Sistemas de Energia Solar e Eólica Professor: Jorge Andrés Cormane Angarita

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1 Sistemas de Energia Solar e Eólica Professor: Jorge Andrés Cormane Angarita

2 Orientação dos Módulos Fotovoltaicos Sistemas de Energia Solar e Eólica 2

3 Introdução Algum conhecimento sobre a incidência dos raios solares em nosso planeta é necessário para que os módulos sejam instalados corretamente Em cada ponto do planeta a radiação solar incide de forma diferente. Varia ao longo dos dias e dos meses do ano Posição da Terra e do Sol no espaço 3

4 Conceitos Ao cruzar a atmosfera, a radiação solar se divide em duas componentes antes de atingir a superfície terrestre Direta trajetória em linha reta Difusa trajetória indireta e aleatória Iradiadiância Difusa Iradiadiância Direta Iradiadiância Global Iradiadiância Difusa G HOR = G DIF + G DIR 4

5 Conceitos É possível instalar os módulos fotovoltaicos de modo a maximizar a captação da radiação DIFUSA? Não podemos fazer nada para melhorar a captação da radiação difusa A radiação difusa chega até a superfície terrestre de maneira aleatória e irregular 5

6 Conceitos É possível instalar os módulos fotovoltaicos de modo a maximizar a captação da radiação DIRETA? Durante a instalação, podemos levar em consideração o movimento diário do Sol para melhorar a captação da radiação direta A radiação direta chega até a superfície terrestre de com uma trajetória em linha reta 6

7 Conceitos Ângulo azimutal de uma superfície - (ABNT, 2006) ângulo entre o norte geográfico e a projeção da reta normal à superfície no plano horizontal, com faixa de variação de -180º a 180º. Por convenção, positivo no sentido leste com norte igual a 0º. No hemisfério SUL o sol, durante sua trajetória entre o nascente e o poente, descreve diferentes ângulos azimutais ao longo do dia 7

8 Conceitos Meio-dia solar θ = 0 Trajeto dos raios solares - N ângulo azimutal + Sentido da trajetória do Sol Poente O L Nascente Projeção dos raios solares no plano horizontal S Observador no hemisfério Sul olhando para o Norte 8

9 Orientação dos Módulos Definir a orientação que possibilite a melhor produção média de energia ao longo do ano 9

10 Orientação dos Módulos A instalação de um módulo fotovoltaico deve levar em conta o movimento diário do Sol Tarde: Raios solares não Incidem na superfície Meio-dia Manhã e Meio dia: Raios solares incidem na superfície Tarde Manhã Poente O L Nascente 10

11 Orientação dos Módulos A melhor maneira de instalar um módulo solar fixo (sem um sistema de rastreamento solar), é orientá-lo com sua face voltada para o Norte Geográfico S N Para cidades localizadas no hemisfério Norte deve-se orientar o painel para o Sul geográfico 11

12 Orientação dos Módulos Devido à existência do ângulo de declinação solar, o Sol nasce e se põe em diferentes pontos do céu e descreve uma trajetória com inclinação diferente em cada dia do ano Um observador que olha em direção ao Norte enxerga o Sol descrevendo uma trajetória circular no céu 12

13 Orientação dos Módulos Elevação ou altura solar - (ABNT, 2006) ângulo de vértice no observador, formado pelas semiretas definidas pela direção do sol e a projeção da direção do sol no plano horizontal. S θz α O γs N Os observadores próximos à linha do equador enxergam alturas solares maiores, enquanto os mais próximos dos polos enxergam alturas menores L θz = ângulo zenital γs = ângulo azimutal α = elevação ou altura solar 13

14 Orientação dos Módulos No verão o observador enxerga o Sol mais alto (Massa de Ar percorrida pelos raios solares: menor) No verão o observador enxerga o Sol mais baixo (Massa de Ar percorrida pelos raios solares: maior) 14

15 Inclinação dos Módulos ângulo de incidência - (ABNT, 2006) ângulo entre o raio solar incidente (direção do sol) e a normal à superfície da célula ou módulo. inclinação de uma superfície - (ABNT, 2006) ângulo de menor declive entre a superfície e o plano horizontal (varia entre 0º e 90º). 15

16 Inclinação dos Módulos Raio do sol Linha normal à superfície β θ α Linha paralela ao solo S N α = elevação ou altura solar θ = ângulo de incidência β = Inclinação de uma superfície O máximo aproveitamento da energia solar ocorre quando os raios solares incidem perpendicularmente à superfície do módulo 16

17 Inclinação dos Módulos Maior produção: Verão Menor produção: Inverno Maior produção: Inverno Menor produção: Verão 17

18 Inclinação dos Módulos O ângulo de inclinação recomendado para diversas faixas de latitudes geográficas Latitude do local 0º a 10º 10º 11º a 20º latitude ângulo de inclinação recomendado 21º a 30º latitude + 5º 31º a 40º latitude + 10º > 41º latitude + 15º Não se recomenda a instalação com ângulos de inclinação inferiores a 10º para evitar acúmulo de poeira sobre as placas 18

19 Espaçamento dos Módulos Na prática, o instalador deve conhecer as seguintes informações l x β z x lcos z lsin β = Inclinação de uma superfície z = altura da haste de suporte x = distância no chão entre a borda de apoio do módulo e a extremidade da haste de fixação l = distância entre a borda do módulo apoiada no chão e o ponto de fixação 19

20 Espaçamento dos Módulos Com a relação Rxz é possível determinar o valor de x a partir de um valor z conhecido e vice versa R xz x cos 1 z sin tan 20

21 Espaçamento dos Módulos Com a relação Rxl é possível determinar o valor de x a partir de um valor l conhecido e vice versa R xl x l cos 21

22 Espaçamento dos Módulos Costuma-se instalar fileiras de módulos fotovoltaicos, porém deve-se calcular corretamente a distância entre as fileiras para evitar sombreamento entre elas l β z x D d 22

23 Espaçamento dos Módulos A distância entre os módulos deve levar em conta a quantidade do terreno a ser utilizado Fator de utilização de área razão entre a área do módulo e a área na superfície plana necessária para sua instalação Fu l D Tipicamente as usinas são construídas com um fator de utilização de área entre 35% e 45% 23

24 Espaçamento dos Módulos São empregadas duas estratégias para calcular a distância de instalação entre as fileiras de módulos Primeira estratégia minimiza as perdas ocasionadas pela presença de sombras, maximizando a eficiência do sistema Segunda estratégia d 3,5 z maximiza o fator de utilização de área, com consequente redução da eficiência devido a presença de sombras sobre os módulos d 2,25 l 24

25 Sistema de Rastreamento Módulos solares com rastreamento automático da posição do sol otimizam o ângulo de incidência dos raios solares ao longo dos dias do ano O sistema pode ter um ou dois graus de liberdade 25

26 Sistema de Rastreamento 26

27 Sistema de Rastreamento 27

28 28

29 x z x cos 1 Rxz z sin tan x Rxl cos l l Fu D d 3,5 z d lcos lsin 2,25 l 29

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