GERAÇÃO SOLAR PhD. Eng. Clodomiro Unsihuay Vila. Prof. Dr. Clodomiro Unsihuay-Vila Vila

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1 GERAÇÃO SOLAR PhD. Eng. Clodomiro Unsihuay Vila Prof. Dr. Clodomiro Unsihuay-Vila Vila

2 Geração Solar A fotovoltaica, que consiste na conversão direta da luz em eletricidade; A heliotérmica, que é uma forma de geração termelétrica, na qual um fluido é aquecido a partir da energia solar para produzir vapor. A rápida expansão da capacidade instalada nos últimos anos, atrelada à forte redução de custos; O imenso potencial técnico de aproveitamento; E o fato de não emitirem poluentes durante sua operação, fez com que o mundo voltasse sua atenção para a energia solar como alternativa de suprimento elétrico.

3 Geração Solar Dessas duas tecnologias, a fotovoltaica é a que vem conquistando mais mercado nos últimos anos, representando 98% da capacidade instalada entre as duas fontes em A trajetória dessa tecnologia pode ser dividida em quatro fases: *Aplicações espaciais (Antes dos 1970-) Áreas terrestres isoladas, utilizada em conjunto com baterias ( ) Geração Distribuída (Micro e Mini). (1990 ate 2020-) Geração centralizada ).

4 Geração Solar A necessidade de o sistema estar sempre em equilíbrio entre oferta e demanda significa que o operador deve ter condições de lidar com as súbitas variações das fontes intermitentes. Deve ser construído um ambiente favorável para a realização de investimentos na modernização das redes e em serviços ancilares. No final do século passado o Brasil começou a desenvolver programas de eletrificação rural fazendo uso dessa tecnologia. Mas somente na década atual é que ela começou a ganhar abrangência nacional, com a regulamentação da geração distribuída conectada à rede e a realização de leilões específicos para sua contratação na forma de plantas centralizadas.

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8 Para a correta instalação do módulo fotovoltaico deve-se levar em consideração o movimento do sol. Se um módulo for instalado com sua face voltada para o Leste, receberá raios solares apenas no período da manha, de maneira análoga se instalado com sua face voltada para o Oeste, receberá os raios solares apenas no período da tarde, gerando desta forma energia em apenas uma parte do dia. Assim conclui-se que a melhor forma é instalar o módulo com sua face captora voltada para o norte geográfico, resultando em um melhor aproveitamento da luz solar, pois há raios incidindo nos módulos durante todo o dia. Para encontrar o norte geográfico pode-se utilizar uma bússola, pois a agulha da mesma sempre fica alinhada no sentido das linhas de campo magnético da Terra, porém para descobrir a direção do norte geográfico deve-se utilizar um mapa ou uma tabela com os ângulos de correção, estes ângulos variam com a localização geográfica

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11 Radiação Solar Sobre a Terra Irradiância (Radiação) Solar: Potencia por metro quadrado W/m2. Uma densidade de Potencia. Irradiação Solar: Energia por metro quadrado durante um período de tempo, recebida pelo sol ao nível do solo em determinado local. Exemplo Wh/m2/dia. Onde conseguir esses dados: Mapas de insolação. Estudos de potencial solar. Base de dados: Sundata, calculadora solar, Radiasol, SWERA. Medições usando transdutores apropriados.

12 Informações a partir de medições SIMEPAR. CRESEB, CEPEL on=sundata INMET: SONDA - Sistema de Organização Nacional de Dados Ambientais

13 Informações a partir de medições por satélite SWERA: NASA: SODA:

14 Informações a partir de programas SUNDATA computacionais undata RADIASOL da UFRGS: 87/stats?locale=pt_BR RETSCREEN HOMER, etc

15 Escolha do ângulo de inclinação dos módulos solar Mecanismo de seguidor solar são justificados em aplicações de grande porte, com volume de energia gerada elevada. Em sistemas de pequeno porte, o ângulo de inclinação do painel fixo que apresentam o melhor custo benefício. Por isso, para se obter o melhor rendimento é fundamental que os módulos sejam instalados com ângulos α adequados, pois este muda conforme a localização do painel.

