ESTUDO DA INFLUÊNCIA DA POSIÇÃO DE PAINEIS SOLARES NA GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA

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1 ESTUDO DA INFLUÊNCIA DA POSIÇÃO DE PAINEIS SOLARES NA GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA Naira Cunha Costa 1, Edilson Alexandre Camargo 2 1 Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA), Ciência e Tecnologia Espacial, São José dos Campos, Brazil naira.cunha@gmail.com 2 Instituto de Aeronáutica Espaço (IAE),Divisão de Integração e Ensaios (AIE), São José dos Campos, Brazil edilsoneac@iae.cta.br Resumo-.Este artigo apresenta um estudo da influência do posicionamento de painéis solares na geração de energia elétrica. Sua relevância está em oferecer o melhor aproveitamento dos recursos naturais por meio da busca de estratégias de posicionamento dos painéis fotovoltaicos. Dessa forma, o painel solar utilizado foi posicionado de três modos distintos: 1) Fixo em relação ao plano horizontal; 2) Fixo inclinado 23 graus ao norte (de acordo com a Latitude de São José dos Campos SP) ; 3) Móvel, movimentando-se 15 graus a cada uma hora para acompanhar a trajetória aparente do Sol. Para o melhor entendimento dos dados obtidos, foram desenvolvidas, com o auxilio do software MATLAB, rotinas utilizadas para traçar curvas, para calcular a energia gerada no dia pelo painel e para mostrar os resultados comparativos. Os gráficos obtidos permitem avaliar o desempenho do painel solar fotovoltaico nas diferentes situações propostas; e, ao se integrar as curvas de potência, é possível encontrar o valor real do ganho do painel fotovoltaico móvel em relação ao painel fotovoltaico nas posições inclinada a 23 graus ao norte e fixa em relação ao plano horizontal. Palavras-chave: Painel solar fotovoltaico móvel; posicionamento, radiômetro; curva de potência; célula solar Área do Conhecimento: Engenharia Elétrica Introdução Ao levantarmos o tema energia renovável, vários recursos alternativos vem a tona, tais como: energia eólica, hidráulica e, principalmente abordada neste trabalho, a energia solar. As propostas para a utilização da energia solar na produção de energia elétrica são bem antigas, e não muito usadas inicialmente; uma vez que os recursos eram excessivamente caros e essa tecnologia ainda estava em processo de desenvolvimento. A partir da década de 50, esse quadro começou a mudar significativamente devido aos avanços tecnológicos na área de materiais semicondutores. A partir daí, em poucos anos, a energia solar fotovoltaica firmou-se como o meio mais confiável e barato até mesmo para a alimentação elétrica de satélites artificiais. A tecnologia utilizada para a conversão da energia solar em energia elétrica está baseada no efeito fotovoltaico. O efeito fotovoltaico consiste na criação de uma força eletromotriz, a partir da absorção de energia eletromagnética por um dispositivo formado por meio da junção de duas camadas de materiais com características eletrônicas distintas. Tal dispositivo é normalmente denominado de célula solar ou célula fotovoltaica. Atualmente, devido aos baixos custos de produção e altos níveis de confiabilidade atingidos, células solares são normalmente utilizadas em calculadoras e relógios digitais alimentados por energia luminosa, como também em áreas rurais não servidas por linhas de transmissão de energia elétrica, tais como sistemas de irrigação, bombeamento de poços artesianos e até instalação de algumas dezenas de quilowatts, que alimentam pequenas comunidades. Este trabalho tem como objetivo principal o estudo da influência da posição de painéis solares na geração de energia elétrica. Sua relevância está em oferecer um maior aproveitamento dos recursos naturais por meio do melhor, sendo assim, foi feito o posicionamento do painel solar fotovoltaico de três modos distintos. 1) Fixo em relação ao plano horizontal; 2) Fixo inclinado 23 graus ao norte (de acordo com a Latitude de São José dos Campos SP) e 3) Móvel, movimentando-se 15 graus a cada uma hora para acompanhar a trajetória aparente do Sol. Metodologia A metodologia adotada para a avaliação da proposta baseia-se na modelagem e em medidas realizadas em campo para comparação entre o 1

