Autor(es): Igor Ferreira do Prado, Taís Mirele F. da Silva, Marcelo Bento Pisani e Rodrigo Dórea da Silva, da UESC
Este artigo analisa os aspectos que influenciam o rendimento global de um sistema de geração de energia elétrica fotovoltaica que visa alimentar uma residência padrão. O projeto focou o dimensionamento eficiente do sistema fotovoltaico e novas formas de alocação variável da angulação dos painéis solares ao longo do ano por meio de cálculos que consideram a inclinação do Sol no decorrer dos meses. A partir disso, propôs-se a divisão do ano em duas partes, com diferentes angulações, a fim de aumentar a potência máxima gerada.
A elevação de temperatura, que influencia a capacidade de geração de energia elétrica, também foi avaliada. Além disso, o dimensionamento da carga suficiente para atender o consumo da casa levou à constatação da necessidade de um sistema de armazenamento de energia composto por quatro baterias.
O trabalho foi desenvolvido em etapas: dimensionamento do sistema de geração e armazenamento de energia; cálculos de posicionamento; e teste de eficiência.
O projeto incluiu o estudo de assuntos relacionados ao aproveitamento da energia solar para geração de energia elétrica, bem como aspectos gerais do funcionamento de sistemas fotovoltaicos isolados e de características que influenciam seu rendimento (como o posicionamento do painel fotovoltaico e efeito da temperatura), além do dimensionamento. A figura 1 ilustra um sistema solar fotovoltaico off-grid ou autônomo [1].
Foi calculada a energia consumida por uma casa ocupada por três pessoas (tabela I), a fim de dimensionar a capacidade do banco de baterias, cuja função é suprir o consumo em caso de queda ou falta de energia (em decorrência do tempo nublado, chuvoso ou sombreamento). Para calcular a energia consumida diariamente (Ec), multiplicou-se a quantidade de eletrodomésticos (X) pela potência média de cada um (P) e pelo tempo de uso diário (T), conforme equação 1. Para obter o consumo mensal (Ecm), multiplicou-se o consumo diário (Ec) pelos dias de uso mensal (Y), conforme equação 2.
A partir disso, pode-se calcular a energia produzida pelos módulos fotovoltaicos, a potência através do método da insolação e o dimensionamento do banco de baterias, bem como a quantidade de painéis fotovoltaicos a serem usados no sistema.
A tabela II mostra o cálculo da energia produzida (Ep) pelos módulos fotovoltaicos, adotando-se o método da insolação, através da potência já estabelecida pelo equipamento, com valor prévio de 205 W e área de 1,455 m2, obtendo-se eficiência (hm) de 14,0893% (equação 3). Considerando a insolação diária da região do Sul da Bahia, obtida do Atlas de energia elétrica do Brasil fornecido pela Aneel [1], calcula-se a energia produzida pelo painel (Ep) (equação 4).
A equação 5 calcula o número de baterias em série. Já a capacidade do banco de baterias (Cbanco) é dada pela equação 6, através da energia armazenada (Ea) dividida pela tensão do banco (Vbanco). A energia armazenada foi obtida utilizando o valor da energia consumida (Ec) encontrado na tabela III, 2486,7Wh, dividido pela profundidade de descarga da bateria, correspondente a 50%, conforme equação 7. Também foi calculado o número de baterias para um conjunto em paralelo, dividindo-se a capacidade de carga do banco de baterias (Cbanco) pela capacidade do banco de cada bateria (Cbat), conforme equação 8.
Para encontrar o número de painéis necessários para o sistema, dividiu-se a energia diária consumida no sistema (Ec) (tabela III) pela energia diária produzida por cada módulo (Ep) (tabela IV). Veja a equação 9.
Partindo do pressuposto que o consumo diário é de 2486,7 Wh, verifica-se que dois módulos não são suficientes para gerar a energia necessária para a residência. Logo, devem ser utilizados três módulos, resultando em um excedente de 652,17 Wh.
Visando melhor aproveitamento do sistema de geração, foram avaliados o posicionamento e o ângulo de inclinação dos módulos. No caso do ângulo de inclinação, foi realizada primeiramente uma análise local/regional do posicionamento do Sol e das taxas de radiação solar incidente para localização adequada, com o intuito de maximizar a produção de energia elétrica e melhorar a eficiência desses equipamentos.
Atualmente, o posicionamento de módulos fotovoltaicos é realizado através de tabelas que relacionam a posição geográfica (latitude/longitude) visando uma angulação média de inclinação. Os módulos, neste caso, são fixos - na região sul da Bahia, por exemplo, utiliza-se inclinação fixa de 14°. A melhor maneira de instalar um módulo solar fixo é orientar sua face para o norte geográfico, que corresponde ao ângulo azimutal (ângulo de orientação dos raios solares em relação ao norte geográfico).
