potência para os dias, 25 de julho e 11 de dezembro. . 64 Figura 4.17 - Rendimento do inversor do sistema para os dias, 25 de julho e 11 de dezembro. ... 64 Figura 4.18 - Distribuição de energia anual produzida pelos dois sistemas no ano de 2014. .. 69 Figura 4.19 - Distribuição de energia elétrica anual produzida pelos dois sistemas no ano de 2015. ... 70 Figura 4.20 - Distribuição de energia mensal produzida pelos dois sistemas, no mês de julho de 2015. ... 72 Figura 4.21 - Distribuição de energia mensal produzida pelos dois sistemas, no mês de dezembro. ... 74 Figura 4.22 - Potência produzida pelos dois sistemas FV ao longo do dia 25 de julho de 2015. ... 75 Figura 4.23 - Potência produzida pelos dois sistemas FV ao longo do dia 11 de dezembro de 2015. ... 76 Figura 4.24 - Rendimentos para cada sistema FV ao longo do dia 25 de julho de 2015. ... 77 Figura 4.25 - Rendimentos para cada sistema FV ao longo do dia 11 de dezembro de 2015. 77 Figura 4.26 - Cash-flow atualizado para o sistema fotovoltaico fixo. ... 80 Figura 4.27 - Cash-flow atualizado para o sistema fotovoltaico com seguimento solar. ... 82

xiii

Lista de Tabelas

Tabela 4.1 - Características dos painéis solares fotovoltaicos LW230. ... 40 Tabela 4.2 - Características do Inversor Kaco 12.0 TL3 INT. ... 41 Tabela 4.3 - Energia elétrica anual produzida pelo do sistema FV. ... 44 Tabela 4.4 - Energia mensal produzida pelo sistema, nos meses de julho e dezembro de 2015. ... 46 Tabela 4.5 - Média mensal de produção de energia elétrica do sistema. ... 48 Tabela 4.6 - Produção de energia elétrica e irradiação usando PVGIS. ... 53 Tabela 4.7 - Valores reais e simulados de produção de energia elétrica. ... 54 Tabela 4.8 - Características do Painel Fotovoltaico EX – 260M. ... 55 Tabela 4.9 - Características do Inversor Kaco 18.0 TL3 INT. ... 55 Tabela 4.10 - Energia elétrica anual produzida pelo seguidor solar. ... 57 Tabela 4.11 - Energia produzida pelo seguidor solar nos meses de julho e dezembro de 2015. ... 59 Tabela 4.12 - Média mensal da produção de energia elétrica do seguidor solar. ... 60 Tabela 4.13 - Produção de energia elétrica e irradiação usando o software PVGIS. ... 65 Tabela 4.14 - Valores reais e simulados de produção de energia elétrica. ... 66 Tabela 4.15 - Energia anual produzida pelos sistemas no ano de 2014. ... 68 Tabela 4.16 - Energia anual produzida pelos dois sistemas no ano de 2015. ... 70 Tabela 4.17 - Energia mensal produzida pelos sistemas fixo e móvel, no mês de julho de 2015. ... 71 Tabela 4.18 - Energia mensal produzida pelos dois sistemas, no mês de dezembro de 2015. . 73 Tabela 4.19 - Comparação da energia elétrica total produzida pelos dois sistemas FV... 78 Tabela 4.20 - Características do projeto do sistema FV fixo... 79 Tabela 4.21 - Características do investimento do sistema FV fixo. ... 79 Tabela 4.22 - Preço de energia solar fotovoltaica no regime bonificado. ... 80 Tabela 4.23 - Características do projeto do seguidor solar... 81 Tabela 4.24 - Características do investimento do seguidor solar. ... 81 Tabela B.1 - Dados de produção do sistema FV fixo ao longo do dia 25 de julho de 2015. ... 95

xiv

Tabela B.2 - Dados de produção do sistema FV fixo ao longo do dia 11 de dezembro de 2015. ... 100 Tabela B.3 - Dados de produção do seguidor solar ao longo do dia 25 de julho de 2015. .... 103 Tabela B.4 - Dados de produção do seguidor solar ao longo do dia 11 de dezembro de 2015. ... 108 Tabela C.1 - Viabilidade do projeto tendo em conta o indicador financeiro VAL. ... 111 Tabela C.2 - Viabilidade do projeto tendo em conta o indicador financeiro TIR. ... 112 Tabela D.1 - Análise económica do sistema fotovoltaico fixo. ... 113

xv

Lista de Símbolos

𝛼 Ângulo de altitude solar

𝑎_𝑠 Ângulo de azimute solar

ℎ𝑠 Ângulo horário solar

𝛿_𝑠 Declinação solar

𝑡𝑠 Hora solar local

Hd Irradiância diária por metro quadrado recebida pelos módulos do sistema

(kWh/m2)

Hm Irradiância mensal por metro quadrado recebida pelos módulos do sistema

(kWh/m2)

𝐿 Latitude

Pac Potência em corrente alternada (W)

Pdc Potência em corrente contínua (W)

Ed Produção média diária de eletricidade fornecida pelo sistema (kWh)

Em Produção média mensal de eletricidade fornecida pelo sistema (kWh)

 Rendimento (%)

xvii

Lista de Abreviaturas e Acrónimos

AC Alternating Current

BT Baixa Tensão

DC Direct Current

FP Fator de Potência

FV Fotovoltaico/a

IMPA Instituto Português do Mar e da Atmosfera

MA Massa de Ar

MPP Maximum Power Point

MPPT Maximum Power Point Tracker

PRI Período de Recuperação do Investimento

PVGIS Photovoltaic Geographical Information System

QE Quando Elétrico

km Quilometro

kW Quilowatt

kWh Quilowatt-hora

Si Silício

a-Si Silício Amorfo

c-Si Silício Monocristalino

p-Si Silício Policristalino

STC Standard Test Conditions

TIR Taxa Interna de Rentabilidade

VAL Valor Anual Líquido

1

Capítulo 1 - Introdução

1.1 Enquadramento

Com o decorrer dos anos, o planeta Terra, tem sido afetado com vários problemas ambientais. As emissões relacionadas com a energia representam quase 80% das emissões de Gases Efeito de Estufa (GEE) da Europa. Devido à crescente evolução destes problemas ambientais é necessário traçar novas metas em relação às políticas energéticas, de modo a orientar os sistemas de energia para um mundo mais seguro e sustentável.

