VIII CIERTEC FORMULÁRIO PARA ENVIO DOS TRABALHOS

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1 FORMULÁRIO PARA ENVIO DOS TRABALHOS TÍTULO DO TRABALHO: RASTREAMENTO SOLAR PARA OTIMIZAÇÃO DA GERAÇÃO DISTRIBUÍDA FOVOLTAICA Tema : GERAÇÃO DISTRIBUÍDA Autor/ES: RAUL LEDUR KUHN, JOSÉ WAGNER MACIEL KAEHLER, DIEGO BERLEZI RAMOS, MARNOON POLTOZI VARGAS, GUILHERME ZANCAN COPETTI Empresa ou Entidade: FUNDAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DO PAMPA (UNIPAMPA) DADOS DO AUTOR RESPONSÁVEL Nome: Raul Ledur Kuhn Cargo: Mestrando Endereço:Rua Flores da Cunha, 26 Telefone: Fax: raulkuhn@gmail.com PALAVRAS-CHAVE: Geração Distribuída, Fotovoltaica, Rastreamento Solar INTRODUÇÃO Através da resolução normativa número 482 de 17 de abril de 212, a qual habilita a integração da geração distribuída de fontes renováveis, estabelecendo as condições gerais de acesso dos sistemas de micro e minigeração aos sistemas públicos de distribuição de energia elétrica incluindo a geração fotovoltaica cada vez mais presente no sistema elétrico brasileiro. Considerando-se como objetivo, o aumento da eficiência de painéis solares, uma das melhores alternativas se dá através do rastreamento solar. Em especial, para regiões que se encontram afastadas da linha do Equador, como no caso da região sul do Brasil, onde esta técnica mostra-se bastante eficiente. O rastreamento solar físico é feito através de sistemas de controle e posicionamento que, automaticamente, direcionam o painel ao nível máximo de radiação durante todo o dia, de modo a otimizar a geração em todos os horários. Além das condições atmosféricas, a disponibilidade de radiação solar depende também da latitude local e da posição solar no tempo. Consequência do movimento de rotação e translação da Terra. Através dessa premissa são simulados três métodos de coleta solar, com o painel estático, o qual o painel mantém-se fixo com um dado ângulo o qual se altera de um lugar para outro dependendo da latitude da região. O rastreamento polar, através do qual o painel movimenta-se apenas no eixo lesteoeste, e, ainda, o rastreamento em dois eixos, através do qual o painel tem autonomia de movimentar-se nos dois eixos de modo a estar sempre na posição de maior radiação solar. As simulações são feitas em ambiente Matlab levando em conta a 1

2 latitude da cidade de Alegrete/RS (29,7 Sul) e o dia com duração de 12 horas solares (6 as 18 horas). RADIAÇÃO SOLAR INCIDENTE Para se determinar da quantidade de radiação solar que incidirá sobre a Terra, é necessário conhecer as horas do nascer e do por do sol, que podem ser determinados através das equações (1) e (2). (1) Onde é o horário do nascer do sol, é a latitude local e é o ângulo de declinação solar (o) para o nascente é utilizado o sinal negativo (-) entre parênteses, já para o poente é utilizado o valor positivo (+) (2) Em geral, a insolação extraterrestre pode ser aferida matematicamente, conforme a equação (3) [MASTERS]. (3) onde é o número do dia do e é dado em. Neste segmento, metodologias analíticas também permitem determinar, em função das características geoambientais do local, a insolação incidente sobre a superfície da terra,, conforme dado na equação (4), onde os coeficientes são definidos nas equações (5) a (7). (4) (5) (6) (7) Onde é a insolação extraterrestre aparente, é a profundidade ótica da atmosfera e é o angulo de altitude solar. Uma vez que é de interesse conhecer a insolação incidente diretamente sobre o 2 coletor, dada por, na equação (8), algoritmos específicos podem ser implementados, através das equações (8) e (9). (8) (9) onde é o angulo de incidência, e são os ângulos azimutais solar e do coletor, respectivamente, e representa o ângulo de inclinação do coletor. Sabendo que a atmosfera interfere na incidência solar sobre os coletores ( ), o cálculo analítico necessita ser ampliado por meio da definição mais precisa das componentes de incidência, e, que representam, respectivamente, a insolação difusa na atmosfera e a insolação refletida pelo solo sobre o coletor. (1) (11) (12) (13) (14) (15) Onde representa a refletância do solo e o fator de difusão do céu e as componentes, é a componente direta incidente sobre uma superfície horizontal e é a componente difusa de insolação sobre uma superfície horizontal. Assim, para sistemas de um eixo o processo de definição de energia solar disponível pode ser simplificado com as equações (16) a (18). (16) (17) (18)