A fim de elevar a eficiência global do sistema, o projeto analisou os ângulos de inclinação dos módulos solares. Como o ângulo de altura do Sol possui grande variação ao longo das estações do ano, sendo essa altura maior nos dias de verão, determinaram‐se dois ângulos para a inclinação dos painéis, observando sua variação no período de verão‐primavera e outono‐inverno, e obtendo os ângulos para o horário de maior incidência de luz solar. O ângulo alfa calculado (ângulo de inclinação) permite que os raios solares incidam perpendicularmente à superfície do módulo, maximizando a captação da radiação solar direta.
No site Solar Topo [2], obteve-se o ângulo zenital correspondente à altura solar para todos os meses do ano em um dia fixo, e nos horários em que os picos de incidência de luz são maiores, e a latitude local. Devido à grande variação do ângulo de inclinação nos meses, foram calculadas uma média anual e a inclinação em dois períodos do ano (verão‐primavera, que compreende os meses de abril a setembro, e outono‐inverno, que abrange de outubro a março) (veja tabela V).
Em seguida, utilizaram‐se quatro ângulos, que foram parametrizados para simulação em bancada de laboratório: zero grau para a média anual calculada de 18,72o; 5° referente à diferença entre a média anual e o ângulo de inclinação da latitude local (no caso, 14°); 7°, aproximadamente, referente à diferença entre o ângulo de inclinação calculado para o ano e a média verão‐primavera; e 16° referente à média outono‐inverno.
Resultados e di scussões
Após a execução das medidas de tensão, corrente e temperatura, foram gerados gráficos para analisar as curvas de corrente/tensão (I x V) e potência/tensão (P x V) e identificar as angulações que elevaram a eficiência do módulo solar e os parâmetros físicos que impossibilitaram as angulações capazes de fornecer melhor eficiência.
O melhor aproveitamento da energia solar ocorre quando os raios incidem perpendicularmente ao módulo [3], ou seja, com um ângulo de inclinação igual a zero grau. Desta forma, foram utilizadas as medidas com inclinação de zero grau para analisar os efeitos de temperatura e irradiância sobre o módulo solar.
A figura 2 mostra todas as curvas de posicionamento (ângulos 0°,5°, 7° e 16°) para I x V em temperatura monitorada de 25° a 30°C. A curva que apresenta melhor rendimento é a de inclinação de zero grau, ou seja, quando o sol se posiciona perpendicularmente ao módulo. No experimento, foi utilizada placa composta por quinze lâmpadas incandescentes para simular o efeito de radiação solar.
A figura 3 apresenta a curva P x V para os diferentes ângulos calculados. Nota‐se que a curva que apresenta melhor desempenho é a de inclinação de zero grau. Já a figura 4 mostra a curva I x V para o ângulo de zero grau com temperaturas de monitoramento de 25°~30°C e 65°C, com o objetivo de analisar o efeito da temperatura sobre o módulo fotovoltaico, uma vez que ela tem influência na tensão dos terminais e, consequentemente, na potência fornecida.
Por fim, a figura 5 apresenta a curva P x V em diferentes temperaturas a uma mesma angulação. As tensões são maiores para temperaturas mais baixas e menores em temperaturas mais altas. A corrente fornecida pelo módulo não se altera com a temperatura, como mostra a figura. A potência é o produto da tensão e da corrente do módulo; quando a temperatura aumenta, a potência fornecida diminui [3].
Os resultados indicam que o posicionamento do módulo solar influencia seu rendimento e eficiência. As análises feitas anteriormente apontam que os fatores ambientais que alteram significativamente a eficiência do equipamento são temperatura e variações angulares.
Os resultados obtidos foram satisfatórios, uma vez que foi atingida melhor eficiência do módulo com seu posicionamento perpendicular ao Sol, isto é, com ângulo de inclinação igual a zero grau. Portanto, foi validado em laboratório que o método de alocação dos módulos fotovoltaicos proposto é eficiente, visto que possibilitou maior geração de energia quando comparado à técnica convencional de posicionamento utilizando apenas a latitude do local.
[1] Atlas de energia elétrica do Brasil/Agência Nacional de Energia Elétrica. 2. Ed. – Brasília: Aneel, 2005. 243 p.: il.
[2] Solar Topo. Dom calculadora posição – Azimute e Zenith. Disponível em: http://www.solartopo. com/posicao‐do‐sol.htm. Acesso em 4 de novembro de 2015.
[3] Villalva, M. G.; J. R. Gazoli: Energia Solar Fotovoltaica: conceitos e aplicações. Editora: Érica. 2012. São Paulo.