16 O ganho na geração de energia pode variar entre 20% a 50%. Num estudo específico, realizado em um local situado à latitude de 26,8 N, obteve-se como resultado um incremento de 35% na energia recebida pelos coletores ao fazer uso de um sistema de seguimento de um eixo. Com o sistema de dois eixos o ganho foi de 40%, em relação ao sistema fixo (ângulo igual à latitude)

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18 Escolha do ângulo de inclinação dos módulos solar É importante ressaltar que não se aconselha a instalação com ângulos menores que 10º para evitar o acúmulo de poeira sobre o módulo. É importante ressaltar que não se aconselha a instalação com ângulos menores que 10º para evitar o acúmulo de poeira sobre o módulo.

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21 Escolha do ângulo de inclinação dos módulos solar Exemplo: Centro Politécnico tem uma latitude de 25 S. Logo o ângulo de inclinação alfa recomendado é 30 graus.

22 Resumindo: Orientar o módulo com sua fase voltada para o norte geográfico. Ajustar o ângulo de inclinação do módulo com relação ao solo.

23 Observa-se que o oeste da Bahia é dos lugares mais favoráveis, bem como o Vale do São Francisco, Piauí, Mato Grosso do Sul, leste de Goiás e oeste do Estado de São Paulo.

24 Potencial Solar Ainda segundo NOTA TÉCNICA EPE - Análise da Inserção da Geração Solar na Matriz Elétrica Brasileira (2012), a irradiação média anual brasileira varia entre e kwh/m2/ano, valores que são significativamente superiores a maioria dos países europeus, cujas estatísticas indicam intervalos entre 900 e kwh/m2/ano na Alemanha, entre 900 e kwh/m2/ano na França e entre e kwh/m2/ano na Espanha. Mesmo sendo bastante inferior às áreas de maior insolação, como as regiões secas de baixas latitudes como o nordeste brasileiro, Curitiba apresenta uma média de irradiação solar superior à Alemanha, que é ícone mundial em produção e consumo de energia solar fotovoltaica.

25 CRESEB, 2014

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27 Fonte: EPE, 2016

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30 Fonte: EPE, 2016

31 Tecnologias de Células Fotovoltaicas lmi m74k Discovery: FE

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33 O efeito fotovoltaico O efeito fotovoltaico ocorre quando a luz incide em um material semicondutor específico, como a célula fotovoltaica. Nela, o material semicondutor é composto por silício e recebe propriedades dopantes que o dividem eu duas camadas: de material N e de material P. O material N possui um excedente de elétrons e o material P apresenta falta de elétrons. Devido à diferença de concentração de elétrons nas duas camadas de materiais, os elétrons da camada N fluem para a camada P e criam um campo elétrico dentro de uma zona de depleção, também chamada de barreira de potencial, no interior da estrutura da célula.

34 O efeito fotovoltaico A camada superior de material N de uma célula fotovoltaica é tão fina que a luz pode penetrar nesse material e descarregar sua energia sobre os elétrons, fazendo com que eles tenham energia suficiente para vencer a barreira de potencial e movimentar-se da camada P para a camada N. Os elétrons em movimento são coletados pelos eletrodos metálicos da célula fotovoltaica. Se houver um circuito fechado, os elétrons vão circular em direção aos eletrodos da camada P, formando assim uma corrente elétrica.

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36 Painel Fotovoltaico

37 Tecnologias de Células Fotovoltaicas

38 Silício Monocristalino A célula de silício monocristalino é a mais amplamente utilizada comercialmente, de processo construtivo relativamente simples e boa eficiência comparada às células de cristal policristalino e amorfo, entre 12% e 16% para uso comercial. O silício é fundido juntamente com uma pequena quantidade de dopante tipo P, normalmente o Boro, e então cortada em finas fatias de aproximadamente 0,3 mm. Após o corte e limpeza de impurezas, é adicionado o dopante tipo N. Uma célula monocristalina tem aspecto uniforme, podendo apresentar coloração azulada ou preta, dependendo do tipo de tratamento antirreflexivo empregado. As células de silício monocristalino são as mais eficientes disponíveis comercialmente em larga escala.