3 Para o caso de dois eixos a definição da energia solar disponível para aproveitamento solar pode ser simplificado com as equações (19) a (21). (19) POTENCIAL DE GERAÇÃO (2) (21) Para a determinação da potência real que a célula fotovoltaica estará transmitindo a carga, deve-se levar em conta as perdas presentes. Para tanto são adicionados dois resistores, um em paralelo ( ) representando as correntes de fuga na superfície do material, e outro em série ( ) que representa as perdas nas soldas internas dos componentes semicondutores e ainda a resistência do próprio material. Esse novo circuito pode ser melhor entendido através da representação da figura 41. Isc Figura 1 D Id Rp Ip I Rs + Vpv Modelo elétrico equivalente do painel fotovoltaico A partir do modelo apresentado na figura 1, tem-se um cálculo de corrente diferenciado, comparando-se ao representado na equação 1. Agora a corrente de saída do painel pode ser considerada como na equação 27. (22) As resistências e podem ser calculadas a partir das equações 2 e 3. (23) - E a corrente pela equação 4. (24) pode ser calculado (25) Para o calculo preciso da tensão entregue nos terminais do painel, leva-se em conta a queda de tensão provocada pela resistência série ( ), assim o calculo deve ser efetuado através da equação 5. (26) Para o caso de um painel composto de mais de uma célula fotovoltaica o valor da tensão é proporcional ao número de celular, ou seja, o valor da tensão deve ser multiplicado pelo numero de células presentes no modulo, como é demonstrado na equação 6. (27) Desta forma, pode ser efetuado o cálculo da potência do modulo com n células, através da equação 7. (28) Para os cálculos do ganho de geração possível, primeiramente é feito o cálculo das radiações incidentes no painel para os três tipos de coletores, para tanto é utilizado o equacionamento demonstrado de 1 a 21, como pode ser visto para o dia 21 de dezembro na Tabela 1. TABELA I. Disponibilidade solar horária para geração fotovoltaica no dia 21 de dezembro Hora IC Fixo IC 1 eixo IC 2 eixos 5:... 6: : : : : : : : : :

4 VIII CIERTEC TABELA I. Disponibilidade solar horária para geração fotovoltaica no dia 21 de dezembro Hora IC Fixo IC 1 eixo IC 2 eixos 16: : : :... A simulação de potência é feita através do equacionamento 22 a 28 e traçados os gráficos da geração máxima possível durante o, com horário solar entre 6 e 18 horas. O modelo de painel simulado é da marca Kyocera modelo KD21GX-LP, de 21 W, o qual produz uma tensão máxima de 26,6 V e corrente máxima de 7,9 A. Com tensão de circuito aberto ( ) de 32,2 V e corrente de curto circuito ( ) de 8,58 V. Como a corrente e a tensão dependem também da variação da temperatura, foi feito um levantamento, através dos dados do INMET, da temperatura média mensal dos últimos cinco s, os quais resultaram nos valores amostrados na Tabela II. TABELA II. Temperatura média mensal dos últimos 5 s: Fonte: Dados da Rede do INMET Mês Temperatura ( C) Janeiro 26,15 Fevereiro 25,42 Março 23,7 Abril 2,35 Maio 16,22 Junho 14,35 Julho 13,44 Agosto 15,4 Setembro 16,93 Outubro 19,75 Novembro 22,15 Dezembro 24,38 Assim são simulados, em ambiente Matlab as possibilidades horárias de geração e representadas nos gráficos vistos nas figuras 2 a 14, onde a linha verde representa o rastreamento em dois eixos, a azul o rastreamento polar e a vermelha o painel fixo Figura 2 Ganho de geração no painel, às 6 horas, durante o 5 Figura 3 Ganho de geração no painel, às 7 horas, durante o 25 5 Figura 4 Ganho de geração no painel, às 8 horas, durante o

5 VIII CIERTEC 21 8 Figura 5 Ganho de geração no painel, às 9 horas, durante o Figura 8 Ganho de geração no painel, às 12 horas, durante o 21 Figura 6 Ganho de geração no painel, às 1 horas, durante o Figura 9 Ganho de geração no painel, às 13 horas, durante o Figura 7 Ganho de geração no painel, às 11 horas, durante o Figura 1 Ganho de geração no painel, às 14 horas, durante o 5