2 funcionamento de um sistema fotovoltaico fixo e um sistema fotovoltaico móvel que acompanham a trajetória aparente do Sol, conforme o movimento da Terra. O local utilizado para a instalação e desenvolvimento do sistema experimental foi a cidade de São José dos Campos, estado de São Paulo, nas dependências do IAE Instituto de Aeronáutica e Espaço, com localização geográfica definida pelas coordenadas Latitude Sul (S) e 45.8 Longitude Oeste (W), com altitude de 600m acima do nível do mar. O módulo fotovoltaico utilizado no experimento foi da SuntechPower Modelo: STP00512IMC, composto por 36 células de silício policristalino, que pode ser visto na Figura 1. Especificações do Painel Solar Utilizado: Potência de pico: 5W Máxima corrente de potencia: 0.3A Máxima tensão de potencia: 16.8V Corrente de Curto Circuito: 0.39A Tensão de Curto Circuito: 21V Temperatura de Operação Nominal: 50 C Máxima tensão do sistema: 600V dimensão: 265x265x3.2mm Resistencia ao vento: 2400 Pascal. desenvolvidos e anodizados no LAS/ INPE, o elemento sensor foi desenvolvido no LME/USP e foi montado na Orbital Engenharia Ltda. Figura 2 Radiômetro fotovoltaico - vista frontal Figura 3 Radiômetro fotovoltaico vista lateral. Figura1 Painel Solar Fotovoltaico O radiômetro utilizado neste trabalho foi desenvolvido no INPE. Ele é composto, basicamente, por duas partes: o corpo principal e a base. No corpo principal ficam alojados o elemento sensor e o difusor; a base é o local onde o corpo principal é fixado. O elemento sensor utilizado é uma célula solar de silício monocristalino convencional de uso terrestre e apresenta dimensões de 18 x 18 mm com área ativa de 15,5 mm x 15,5 mm. As Figuras 2 e 3 mostram o radiômetro fotovoltaico utilizado no experimento. O radiômetro tem uma estrutura de alumínio anodizado e tingido. Seu difusor e estrutura foram Para a aquisição dos dados experimentais gerados pelo sensor radiômetro foi utilizado o software Pulse Reflex, da Bruel e Kjaer. Este software é uma ferramenta de aquisição e de análise de dados que permite editar, configurar modos, filtrar e analisar os dados adquiridos. O radiômetro foi configurado com o software Pulse Reflex e os dados experimentais do painel solar foram coletados a cada segundo, permitindo assim uma análise mais precisa dos resultados. Em seguida, foi gerada uma tabela em formato.txt (Tabela 1) que será utilizada junto com a ferramenta MATLAB para a geração dos gráficos e análises que serão apresentadas nos resultados. A partir da Tabela 1 é possível verificar informações importantes para a implementação dos dados e geração das curvas de radiação. Informações como: o número de linhas do cabeçalho, a versão do software de aquisição de dados utilizado (PULSE LabShop v

3 ), os formatos em que a hora e o tempo são apresentados, o instrumento sensor utilizado na medição a unidade de medida e o nome do arquivo são necessários para a compilação e interpretação correta dos dados. O nome do arquivo é apresentado na Tabela 1 e indica que os dados foram coletados no dia 16 de agosto e a posição do painel solar neste dia era de 23 graus ao norte. Também é possível observar a hora, minuto e segundo exatos do começo da medição. Tabela 1 - Dados Radiômetro Resultados Com o sistema fotovoltaico calibrado e em funcionamento, iniciou-se a aquisição dos dados experimentais. Os dados foram coletados desde junho de 2011, durante um período de aproximadamente 6 meses. As curvas apresentadas reproduzem as situações verificadas na prática. As rotinas utilizadas para traçar estas curvas, para calcular a energia gerada no dia pelo painel e para mostrar os resultados comparativos foram desenvolvidas com o auxilio do software MATLAB. A rotina de coleta de dados implementada registra a leitura do radiômetro com os dados coletados em intervalos de 1 segundo, no período compreendido entre 8h00 e 16h00, resultando em tabelas diárias de 8000 linhas. A partir dos dados coletados no dia 16/08/2011 foram traçados gráficos que permitem uma melhor visualização dos resultados. A Figura 4 mostra as curvas de insolação referentes aos dados coletados nos dias 16/08/2011 (curva em azul) e 18/08/2011 (curva em vermelho). Os dados foram coletados na mesma semana com condições meteorológicas semelhantes Figura 4 - Insolação Incidente no Painel Fotovoltaico Nas curvas obtidas através dos períodos de medições (Figura 4) é possível verificar no caso do painel fixo, curva em vermelho, um comportamento típico esperado: a potência gerada no início do dia é muito baixa e aumenta gradativamente a partir das 8h17min, atingindo o valor máximo por volta das 12h38min, aproximadamente o meio-dia solar. A curva observada permite, ainda, verificar que durante o período da manhã, entre 9h10 e 9h20 3