De entre os sistemas de energia de fonte renovável encontra-se a energia solar fotovoltaica, que é considerada uma energia segura, sustentável, inesgotável e acessível a todos. Apesar de ser uma fonte de energia gratuita, a sua conversão para energia elétrica deve ser maximizada. Daqui resulta a necessidade de instalação de sistemas fotovoltaicos fixos e com seguimento solar.

O principal objetivo deste trabalho será avaliar qual destes sistemas permite maximizar melhor, o aproveitamento da energia solar para energia elétrica.

1.2 Motivações e Objetivos

Os motivos que levaram à realização deste trabalho foram adquirir e cimentar novos conhecimentos no âmbito das energias renováveis e da eficiência energética. A ação no domínio das energias renováveis e da eficiência energética, para além de combater as alterações

2

climáticas, contribui para a segurança do aprovisionamento energético e ajuda a limitar a dependência da energia importada, pela diversificação do meio energético.

Este trabalho tem por objetivos, analisar o desempenho energético em sistemas fotovoltaicos fixos e com seguimento solar, identificar e quantificar as principais variáveis que influenciam a produção de energia elétrica e realizar a avaliação do desempenho energético dos sistemas fotovoltaicos (fixo e seguidor solar) implementados, usando informação recolhida dos inversores, por comparação com os resultados obtidos por simulação, recorrendo a aplicações informáticas credenciadas.

1.3 Estrutura da Dissertação

A dissertação é constituída por mais quatro capítulos para além deste capítulo introdutório e quatro anexos.

O capítulo dois apresenta uma revisão do estado da arte da energia solar fotovoltaica, painéis solares e de seguidores solares, bem com os fatores que afetam o desempenho destes sistemas.

O capítulo três apresenta alguns das aplicações informáticas de simulação existentes, utilizados para estimar a produção de energia elétrica gerada por sistemas fotovoltaicos. Esta informação servirá, para selecionar qual o software se adequa melhor no momento de estimar a produção de energia dos sistemas fotovoltaicos em estudo.

O capítulo quatro apresenta o caso de estudo referente aos dois sistemas fotovoltaicos: fixo e seguidor solar. Inicialmente, é feita uma análise energética através de dados reais de produção e dados simulados para os dois sistemas em separado. Seguidamente, é realizada uma análise energética comparativa entre o sistema fotovoltaico fixo e o seguidor solar. Por fim, é efetuada uma análise da viabilidade económica dos investimentos, com dados recolhidos das faturas do comercializador de energia elétrica.

O capítulo cinco apresenta as conclusões desta dissertação e uma abordagem de algumas sugestões de trabalhos futuros dentro da mesma temática.

O anexo A apresenta alguns procedimentos de manutenção que devem ser adotados pelo utilizador de sistemas FV de modo a evitar problemas associados ao uso dos equipamentos.

3

O anexo B apresenta as tabelas com os dados de produção do sistema FV fixo, ao longo dos dias 25 de julho e 11 de dezembro de 2015, e os dados de produção do seguidor solar, para os mesmos dias.

O anexo C enuncia os indicadores financeiros necessários para se proceder a uma análise económica de um investimento.

O anexo D apresenta as tabelas com os valores utilizados para a análise económica do sistema FV fixo e do seguidor solar.

5

Capítulo 2 - Energia Solar Fotovoltaica

2.1 Enquadramento

O Sol é a fonte de energia indispensável e inesgotável para a Terra.

A energia solar é a energia eletromagnética emitida pelo Sol e caracteriza-se por ser uma energia limpa, renovável, abundante e de fácil acesso. Por sua vez, a energia solar é designada como um tipo de captação de energia luminosa e térmica, que posteriormente será transformada noutra forma utilizável pelo Homem. Existem dois principais modos de aproveitamento da energia solar: a energia solar fotovoltaica e a energia solar térmica.

Portugal é um dos países da Europa com maior potencial de aproveitamento da energia solar. De forma a aproveitar esta energia, o nosso país, tem investido, ao longo dos anos, na exploração solar fotovoltaica.

2.2 Radiação Solar

A radiação solar, medida em watt (𝑊), consiste na energia radiante emitida pelo Sol. A intensidade com que a radiação solar chega à Terra denomina-se de irradiância e é medida em

watt por metro quadrado (𝑊/𝑚2). A radiação solar que incide na superfície terrestre durante

um ano é obtida através da irradiação global anual. Esta, por sua vez, é medida em watt-hora

6

A radiação solar depende das condições atmosféricas da Terra. Num dia de céu limpo não existem condicionantes para a radiação solar atravessar a atmosfera e atingir a superfície terrestre, ao contrário do que se verifica num dia chuvoso, as nuvens que se encontram no céu condicionam a radiação solar que chega à superfície terrestre [1]. Assim, são três as formas através do qual a radiação solar, após atravessar a atmosfera, consegue atingir a superfície terrestre, como se ilustra na Figura 2.1:

 Radiação direta: atinge diretamente a superfície [2]. É o tipo de radiação solar que melhor contribui para a produção de eletricidade, a partir da conversão da luz solar nos módulos fotovoltaicos. Num dia solheiro, a maioria da radiação solar incidente é na forma de radiação direta [1];

 Radiação difusa: é desviada em diferentes direções pelos componentes da atmosfera [2]. Esta apresenta menor contribuição para a produção de eletricidade, quando comparada com a radiação direta. Em dias nublados, toda a radiação deriva da componente difusa [1];

 Radiação refletida: é refletida pelo solo e objetos circundantes [2] e posteriormente devolvida à atmosfera como radiação difusa [1].

A radiação solar varia com a latitude, estações do ano, altitude e condições locais de nebulosidade [3]. Esta, por sua vez, esta condicionada pelos fenómenos que ocorrem na atmosfera, isto é, a massa de ar (MA ou em inglês AR - Air Mass), tem efeitos na radiação solar que chega à superfície terrestre.

7

A massa de ar define-se como sendo o comprimento relativo que a radiação solar direta percorre até atingir a superfície terrestre. A MA está relacionada com a altura a que o Sol se encontra e com o ângulo entre os raios solares e a direção vertical, ou ângulo de Zénite, e

representa-se matematicamente pela equação (2.1), onde o ângulo 𝜃_𝑧 varia com a declinação

solar.

𝑀𝐴 = 1

cos 𝜃_𝑧 (2.1)

Quando o Sol se encontra numa posição paralela (𝜃_𝑧 = 0°) implica que, 𝑀𝐴 = 1. Isto

indica a posição do Sol no equador ao meio-dia, na primavera ou no outono. Contudo, a MA é tanto maior quanto menor for a altura solar, resultando numa maior atenuação na energia transmitida [4]. O facto de a Terra ser curva, implica que qualquer país ou região com menor latitude apresente maiores níveis de radiação solar.