6 VIII CIERTEC 8 Figura 11 Ganho de geração no painel, às 15 horas, durante o 25 5 Figura 12 Ganho de geração no painel, às 16 horas, durante o 5 Figura 13 Ganho de geração no painel, às 17 horas, durante o Figura 14 Ganho de geração no painel, às 18 horas, durante o A partir dos gráficos pode ser encontrada, aproximadamente a energia máxima possível durante o para cada horário, conforme tabela III. TABELA III. Hora Painel Estático (kwh) Disponibilidade de geração em um com painel de 21 W Rastreamento Polar (kwh) Rastreamento em 2 Eixos (kwh) 6: 4,69 13,19 13,9 7: 14,68 34,54 35,84 8: 31,84 54,41 56,63 9: 47,23 63, 65,52 1: 59,29 66,88 69,42 11: 66,71 68,66 71,13 12: 69,21 69,21 71,61 13: 66,71 68,66 71,13 14: 59,29 66,88 69,42 15: 47,23 63, 65,52 16: 31,84 54,41 56,63 17: 14,68 34,54 35,84 18: 4,69 13,19 13,9 Total 518,9 67,57 696,47 Assim, através dos dados da tabela III, encontram-se os valores de disponibilidade de geração anual. Painel Estático = 518,9 kwh/; Rastreamento Polar = 67,57 kwh/; Rastreamento em Dois Eixos = 696,47 kwh/. 6

7 CONCLUSÕES Como pode ser observado no capítulo anterior o rastreamento solar torna-se uma interessante alternativa para a otimização da geração distribuída fotovoltaica. Se tratando da potência gerada, utilizando o painel com potência máxima de 21 W +,5% instalado estaticamente, pode-se chegar a valores de geração de 518,9 kwh/, já com a mudança do sistema para rastreamento polar a geração pode chegar a 67,57 kwh/, representando um ganho de 29,2%. Já se tratando do painel instalado com o sistema de rastreamento em dois eixos, podemos ter uma geração de 696,47 kwh/, o que acarreta num ganho de 34,2%. REFERÊNCIAS [1] ANEEL, Atlas de Energia Elétrica do Brasil, 3ª edição, Brasília, 8. [2] Castro, R. M. G., Introdução à energia fotovoltaica, Universidade Técnica de Lisboa, maio de 8. [3] CRESESB, Atlas Solarimétrico do Brasil, UFPE,. [4] CRESESB, Energia Solar Princípios e Aplicações, 6. [5] da SILVA, R. M. S; WIECHERT, M. D.; OLIVEIRA, E. S.; DUQUE, L. H. Sistema de Rastreamento Solar, IPADE, Anhanguera Educacional, 21 [6] DUFFIE & Beckman, Solar engineering of thermal processes ; Wiley, 6 [7] Gordon, S. Armstrong, R. & Matzke; Spectrally Enhanced Lighting Program Implementation for Energy Savings: Field Evaluation ; PNNL - Pacific Northwest National Laboratory, August 6. [8] Masters, Gilbert M.; Renewable and efficient electric power systems ; Wiley; 4 [9] MENEZES Á. P.; Integração da Geração de energia Eólica com Fotovoltaica em Sistemas Isolados Campus Alegrete ; Trabalho de Conclusão de Curso TCC, Graduação em Engenharia Elétrica na UNIPAMPA; 211; [1] MURTA, I. F. ; BRAGA, A. R.; BRAGA, J. P., Alguma experiência em rastreamento de radiação solar em usina termoelétrica solar. CEFET-MG, Induscon, 8 [11] NLPIP - National Lighting Product Information Program; Photosensors: Dimming and Switching Systems for Daylight Harvesting ; Volume 11, Number 1, Outubro 7 [12] Pedrycz, W. & Gomide, F.; Fuzzy systems engineering: toward human-centric computing, John Wiley, (7). [13] Ramamurthy, V. & Scanze, K. Optical Sensors and Switches ; Volume 7, Marcel Dekker, Inc; 1 [14] Shaw, I. A. N. and M. G. SimÕes. Controle e Modelagem Fuzzy, E. Blucher; [15] IEA, World Energy Outlook Energy For All, Oslo, 211 [16] BRASIL. Ministério de Minas e Energia. Empresa de Pesquisa Energética. Pl nacional de energia 23. Brasília, DF, 7 7