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40 Silício Policristalino O silício policristalino tem um processo de fabricação mais simples, que utiliza temperaturas mais baixas do que as empregadas na fabricação do silício monocristalino o que acarreta uma perda na eficiência, chegando no máximo a 12,5%, mas ganha-se no baixo custo de fabricação. Os módulos fotovoltaicos policristalinos têm eficiências ligeiramente inferior às dos seus concorrentes monocristalinos, entretanto, as duas tecnologias coexistem no mercado e apresentam relações custobenefício muito próximas.

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47 Células Multijução Cada célula fotovoltaica tem a capacidade de absorver a luz mais eficientemente numa determinada faixa de comprimento de onda. Logo, uma célula com uma única junção não é capaz de absorver a energia solar em todo o seu espectro. As células multijunção, por sua vez, ao utilizar o empilhamento de duas ou mais células fotovoltaicas, conseguem cobrir uma maior faixa do espectro de radiação solar, aumentando a absorção de energia. Dessa forma, as células multijunção atingem as mais elevadas eficiências (38,8%, em laboratório, sem concentração (NREL, 2015)) NREL. Best Research-Cell Efficiencies. Disponível em: elula-solar-multijuncao-bate-recordeeficiencia&id= #.v1smqfkrliv

48 Concentração Fotovoltaica (CPV) A tecnologia conhecida como Concentrated Photovoltaics (CPV) consiste em utilizar espelhos ou lentes para concentrar os raios solares sobre células fotovoltaicas, aumentando a eficiência da absorção da irradiação, e exigindo assim menor área de células para produzir a mesma quantidade de energia. Por esse motivo, é comum utilizar células mais caras e de elevada eficiência em conjunto com o sistema concentrador. Dessa forma, já foi possível atingir 46% de eficiência com uma célula multijunção em laboratório, e módulos com mais de 36% de eficiência (FRAUNHOFER ISE, 2015b). FRAUNHOFER ISE. Photovoltaics Report, 26 ago. 2015b.

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51 O fator de capacidade médio na área de cada distribuidora de energia elétrica brasileira. Os valores variam entre 15,7% a 18,5%.

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55 Fonte: EPE, 2016

56 Sistemas Fotovoltaicos As células fotovoltaicas, devido a suas dimensões construtivas, apresentam baixa tensão e corrente de saída, tipicamente 3 A e 0,7 V para células de silício monocristalino. Sendo assim, agrupam-se várias células fotovoltaicas para compor um módulo fotovoltaico. Este arranjo geralmente é feito em série, para se obter uma tensão de saída mais elevada e compatível com as tensões de consumo, geralmente 12 ou 24 V.

57 Módulos fotovoltaicos A célula fotovoltaica é o menor dispositivo fotovoltaico existente. Uma célula produz pouca eletricidade, então várias células são ligadas sem série para produzir módulos fotovoltaicos. Um módulo fotovoltaico é composto de um número de células coladas sobre uma estrutura rígida e ligadas eletricamente em série para proporcionar tensões de saída maiores. Os módulos fotovoltaicos de silício cristalino encontrados no mercado, como os ilustrados na Figuras, apresentam potências de pico entre 85 W e 255 W. Suas tensões máximas de saída em circuito aberto vão até aproximadamente 37 V e podem fornecer em torno de 8,5 A de corrente elétrica.

58 Módulos fotovoltaicos

59 Creseb, 2014

60 Características dos Módulos Fotovoltaicos

64 Características dos Módulos Fotovoltaicos O módulo de silício monocristalino tem como referência comercial o modelo HIP-215NKHE5 do fabricante SANYO, já o módulo de silício policristalino tem como referência comercial o modelo KD70SX-1P do fabricante KYOCERA. Outra informação importante na hora de especificar os módulos fotovoltaicos é a dependência da tensão e da corrente em função do nível de irradiação solar e a temperatura de operação do módulo. Estas informações são importantes para dimensionar corretamente os inversores, uma vez que estes apresentam uma faixa de tensão e corrente em que operam com a máxima eficiência.

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68 Sistemas Fotovoltaicos

69 SFV Isolados ou Autônomos

70 Energia solar fotovoltaica sistemas conectados à rede elétrica

71 SFV conectados à rede elétrica WU U w