A radiação solar está dependente de vários fatores, como a localização e as condições climatéricas. Atualmente existem aparelhos que medem a radiação solar, como o piranómetro, capaz de medir a radiação global, o actonógrafro, responsável pela medição e registo da radiação global, o heliógrafo que mede e regista o número de horas de insolação e o piroheliómetro, responsável por medir a radiação direta normal [5].

A Figura 2.2 evidencia que Portugal apresenta condições extremamente favoráveis para a instalação de sistemas fotovoltaicos.

8

Figura 2.2 - Radiação global anual em Portugal [6].

2.3 Movimento da Terra

A Terra apresenta um movimento de rotação em torno de si própria, isto é, roda através de um eixo imaginário que liga o Pólo Norte ao Pólo Sul durante 24 horas, aproximadamente e, um movimento de translação em torno do Sol, numa trajetória elíptica, com duração de um ano. Quando a Terra realiza o movimento de rotação em torno do Sol, o seu eixo fica inclinado em relação ao plano da órbita da Terra [7]. Cientificamente, a Terra gira em torno do Sol (estrela estática). Para uma melhor compreensão dos termos seguidamente descritos, considera-se que o Sol desloca-se, mudando a sua posição em relação à posição da Terra.

A distância entre a Terra e o Sol varia ao longo do ano, o que provoca alterações na radiação incidente na superfície terrestre.

9

2.3.1 Declinação Solar

A declinação solar (𝛿𝑠) é o ângulo formado entre o plano do equador e a reta definida

pelos centros da Terra e do Sol. Nos equinócios da primavera a declinação solar é nula, isto indica que a duração do dia é igual a duração da noite. A expressão (2.2) representa a declinação solar em cada dia do ano, porém esta varia ligeiramente de ano para ano, devido a cada ano solar apresentar relativamente mais de 365 dias (cerca de 365,25 dias) [7].

𝛿_𝑠 = 23,45 𝑠𝑒𝑛 [360(284 + 𝑛)

365 ] ° (2.2)

onde,

𝑛: número do dia do ano (𝑛 = 1 no dia 1 de janeiro).

2.3.2 Altitude, Azimute e Zénite Solar

A determinação da posição do Sol é muito importante para a compreensão da radiação solar absorvida e energia produzida pelos painéis solares fotovoltaicos fixos e com sistemas de seguimento solar.

A posição do sol é definida por duas coordenadas: ângulo de altitude solar (𝛼) formado

pelos raios solares com o plano horizontal, e o ângulo de azimute solar (𝑎𝑠) definido como o

ângulo entre a projeção horizontal dos raios solares e a direção Norte-Sul no plano horizontal. Apresenta valores positivos se o Sol estiver a Oeste do Sul, e valores negativos se estiver a Este do Sul. O ângulo de zénite solar (𝑧), deve definir-se como sendo (𝑧 = 90° − 𝛼) o ângulo entre os raios solares e a direção vertical.

Os ângulos de altitude solar e azimute solar são expressos em função de três ângulos

fundamentais, representados na Figura 2.3, tais como, o ângulo horário solar (ℎ_𝑠), depende do

local e do tempo considerados, a latitude (𝐿), depende do local, e a declinação solar, depende do dia do ano [7]. Por sua vez, o ângulo horário solar expressa-se em função da hora solar local

10

ℎ_𝑠 = 15° × (𝑡_𝑠− 12) com 0 ≤ 𝑡_𝑠 ≤ 24ℎ (2.3)

A partir de relações trigonométricas, obtém-se,

𝑠𝑒𝑛 𝛼 = 𝑠𝑒𝑛𝐿 𝑠𝑒𝑛 𝛿𝑠+ cos 𝐿 cos 𝛿𝑠cos ℎ𝑠 (2.4)

𝑠𝑒𝑛𝑎𝑠 =

𝑐𝑜𝑠𝛿_𝑠sin ℎ_𝑠

cos 𝛼 (2.5)

Ao meio dia solar, 𝑡𝑠 = 12ℎ, ℎ𝑠 = 0 e, portanto, 𝑎𝑠 = 0 𝑒 𝛼 = 90° − |𝐿 − 𝛿𝑠| [5].

Figura 2.3 - Definição de ângulo horário solar (hs), declinação solar (δs) e latitude (L) [7].

Na Figura 2.3 P representa o ponto de localização do observador.

2.4 Painéis Fotovoltaicos

Os sistemas de energia solar fotovoltaica são constituídos pelos painéis fotovoltaicos, cuja função consiste em converter a radiação solar em energia elétrica. Estes sistemas de energia

11

solar fotovoltaica são, atualmente, utilizados por aplicações de pequenas, médias e grandes potências.

Os painéis fotovoltaicos são constituídos por conjuntos de células fotovoltaicas interligadas entre si de forma a converter a energia solar em energia elétrica. Esta conversão é feita através de efeito fotovoltaico. Os módulos são constituídos por células fotovoltaicas e, por sua vez, são interligados em série. Este conjunto de módulos interligados definem uma string. A ligação em paralelo das strings constituem um array. O gerador fotovoltaico resulta de um

array ou de um conjunto de arrays.

2.4.1 Efeito Fotovoltaico

As células fotovoltaicas são constituídas por uma junção p-n, considerada como uma fronteira entre uma camada com material do tipo n (negativo) e uma camada com material do tipo p (positivo) [8].

O efeito fotovoltaico origina-se através de uma célula fotovoltaica e consiste na conversão da radiação solar em energia elétrica. As células FV possibilitam este processo da seguinte forma [2]:

 A energia dos fotões da radiação solar excita os eletrões na zona n, fazendo com que estes se movam;

 Quando as células fotovoltaicas são ligadas a uma carga, os eletrões excitados começam a movimentar-se, através de passagem da corrente, a partir da zona n para a zona p;

 Os eletrões na zona p recombinam-se com lacunas;

 À medida que a radiação continua a incidir na célula fotovoltaica, mais eletrões são enviados pelo circuito, os eletrões são forçados a partir da zona p de volta à zona n através da junção p-n para continuar o processo.

2.4.2 Tipo de Células Fotovoltaicas

As células fotovoltaicas ou células solaras são responsáveis pela conversão da potência associada à radiação solar em potência elétrica de corrente contínua (DC).