4 um pequeno momento de sombra apareceu no painel, no entanto, o céu ainda permaneceu claro. Durante o período da tarde, colocaremos neste caso a partir das 11h30, pode-se observar mais variações devido a interferência de nuvens ou sombras no painel solar comparado ao período da manhã. É relevante colocarmos aqui também que esse tipo de observação só pode ser feita porque os dados coletados são muito precisos, pois são medidos segundo a segundo, garantindo precisão nas observações experimentais. Já o comportamento do painel fotovoltaico fixo inclinado 23 graus ao norte, curva em azul, permite visualizar seu melhor desempenho. Desde o início do dia a potência gerada pelo painel inclinado é maior que a potência do painel fixo. Às 13h44, esta diferença atinge seu ponto mais alto, a potência do painel inclinado é de aproximadamente 900W/m² enquanto que a potência gerada pelo painel fixo é de aproximadamente 700 W/m². Outro aspecto relevante é o valor máximo observado nestas curvas. Por se tratar de uma época de inverno no hemisfério Sul (agosto), na qual a Terra encontra-se mais distante do Sol, o nível de potência solar que atinge a superfície terrestre é menor do que na época do verão. Nas curvas traçadas, o valor máximo da potência obtida é da ordem de 900 W/m², enquanto que no verão estima-se que este valor seja superior. painel se movimentando, ou seja, sendo reposicionado em 15 graus a cada hora, como mostrado na Figura 5. Dessa maneira, buscou-se aumentar a energia gerada durante o dia pelo painel fotovoltaico. Nas curvas obtidas através dos períodos de medições (Figura 5) é possível verificar que o painel móvel, curva em vermelho, tem um melhor desempenho comparado ao painel inclinado, curva em azul, e, principalmente, ao painel fixo, curva em preto. Desde o início do dia a potência gerada pelo painel móvel, é maior que a potência gerada pelo painel nas posições inclinado e fixo. A potência gerada no início do dia pelo painel móvel, curva em vermelho, é de 600W/m^2 enquanto que a gerada pelo painel fixo, curva em preto, é de 300 W/m^2, essa diferença atinge 100%, ou seja, a potência gerada pelo painel Móvel é o dobro da gerada pelo painel Fixo. Também é possível observar que por meio da curva em vermelho durante o período da manhã, o céu permaneceu claro, com poucas interferências de nuvens ou sombras, o que se alterou ligeiramente no período da tarde, quando se observa variações um pouco mais acentuadas na curva de potência. Integrando-se as curvas de potência ao longo do dia, o resultado da energia gerada é de 200,63Wh para o painel fixo, contra 253,59 Wh para o painel fixo inclinado em 23 graus ao norte, e de 277,56Wh para o painel móvel. Conforme previsto, o comportamento do painel fotovoltaico móvel evidencia seu melhor desempenho, com um ganho de 10% comparado ao painel inclinado e 38% comparado ao painel fixo. Figura 5 Insolação Incidente no Painel Fotovoltaico. Integrando-se as curvas de potência ao longo do dia, o resultado da energia gerada é de 200,92 Wh para o painel fixo, contra 253,60 Wh para o painel fixo inclinado em 23 graus ao norte, o que representa um ganho de aproximadamente 25% na geração de energia durante o dia, evidenciando uma melhor eficiência com o uso do painel solar fotovoltaico inclinado. Ao longo do dia 17 de agosto de 2011, os dados foram coletados com o Figura 6 - Irradiância Média do mês de Agosto, Radiasol2 Comparando, ainda, os dados reais obtidos (Figuras 4 e 5) com os dados gerados por modelos matemáticos do software Radiasol 4

5 (Figura 6), é possível confirmar que a potência gerada obtida por meio das medições realizadas foi maior que a potência gerada apresentada pelos dados do modelo do software Radiasol. No entanto, é necessário salientar que os dados experimentais foram coletados em dias cujas condições climáticas eram muito favoráveis, apesar de serem dias de inverno (mês de agosto), o céu estava claro e eram dias ensolarados. Já o modelo climático apresentado pelo software procura representar a média da radiação solar durante todo o mês de agosto. Para uma comparação mais precisa, seria necessária uma medição contínua, com o painel solar, durante todo o mês de agosto. Figura 7 - Comparação da Radiação Solar: Radiasol x Dados Experimentais. A Figura 7 mostra a comparação dos dados reais coletados no dia 18 de agosto de 2011 com os dados dos modelos matemáticos do software Radiasol2. Na comparação dos dados é possível observar que a curva em vermelho, dados coletados, logo no início do dia está praticamente idêntica à curva em verde, dados do Radiasol2. Ao longo do dia, percebemos uma potência gerada muito maior com os dados reais coletados do que a indicada pelo modelo do Radiasol2. No entanto, é importante ressaltar que os formatos das curvas são parecidos: no início do dia a intensidade da potência gerada é sempre maior que a potência gerada ao final do dia tanto para os dados reais coletados quanto para os dados do modelo Radiasol2. Discussão Com o objetivo de estudar a influência da posição dos painéis solares na geração de energia elétrica foram coletados