12

A conversão de energia solar em energia elétrica é realizada através de materiais como o silício (Si). Os três principais tipos de células solares são: células de silício monocristalino, células de silício policristalino e células de silício amorfo. As células de silício monocristalino (c-Si) são as mais utilizadas na composição dos painéis fotovoltaicos e apresentam um rendimento máximo, em laboratório, de 24%, custo e grau de complexidade elevados. As células de silício policristalino (p-Si) apresentam um custo de produção baixo, uma vez que necessitam de menos energia para o seu fabrico, e um rendimento, em laboratório, ligeiramente menor, entre os 18% e 12%. As células de silício amorfo (a-Si) são as mais económicas e as de menor rendimento elétrico, uma vez que o silício amorfo consegue absorver melhor a radiação solar, em relação ao rendimento, este é cerca de 13%, em laboratório [9]. Por outro lado, estas células apresentam algumas desvantagens, como, baixa eficiência de conversão quando comparadas com as células c-Si e p-Si, a degradação das células e a consequente redução da eficiência ao longo dos anos [8].

2.4.3 Modelo Elétrico

O circuito elétrico, representado na Figura 2.4, define o modelo matemático simplificado de uma célula fotovoltaica. Este circuito é composto por uma fonte de corrente, um díodo e uma carga Z [4].

Figura 2.4 - Circuito elétrico simplificado equivalente a um díodo.

A corrente 𝐼𝐷 que se fecha através do díodo é:

𝐼𝐷 = 𝐼0(𝑒

𝑉

13

A corrente 𝐼 que atravessa a carga é:

𝐼 = 𝐼_𝑆− 𝐼_𝐷 (2.7) 𝐼 = 𝐼𝑆− 𝐼𝐷 = 𝐼𝑆− 𝐼0(𝑒 𝑉 𝑚𝑉𝑇 − 1) (2.8) 𝑉𝑇 = 𝑘𝑇 𝑞 (2.9) onde,

𝐼𝑠: fotocorrente ou corrente gerada pela radiação incidente - fotões (A)

𝐼_𝐷: corrente no díodo - junção p-n (A)

𝐼: corrente que se atravessa pela carga (A)

𝐼₀: corrente inversa máxima de saturação do díodo (A)

𝑉: tensão aos terminais da célula (V)

𝑉𝑇: potencial térmico ou tensão correspondente à temperatura T (V)

𝑚: factor de idealidade do díodo (díodo ideal: 𝑚 = 1; díodo real: 𝑚 > 1)

𝑘: constante de Boltzmann (𝑘 = 1,38 × 10−23_𝐽/𝐾)

𝑇: temperatura absoluta da célula em 𝐾 (0℃ = 273,13𝐾)

𝑞: carga elétrica do eletrão (𝑞 = 1,6 × 10−19𝐶)

a) Curto-circuito exterior

𝑉 = 0 (2.10)

14

𝐼 = 𝐼_𝑆 = 𝐼_𝑆𝐶 (2.12)

O valor da corrente de curto-circuito, 𝐼_𝑆𝐶, é uma característica da célula. Este valor é

fornecido pelo fabricante para determinadas condições de radiação incidente e temperatura.

b) Circuito aberto

𝐼 = 0 (2.13)

𝑉_𝑂𝐶 = 𝑚𝑉_𝑇𝑙𝑛 (1 +𝐼𝑆

𝐼₀) (2.14)

O valor da tensão em circuito-aberto, 𝑉_𝑂𝐶, é uma característica da célula. Este valor é

fornecido pelo fabricante para determinadas condições de radiação incidente e temperatura. O modelo matemático simplificado representado pelo circuito elétrico, visto anteriormente, não é uma representação rigorosa da célula fotovoltaica. Isto, porque, nas células existe uma queda de tensão, que vai desde o circuito até aos contactos exteriores, o que leva à

necessidade de ser representada por uma resistência em série, 𝑅_𝑠. O mesmo para as correntes

de fuga que se representam por resistências em paralelo, 𝑅_𝑝. O circuito elétrico, representado

na Figura 2.5, é composto por uma fonte de corrente, um díodo, duas resistências e uma carga Z [4].

Figura 2.5 - Circuito elétrico equivalente detalhado. onde,

15

𝑅_𝑝: resistência em paralelo

A corrente 𝐼 que se atravessa pela carga é:

𝐼 = 𝐼𝑆− 𝐼𝐷− 𝐼𝑃 = 𝐼𝑆− 𝐼0(𝑒

𝑉+𝑅𝑠𝐼

𝑚𝑉𝑇 _{− 1) −}𝑉+𝑅𝑠𝐼

𝑅𝑝 (2.15)

2.4.4

Características de um Painel Fotovoltaico

A curva característica corrente-tensão (I-V), apresentada na Figura 2.6, representa uma

curva não linear e indica, nas condições standard (radiação 1000𝑊/𝑚2 e temperatura

de 25℃), a mesma forma para qualquer painel fotovoltaico.

Figura 2.6 - Curva I-V de uma célula solar genérica [10].

Um painel fotovoltaico pode ser caracterizado pelos seguintes parâmetros [9]:

 Corrente de curto-circuito (𝐼_𝑠𝑐): corrente máxima que um dispositivo pode produzir,

correspondendo a tensão nula e potência nula;

 Tensão de circuito-aberto (𝑉_𝑜𝑐): tensão máxima que um dispositivo pode produzir

correspondendo a corrente nula e potência nula;

 Ponto de potência máxima (𝑃_𝑚𝑎𝑥): valor máximo de potência que um aparelho pode

produzir, corresponde ao ponto com valor máximo na curva P-V;

 Corrente no ponto de máxima potência (𝐼𝑚𝑎𝑥): valor de corrente para a potência

máxima;

16

A curva característica potência-tensão (P-V), ilustrada na Figura 2.7, mostra a potência disponível à saída do painel FV em função da tensão do painel fotovoltaico. Nesta curva existe um ponto máximo de funcionamento ou também designado ponto de máxima potência (MPP), no qual o seu valor deve estar próximo ao da potência máxima, de modo a garantir a máxima eficiência do painel.

Figura 2.7 - Curva característica P-V de um painel fotovoltaico, adaptado [11].

2.4.4.1 Influência da Radiação Solar e Temperatura

Os fatores ambientais, como a temperatura e a radiação solar, estão diretamente relacionados com a produção de energia elétrica. A eletricidade produzida pelo painel fotovoltaico depende sempre destes dois fatores. Na Figura 2.8, observa-se a influência da radiação incidente nas curvas I-V e P-V e, constata-se que a radiação incidente afeta o valor da intensidade de corrente e potência produzida, isto é, à medida que se aumenta a luminosidade os valores da intensidade de corrente e potência também aumentam. Desta forma, o aumento da radiação incidente nos painéis fotovoltaicos permite atingir melhor rendimento e maior produção de energia elétrica.

17

Figura 2.8 -Influência da curva I-V e P-V com variação da radiação incidente, a uma temperatura constante de 25ºC [12].

A temperatura é um fator muito importante para o rendimento de um painel fotovoltaico. Na Figura 2.9, observa-se a influência da temperatura nas curvas I-V e P-V. Verifica-se que com o aumento da temperatura, a tensão de saída diminui, e os valores de potência também diminuem. Desta forma, conclui-se que, sempre que as temperaturas sejam superiores à temperatura normal de funcionamento, o rendimento dos painéis fotovoltaicos será inferior.

Figura 2.9 - Influência das curvas I-V e P-V com a variação da temperatura, onde MPP representa o ponto de potência máxima, adaptado [11].

18

2.4.5 Interligação de Módulos

A interligação dos módulos fotovoltaicos deve ser realizada com díodos de proteção, tais como díodos de bloqueio e díodos de passagem (by-pass). Para proceder à interligação efetiva dos módulos pode-se recorrer a dois tipos de ligação, em série e em paralelo, em alguns casos verifica-se a interligação conjunta destes dois tipos de ligação.

Na Figura 2.10, constata-se que na ligação em série obtêm-se maiores tensões para a

mesma corrente estipulada do módulo, na ligação em paralelo obtêm-se maiores correntes para a mesma tensão estipulada do módulo [10].

Figura 2.10 - Ligação de células solares fotovoltaicas em série (a) e em paralelo (b), adaptado [10].

2.5 Sistemas Fotovoltaicos

Os sistemas fotovoltaicos são constituídos por um conjunto de painéis fotovoltaicos e equipamentos destinados ao armazenamento da energia produzida, tais como, baterias, inversores e reguladores de carga.

2.5.1 Baterias

Equipamento responsável pelo armazenamento de energia elétrica em corrente contínua, produzida pelos módulos fotovoltaicos.

19

2.5.2 Inversores

Equipamento responsável pela transformação de energia elétrica produzida em corrente contínua para corrente alternada (CA), de acordo com a tensão eficaz e frequência nominal da carga.

Nos sistemas fotovoltaicos ligados à rede o inversor desempenha um papel muito importante, uma vez que, permite entregar à rede toda a potência que produz a cada instante. O inversor, representado na Figura 2.11, é constituído por um seguidor de máxima potência (Maximum Power Point Tracker - MPPT) com o objetivo de colocar o módulo fotovoltaico no ponto de máxima potência. A potência máxima produzida varia, ao longo do dia, com a temperatura e radiação incidente. O MPPT é definido como um conversor eletrónico DC/DC e ajusta a tensão de saída do painel de modo a que o ponto de tensão corresponda à potencia máxima [4].

Figura 2.11 - Inversor Kaco 18.0 TL3 [13].

2.5.3 Reguladores de Carga

Equipamento eletrónico responsável por regular a tensão das baterias, protegendo-as de sobrecargas e descargas. O regulador de carga é devidamente colocado entre o painel fotovoltaico e a bateria. Por outro lado, o regulador de carga permite parar de carregar a bateria, sempre que esta apresente valores superiores ao estipulado ou ao valor máximo admissível e, impedir que a mesma descarregue em demasia [9, 14].

20

2.5.4 Tipos de Sistemas Fotovoltaicos

Os sistemas fotovoltaicos podem entregar à rede a energia elétrica que produzem e alimentar cargas em rede isolada. Assim, estes sistemas são classificados em sistemas ligados à rede e em sistemas isolados ou autónomos.

Os sistemas ligados à rede permitem entregar a totalidade de energia produzida pelos painéis fotovoltaicos à rede elétrica. Estes sistemas podem ser centralizados ou distribuídos. Os sistemas centralizados fornecem unicamente a energia à rede e os sistemas distribuídos fornecem a energia à rede e a cargas. Por outro lado, necessitam de pouca manutenção, uma vez que, não utilizam baterias nem reguladores de bateiras [9, 14].

Os sistemas isolados ou autónomos permitem armazenar energia, de modo a compensar as diferenças entre a produção e a procura de energia para o funcionamento dos equipamentos. São utilizados em locais onde o acesso à rede elétrica apresentam custos elevados [9].

2.6 Seguidores Solares

De forma a maximizar a captação da energia solar os seguidores solares, que servem de estrutura de suporte aos painéis fotovoltaicos, orientam a sua posição ao longo do dia em função da posição do Sol. Uma das vantagens associadas ao uso de seguidores solares é o aumento de produção de energia.

Os seguidores solares para serem eficazes não necessitam de estar a apontar diretamente para o Sol.

Segundo [15], a energia produzida ao longo do dia para uma instalação fixa fotovoltaica é mais baixa do que para uma instalação com um sistema de seguimento solar de dois eixos. Na Figura 2.12 constata-se que os painéis solares instalados com sistemas de seguimento solar de dois eixos recebem mais radiação solar e, consequentemente produzem mais energia durante o dia. O rendimento aumentou cerca de 40% em comparação com a instalação fixa de painéis solares. Verifica-se, ainda, que na instalação fixa há uma evolução gradual de energia, isto é, aumenta gradualmente até atingir um pico, por volta do meio-dia e, em seguida, volta a diminuir gradualmente. Por outro lado, na curva a verde verifica-se que a produção de energia aproxima-se da potência máxima desde o início da manhã, mantendo-aproxima-se, assim, até ao final da tarde.

21

Figura 2.12 - Comparação da energia produzida entre um sistema fixo e um sistema de seguimento de 2 eixos,

adaptado [15].

Os seguidores solares podem ser classificados quanto à forma como estão estruturados e quanto ao número de eixos de rotação. Assim, os seguidores solares podem ser de dois tipos, passivos e ativos [16].

2.6.1 Seguidores Passivos

Os seguidores solares passivos baseiam-se no deslocamento de um fluido do tipo Freon. Este fluido, normalmente na forma gasosa, é aquecido pela energia solar e varia em função da temperatura. O aumento da temperatura está associado ao aumento do volume do gás, variando de forma proporcional, isto implica que, sempre que se verifique um aumento da temperatura, o volume do gás também vai aumentar, levando a que os painéis solares se orientem em função da posição do Sol ao longo do dia, como se ilustra na Figura 2.13 [5].

22

Figura 2.13 - Mecanismo de funcionamento do sistema de seguimento solar passivo [16].