dados experimentais, utilizando o radiômetro e o software de aquisição de dados Pulse Reflex e geradas tabelas de dados com mais de 8000 linhas contendo o comportamento do painel solar durante cada dia observado. Para se ter uma análise completa, o painel foi posicionado de três modos diferentes. Em um primeiro momento o painel foi colocado na posição fixa e horizontal onde a potência gerada no início do dia é muito baixa e aumenta gradativamente, atingindo seu valor máximo por volta das 12h38min e então, caindo gradativamente até às 17h. Em seguida, o painel fotovoltaico foi posicionado de acordo com a latitude da cidade de São José dos Campos SP, cidade onde foram realizados os experimentos, nessa posição o painel apresenta um melhor desempenho comparado ao painel fixo, desde o início do dia a potência gerada pelo painel inclinado é maior que a potência do painel fixo. E por último, o painel foi colocado se movimentando 15 graus a cada hora. O painel móvel apresenta um melhor desempenho ao longo de todo o dia. Dessa forma, a potência gerada pelo painel móvel é maior que a potência gerada pelo painel nas posições inclinado e fixo. Para uma melhor visualização dos resultados obtidos foram gerados gráficos com os dados reais obtidos a partir das medições das diferentes posições do painel solar. A partir dos gráficos é observado que o painel fotovoltaico móvel tem um maior rendimento quando comparado ao painel fotovoltaico fixo inclinado a 23 graus ao norte e, principalmente, ao painel fotovoltaico fixo. Ao se integrar as curvas de potência os resultados apontam um ganho de aproximadamente 38% no ganho do painel solar fotovoltaico móvel em relação ao painel fotovoltaico fixo e 10% quando comparado ao painel solar fotovoltaico inclinado 23 graus ao norte. Conclusão O presente artigo apresentou um estudo comparativo a respeito dos dados necessários para a influência do posicionamento de painéis solares na geração de energia elétrica: posição do Sol, energia solar, insolação, radiação solar, sensores de radiação, energia solar fotovoltaica, células fotovoltaicas, células fotovoltaicas conectadas em série, células fotovoltaicos conectadas em paralelo, os módulos fotovoltaicos e suas conexões e características fundamentais e também softwares como o RadiaSol2 que auxiliam nos cálculos e análises do uso da energia solar fotovoltaica; bem como apresenta também o equacionamento do modelo das células solares, implementado em ambiente MATLAB para se obter a curva IxV do painel solar utilizado. O estudo comprovou, conforme a teoria, que o painel móvel apresenta um melhor desempenho ao longo de todo o dia se comparado com o painel 5

6 fixo. Este ganho foi de 38% o que representa um aumento significativo na potência gerada. Como sugestão para trabalhos futuros, recomenda-se, a investigação da influência da temperatura do painel solar, tendo em vista que o aumento da temperatura na célula fotovoltaica faz com que a eficiência do módulo caia, baixando assim os pontos de operação. Referências Radiação Solar Dissertação (Tese de Doutorado em Engenharia e Tecnologia Espaciais) INPE Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais. - WORLD METEOROLOGICAL ORGANIZATION (WMO). Guide to meteorological instruments and methods of observation. 7. ed. Geneva 2: WMO-n.8. ISBN CERVO, Amado Luis; BERVIAN, Pedro Alcino; SILVA, Roberto. Metodologia Científica. 6. ed. São Paulo: Prentice Hall, CRESESB: Centro de Pesquisas de Energia Elétrica (CEPEL) / Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio de Salvo Brito. Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos. Rio de Janeiro, p. - ERENO, D. OLIVEIRA, M. A eletricidade do Sol Brasil começa a usar painéis solares de forma mais abrangente. Pesquisa FAPESP, São Paulo, junho, p HUAN, L. T., CI, S. T.,YI, J. S. Development of Generalized Photovoltaic Model Using MATLAB/SIMULINK. In Congress on Engineering and Computer Science 2008, WCECS 2008, October 22-24, 2008, San Francisco, USA. - MARQUES, C.H., CIOFFI, V. M. Sistema para Captação, Armazenamento e Distribuição de Energia Solar para Aplicações Terrestres Dissertação (Trabalho de Graduação em Engenharia Elétrica) Universidade do Vale do Paraíba. - PERLIN, John. The History of Solar Energy Photovoltaics. In: PERLIN, J. From Space to Earth: The Story of Solar Electricity. Michigan: Edwards Brothers, ISBN Disponível em: < ml>. Acesso em: 11 Ago RAUSCHENBACH, Hans. S. Solar Cell Array Design Handbook. New York: Van Nostrand Reinhold Company, STINE, W. B., GEYER, M. Power from the Sun Disponível em: < powerfromthesun.net>. Acesso em: 16 Ago VILELA, W.A., Estudo, Desenvolvimento e Caracterização de Radiômetros para medidas da 6