2.6.2 Seguidores Ativos

Os seguidores solares ativos são sistemas mecânicos que usam como recurso a energia elétrica. Este tipo de seguimento solar utiliza sensores ou algoritmos baseados no movimento do Sol, ao longo do dia. Em relação ao movimento do eixo, estes seguidores solares classificam-se como: classificam-seguidor polar de eixo único, classificam-seguidor de eixo horizontal, classificam-seguidor de eixo vertical e seguidores de dois eixos [5].

2.6.2.1 Seguidor Polar de Eixo Único

Este tipo de seguidor baseia-se num único eixo fixo a um ângulo, que normalmente representa a latitude do local da instalação e, em dois sentidos de rotação, Norte-Sul (N-S), como se ilustra na Figura 2.14. A rotação do eixo é realizada em função da direção dos raios solares, com o objetivo de garantir que o painel fotovoltaico fique perpendicular ao Sol, nos equinócios da primavera e outono. Nos restantes dias do ano, verão e outono, existe uma pequena margem para erros, devido ao modo de incidência da radiação solar [17].

23

Contudo, estes seguidores são mais simples e mais eficientes quando comparados com sistemas fotovoltaicos fixos. Por outro lado, este sistema de seguimento solar representa uma produção próxima dos 95% em relação a um sistema de seguimento a dois eixos [18].

Figura 2.14 -Modelo de um seguidor polar de eixo único [19].

2.6.2.2 Seguidor de Eixo Horizontal

O seguidor de eixo horizontal roda sobre um eixo horizontal N-S e Este-Oeste (E-W), como se ilustra na Figura 2.15 e, tem como objetivo ajustar a posição do painel através do seguimento sazonal do Sol. A instalação do painel é realizada paralelamente ao eixo de rotação. Estes seguidores caracterizam-se por serem muito simples, com uma instalação muito económica e que necessitam de pouca manutenção. Ao mesmo tempo, são capazes de suportar um grande número de painéis de forma a aumentar a eficiência do sistema [17].

24

Figura 2.15 -Modelo de um seguidor de eixo horizontal [19].

2.6.2.3 Seguidor de Eixo Vertical ou de Azimute

O seguidor de eixo vertical, representado na Figura 2.16, baseia-se num eixo vertical que roda através de uma base fixa, de modo a que o azimute da superfície do painel fotovoltaico (com inclinação constante) esteja sempre de acordo com o azimute do Sol. Este tipo de seguidor consegue absorver mais 4% de radiação do que um seguidor polar e menos 7% de radiação que um seguidor de dois eixos, estes factos, indicam que este tipo de seguidor é mais robusto, apresenta maior facilidade de implementação e é, atualmente, o mais utilizado [17].

25

2.6.2.4 Seguidor de dois Eixos

Os seguidores de dois eixos apresentam um eixo de rotação E-W e um eixo de rotação N-S, como se ilustra na Figura 2.17. Deste modo, o seguidor solar de dois eixos segue a posição do Sol diariamente e em qualquer estação do ano, sempre com um posicionamento ótimo em relação ao Sol, isto é, com a superfície recetora do seguidor solar perpendicular ao Sol, de modo a rentabilizar ao máximo a captação de energia solar [18]. O facto de apresentarem dois eixos de rotação implica que o sistema seja mais complexo e mais caro em termos de aquisição e manutenção. Este tipo de seguidor pode subdividir-se em três tipos, tais como, seguidor polar de dois eixos, seguidor de plataforma rotativa de dois eixos e seguidor de trajetórias paralelas [17].

Figura 2.17 -Modelo de um seguidor solar de dois eixos [19].

2.6.2.4.1 Seguidor Polar de dois Eixos

Este seguimento consiste num poste vertical com um eixo de rotação E-W e num poste horizontal com um eixo de rotação N-S. Atualmente, estes seguidores são os mais comuns e os mais versáteis, uma vez que, são utilizados em parques fotovoltaicos e instalações de pequenas e grandes dimensões [17].

26

2.6.2.4.2 Seguidor de Plataforma Rotativa de dois Eixos

É um tipo de seguidor robusto e consegue, simultaneamente, coordenar um elevado número de painéis, por outro lado, necessita de mais manutenção. Em relação à sua constituição, este é constituído por uma plataforma sobre o qual o painel irá rodar, de modo a seguir os movimentos do Sol, nos sentidos E-W e N-S. O seguimento N-S utiliza um eixo hidráulico de modo a variar a inclinação do painel [17].

2.6.2.4.3 Seguidor de Trajetórias Paralelas

Estes tipos de seguidores são usualmente utilizados em telhados de edifícios e fachadas e, baseia-se em trajetórias paralelas que exige um estudo muito complexo. Por outro lado, este mecanismo encontra-se pouco desenvolvido e pouco utilizado no terreno, mas tem como objetivo reduzir a complexidade do sistema em termos de número e de componentes necessários para a instalação e melhorar o rendimento do seguidor solar. Os elementos utilizados para a construção deste sistema são muito simples e necessitam de pouca manutenção [20].

2.7 Sistemas de Controlo para Seguidores Solares

O controlo de um sistema de seguimento solar pode ser efetuado em malha aberta ou em malha fechada, com auxílio de sensores ou algoritmos baseados na determinação da posição do Sol. O controlo em malha aberta é definido como um sistema que não possui realimentação, isto é, a entrada não depende da saída. O controlo em malha fechada necessita de uma realimentação, ou seja, é necessário conhecer a saída, compará-la com um valor de referência e corrigir a saída, caso esta apresente valores diferentes dos pré-definidos.

Os principais sistemas de seguimento baseiam-se em dois tipos de controlo: controlo com sensores e sem sensores [21].

27

2.7.1 Seguimento com Sensores

Com o objetivo de determinar a posição do sol, estes seguidores utilizam foto-sensores, foto-transístores e foto-díodos [21, 22].

2.7.1.1 Seguimento com Foto-Sensores

O seguimento através de foto-sensores é realizado em malha fechada. O princípio de funcionamento deste tipo de seguimento consiste na colocação de foto-sensores nos extremos do painel fotovoltaico, com o objetivo de verificar variações do valor obtido pelos sensores, segundo a variação da incidência da radiação solar. Quando se verifica uma diferença nos valores apresentados pelos sensores, significa que o ângulo de incidência do Sol não se encontra perpendicular ao painel, levando ao acionamento dos atuadores, de modo a que o seguidor solar fotovoltaico rode em função da posição correta [22].

2.7.1.2 Seguimento com Visão Artificial

De forma a determinar a posição do Sol, este tipo de seguimento consiste no uso de câmaras de filmar e, por sua vez, no uso de algoritmos mais complexos. O princípio de funcionamento deste tipo de seguimento consiste, inicialmente, por definir um ponto central no campo de visão da câmara de filmar e, seguidamente, o algoritmo irá manter o Sol centrado nesse ponto. O objetivo deste seguimento solar consiste em controlar a posição do Sol segundo um ponto de referência.

Este seguimento apresenta grande resolução e precisão, insensibilidade ao ruido, sujidade e outras causas de degradação, grande número de algoritmos de deteção e identificação e uma grande visão periférica. Por outro lado, como qualquer sistema de seguimento, também apresenta desvantagens, como, maiores cuidados para proteger a câmara de modo a evitar que esta se danifique ou sature [5].

28

2.7.2 Seguimento sem Sensores

O seguimento sem sensores é realizado em malha aberta, através do uso de algoritmos, de modo a calcular as coordenadas solares. Existem alguns grupos de algoritmos que podem ser utilizados neste tipo de seguimento, que dependem, principalmente, da complexidade de implementação. O primeiro grupo utiliza expressões simples, onde apenas é necessário saber o dia do ano. O segundo grupo calcula a posição precisa do Sol, através do conhecimento da latitude, longitude e horário da localização do painel solar, sendo traduzidas em coordenadas solares, como azimute solar e altura solar. Recentemente, surgiu na literatura, um novo grupo designado SPA (Solar Position Algorithm), baseado num algoritmo mais preciso ao nível do posicionamento solar. O algoritmo SPA tem como objetivo determinar a posição do Sol através da utilização de um ou mais painéis fotovoltaicos e realizar o seguimento solar numa determinada zona. A determinação deste algoritmo requer fórmulas matemáticas complexas baseadas na ciência astronómica [23].

2.8 Fatores que Influenciam o Desempenho dos Sistemas FV

2.8.1 Recurso Solar e Irradiância

A disponibilidade do recurso solar é muito importante, na medida em que determina o sucesso de qualquer instalação fotovoltaica. Se a instalação estiver bem concebida, com a correta orientação dos seguidores solares e se as condições meteorológicas forem as mais favoráveis então a produção fotovoltaica será mais favorável e eficiente. Outro fator importante a analisar e que contribui para o desempenho de um seguidor solar é a irradiância, esta define-se como a energia recebida por unidade de área e unidade de tempo [18].

2.8.2 Sujidade

A sujidade é um fator muito importante no que se refere ao desempenho do seguidor solar. A acumulação de terra e folhas nos módulos fotovoltaicos irá provocar menor incidência de radiação solar no painel FV e consequentemente menor produção de energia elétrica. Um

29

dos aspetos com maior importância na manutenção é a limpeza da superfície dos módulos fotovoltaicos. Segundo [24], as perdas por sujidade nos módulos podem representar cerca de 70% das perdas totais. Estas perdas, devido à sujidade, dependem da localização em que se encontram os painéis, com sistemas de seguimento solar.

2.8.3 Temperatura e ação do vento

Estando as células fotovoltaicas expostas aos raios solares, a tendência é, com o decorrer do dia, aquecerem, daí a importância do fator temperatura. Uma parte da incidência solar absorvida não se transforma em energia elétrica, mas dissipa-se em forma de calor [25]. O aumento da temperatura ambiente implica uma diminuição da tensão de saída e da potência do painel fotovoltaico.

A temperatura dos módulos fotovoltaicos é proporcional à temperatura ambiente e à irradiância no plano e depende da velocidade e direção do vento e humidade do ar [24]. Segundo [26] a circulação do vento numa central fotovoltaica está condicionada pela presença dos próprios seguidores solares. A redução da ação do vento da periferia para o interior de uma central fotovoltaica é condicionada essencialmente pela densidade (razão entre a área que os seguidores ocupam e a área total da central) e a disposição relativa dos seguidores solares.

2.8.4 Sombreamento

O sombreamento de módulos fotovoltaicos tem como consequências perdas no sistema solar fotovoltaico. A existência de um módulo sombreado implica menor desempenho. Este sombreamento que resulta em perdas não está, sempre, relacionado com condições meteorológicas, isto é, em alguns casos a própria disposição das filas em que se encontram os módulos inclinados acaba por provocar o sombreamento das filas seguintes, isto se as filas estiverem muito próximas umas das outras. Uma maneira de evitar estas perdas adicionais é afastar os módulos entre si [24, 27].

A distância entre fileiras é um parâmetro muito importante que influencia diretamente o rendimento dos sistemas fotovoltaicos. Esta distância, D, pode ser calculada pela expressão (2.16):

30

𝐷 = 𝐿 (𝑐𝑜𝑠𝛼 +𝑠𝑒𝑛𝛼

𝑡𝑔𝛽) (2.16)

onde,

𝐿: comprimento do módulo fotovoltaico; 𝛼: inclinação do módulo;

𝛽: ângulo da altura mínima do sol.

A Figura 2.18, representa um esquema de montagem dos painéis FV, tendo em conta a distância entre fileiras. O ângulo da altura mínima do sol no solstício de inverno, determina o afastamento máximo entre fileiras, de modo a evitar o afastamento entre as mesmas.

Figura 2.18 - Distância entre fileiras, adaptado [24].

2.8.5 Avarias e desgaste nos equipamentos

Existem avarias nos seguidores solares que afetam normalmente as células fotovoltaicas. Acontecimentos como infiltrações de água no seguidor provocam o curto-circuito ou quebra de células fotovoltaicas. Quando existe quebra de células, dá-se a interligação da série de células e, consequentemente, o seguidor, passa a estar em circuito aberto, isto é, o conjunto de módulos fotovoltaicos deixa de estar conectado ao sistema. Uma forma de evitar este problema é a utilização de painéis díodos de by-pass, que têm com objetivo retirar as células

31

de serviço, fazendo passar a corrente de um conjunto de células para outras sem que esta passe pelas que estão avariadas [28].

Problemas de isolamento acontecem na maioria dos casos por deterioração do invólucro do painel do seguidor solar devido a falhas mecânicas, produzidas por envelhecimento, vibrações, exposição a raios ultravioleta, uso prolongado e exposição a descargas atmosféricas (sobretensões). Estes problemas de isolamento resultam nos problemas mais comuns, correntes de curto-circuito [24].

Além das avarias, os equipamentos também estão sujeitos ao desgaste. Este resulta de uma reação física ou química da carga interna do equipamento e, ocorre devido à:

 Idade;  Fadiga;  Corrosão;  Deformação.

Por outro lado, além destes fatores que influenciam o desempenho dos sistemas fotovoltaicos existem outros procedimentos que devem ser tomados de modo a evitar problemas associados ao uso dos equipamentos dos sistemas fotovoltaicos. Estes procedimentos poder ser vistos com mais detalhe no Anexo A.

2.9 Conclusões

Para uma melhor compreensão dos sistemas fotovoltaicos disponíveis no mercado, ao longo deste capítulo foi apresentada informação relativa à energia solar fotovoltaica, aos painéis fotovoltaicos e de que modo a temperatura ambiente e a radiação incidente influenciam o rendimento dos mesmos. Foram abordados os principais tipos de seguidores solares existentes e respetivos métodos de seguimento solar. Por fim, referiram-se quais os fatores que afetam o desempenho energético dos sistemas fotovoltaicos.

32

O objetivo principal foi o de compreender quais os parâmetros e características envolvidas nos diferentes sistemas fotovoltaicos existentes (fixo e seguidor solar), para numa fase posterior proceder à sua análise e avaliação quantitativa.

33

Capítulo 3 - Software de Simulação de

Sistemas Fotovoltaicos

3.1 Enquadramento

Atualmente, são vários os software existentes de simulação para estimar a produção de energia elétrica a partir da conversão fotovoltaica. Dependendo da escolha do software, adequada a cada situação, geralmente estes visam projetar, dimensionar e simular um sistema fotovoltaico. Por sua vez, estes programas informáticos são essenciais para avaliar a configuração de um sistema, observar os efeitos da alteração de parâmetros de operação e, estimar antecipadamente o desempenho do sistema, com alguma precisão.

Na maioria das aplicações informáticas é necessário que o utilizador tenha em conta os seguintes passos, de modo a obter uma simulação mais precisa:

 Definir a configuração do sistema a simular;  Selecionar o local da instalação.

Em relação à base de dados meteorológicos, este trabalho é facilitado ao utilizador, devido a estes simuladores apresentarem uma extensa base de dados meteorológicos de todo o mundo.

De modo a compreender o funcionamento das aplicações informáticas existentes, de seguida realiza-se uma breve abordagem sobre os mesmos. Posteriormente, será selecionado o

34

analisados no capítulo seguinte, mais adequado para a realização de uma simulação de produção de energia elétrica.

3.2 Photovoltaic Geographical Information System (PVGIS)

 Localização do sistema fotovoltaico;

 Tipo de módulos (Silício cristalino ou de película fina);

 Potência nominal do sistema fotovoltaico (potência de pico dos painéis fotovoltaicos);

 Estimativa de perdas do sistema;  Inclinação dos módulos fotovoltaicos;  Azimute dos módulos fotovoltaicos.

Após preenchimento de todos os campos, gera dados de energia elétrica e irradiação, segundo uma inclinação ótima e azimute escolhido ou inclinação escolhida pelo utilizador e azimute ótimo [29].

3.3 Photovoltaic System (PVSyst)

É um software de simulação fotovoltaica, em constante desenvolvimento pela Universidade de Genebra na Suíça, que permite estudar, dimensionar e simular um sistema fotovoltaico, com precisão em horas. Além disso, é das aplicações informáticas mais completas e mais utilizadas, atualmente. Este software permite realizar diversas tarefas, como:

 Estudo da estimativa de produção de energia;

 Conceção do projeto, estudo detalhado, dimensionamento e simulação horária;  Dados meteorológicos e de componentes (base de dados);

35

 Ferramenta 3D, que tem em conta as limitações de objetos que possam criar sombras sobre os painéis fotovoltaicos;

 Comparação de resultados obtidos por simulação e medidos.

Além disso, é composto por ferramentas especializadas, importantes para a avaliação de perdas, desfasamento entre módulos, sujidade, comportamento térmico de acordo com a montagem dos painéis, indisponibilidade do sistema [30].

3.4 System Advisor Model (SAM)

Este software foi desenvolvido pelo NREL (National Renewable Energy Laboratory) em conjunto a Sandia National Laboratory em 2005 e permite analisar o desempenho e calcular o custo e estimativas de energia, para sistemas ligados à rede, com base em parâmetros, como:

 Localidade;

 Dados meteorológicos;  Tipos de células;

 Custos de instalação e funcionamento;  Financiamento.

Desta forma, é possível analisar, detalhadamente ou de modo geral, as caraterísticas de desempenho do sistema através da visualização de tabelas e gráficos ou através da produção total do sistema [31].

3.5 Photovoltaic Software PV*SOL

Software de simulação dinâmica com visualização 3D para a conceção e otimização de

sistemas fotovoltaicos, que permite uma análise com sombreamento detalhado de sistemas fotovoltaicos conectados à rede elétrica ou montado integrado no telhado, com sistemas de armazenamento. A visualização em 3D fornece informações detalhadas de sombras em vários momentos do dia e do ano e, sobre a probabilidade de redução de rendimento. Além disso, prevê a temperatura do módulo e a temperatura exterior [32].

36

3.6 Polysun Simulation Software

Software de simulação ideal para projetos de sistemas solares térmicos, fotovoltaicos,

bombas de calor e sistemas combinados. Por sua vez, permite realizar:  Simulações múltiplas e estudos automáticos de sensibilidade;

 Comparação facilitada entre as fontes de energia convencionais e renováveis;  Simulação de módulos fotovoltaicos.

Esta ferramenta permite prever o rendimento de um sistema, através da inclusão de dados meteorológicos do mundo inteiro e de sombreamento topológico, tornando, assim, este programa seguro e confiável para os utilizadores [33].

3.7 Software

RETScreen

Clean

Energy

Management

(RETScreen)

Software de gestão de energia limpa desenvolvido pelo governo do Canadá, que permite

analisar projetos de energia limpa, baseado no Excel. Tem como objetivo principal ajudar a determinar a viabilidade técnica e económica da implementação de energia renovável, eficiência energética e produção combinada de energia elétrica e calor. Deste modo, visa criar modelos de projetos de energia convencional e compará-los com alternativas mais limpas.

Contudo, inclui uma análise energética, análise de custos, análise de emissões, análise financeira e análise de sensibilidade/risco [34].

3.8 Comparação entre Software

Segundo [35], os dados de energia elétrica estimados através do software PV*SOL, nos meses de janeiro, fevereiro e março, aproximam-se dos valores reais de energia elétrica produzida, enquanto que nos meses quentes onde existe maior radiação é o simulador PVGIS que faz uma estimativa mais precisa.