ASPECTOS TECNOLÓGICOS E OPERACIONAIS DA GERAÇÃO FOTOVOLTAICA

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1 ASPECTOS TECNOLÓGICOS E OPERACIONAIS DA GERAÇÃO FOTOVOLTAICA Prof. Jair Urbanetz Junior, Dr. Eng. Universidade Tecnológica Federal do Paraná - UTFPR Conferência Internacional Smart Energy Paraná Aspectos Tecnológicos e Operacionais Curitiba da Geração Maio FV Smart /2014 Energy Paraná - Curitiba - maio / 2014

2 1 - Tecnologias FV de Aproveitamento da Energia Solar Geração direta de eletricidade (luz fótons) luz Módulo Fotovoltaico convencional eletricidade luz concentrada módulo fotovoltaico concentrador eletricidade

3 1.1 - Tecnologias Fotovoltaicas Módulos solares fotovoltaicos (sem concentrador) para geração de energia elétrica Geração direta de energia elétrica pelo efeito fotovoltaico. Sistemas de pequena potência (W, kw) ou de grande potência (MW). Atualmente é a tecnologia mais usual para geração de energia elétrica a partir da energia solar. Módulos Fotovoltaicos

4 1.1 - Tecnologias Fotovoltaicas Módulos FV convencionais com seguidor Plantas Fotovoltaicas - Sistemas de grande potência (kw, MW) Seguidor de um eixo Seguidor de dois eixos

5 1.1 - Tecnologias Fotovoltaicas Sistemas solares fotovoltaicos com concentrador P&D ANEEL; UFSC TRACTEBEL Capivari de Baixo SC Painel fotovoltaico com concentrador 13,44kW Seguidor solar de dois eixos 48 módulos concentradores DAIDO STEEL 280W

6 1.2 - Efeito fotovoltaico - Princípio de funcionamento da célula FV Efeito Fotovoltaico Conversão direta da energia da luz (espectro visível) em energia elétrica. Célula fotovoltaica elemento que realiza a conversão Material tipo N Material tipo P - Tensão elétrica + CB-SOLAR / PUC RS Foto: Trajano Viana Célula fotovoltaica de silício A tecnologia solar fotovoltaica é diferente da tecnologia solar térmica, que utiliza o calor (radiação infravermelha) para aquecimento.

7 2 - Radiação solar direta, difusa, global e devido ao Albedo Radiação solar Forma de transferência de energia advinda do Sol, através da propagação de ondas eletromagnéticas. Na superfície terrestre a intensidade de radiação máxima é cerca de GHOR = W/m² Componentes da radiação Solar radiação direta radiação difusa radiação devida ao albedo Medição de irradiância Piranômetro Sensor de silício

8 3 - Tecnologias fotovoltaicas - Células e módulos fotovoltaicos Tecnologia tradicional lâminas de silício cristalino - Silício monocristalino (m-si) - Silício policristalino (p-si) ou silício multicristalino Cerca de 80% da produção mundial de módulos é baseada no silício cristalino (m-si e p-si) Tecnologia de filmes finos filmes finos de silício ou outros materiais depositados sobre substratos rígidos ou flexíveis - Silício amorfo ou silício amorfo hidrogenado (a-si) - Telureto de cádmio (CdTe) - Disseleneto de cobre e índio (CIS) - Disseleneto de cobre, índio e gálio (CIGS) - Micromorfo ou microcristalino (μcsi/a-si)

9 3 - Tecnologias fotovoltaicas - Células e módulos fotovoltaicos O caminho do silício até a célula fotovoltaica (m-si ou p-si)

10 3 - Tecnologias fotovoltaicas - Células e módulos fotovoltaicos Obtenção do silício monocristalino Processo Czochralsky Processo Czochralsky

11 3 - Tecnologias fotovoltaicas - Células e módulos fotovoltaicos O caminho do silício até a célula fotovoltaica (m-si ou p-si)

12 3.1 - Tecnologias fotovoltaicas - Células e módulos fotovoltaicos Módulos de silício cristalino Tecnologia tradicional Silício monocristalino (m-si) e silício policristalino (p-si)

13 3.2 - Tecnologias fotovoltaicas - Células e módulos fotovoltaicos Módulos de filme fino Aplicados em substratos rígidos ou flexíveis - Silício amorfo (a-si) - Telureto de cádmio (CdTe) - Disseleneto de cobre e índio (CIS) - Disseleneto de cobre, índio e gálio (CIGS) - Silício micromorfo (μcsi/a-si)

14 3.3 - Eficiência de conversão da célula FV e do módulo FV Parâmetros característicos Eficiência de conversão (Módulos STC) m-si % m-si especiais % ( HIT ; back contact ) p-si % a-si 6-8 % (estabilizado) CdTe 7-10 % CIGS 9-11 % a-si/µc-si ~ 8-9 % Escolha da Tecnologia Aspectos energéticos Aspectos arquitetônicos Estética Aplicação Área disponível potência instalada (Wp) Maior eficiência menor área Eficiência Área

15 3.3 - Eficiência de conversão da célula FV e do módulo FV m Área necessária para instalar 1kWp Silício monocristalino m-si Silício policristalino p-si Disseleneto de cobre e índio CIS - CIGS Telureto de Cádmio CdTe Silício amorfo a-si Fonte: SMA

16 Intensidade relativa Resposta espectral dos diferentes tipos de células FV A radiação solar não é monocromática, apresenta diferentes comprimentos de onda; As células FV, dependendo dos materiais empregados, apresentam diferentes sensibilidades para cada comprimento de onda da radiação solar incidente. Comprimento de onda (nm) Silício amorfo (a-si) Telureto de cádmio (CdTe) Disseleneto de cobre e índio (CIS) Silício cristalino

17 3.5 - Efeitos da temperatura Coeficientes de temperatura Parâmetros característicos Coeficientes de temperatura O aumento da temperatura de operação, de um modo geral, tem efeito negativo no desempenho dos dispositivos fotovoltaicos, reduzindo a eficiência de conversão. Exemplo para: c-si: γ = -0,45 %/ºC a-si: γ = -0,13 %/ºC

18 4 Classificação dos Sistemas FV Sistemas fotovoltaicos isolados (SFVI) ou (SFI) Não possuem conexão com o sistema público de fornecimento de energia elétrica; Normalmente são instalados em locais sem acesso à rede elétrica ou visando atender cargas especiais; A energia elétrica gerada normalmente é armazenada em baterias; Sistemas fotovoltaicos conectados à rede elétrica (SFVCR) ou (SFCR) Operam com conexão à rede elétrica pública; A energia gerada é injetada na rede elétrica. Não necessitam de elemento armazenador; Na falta da rede elétrica (desligamento para manutenção ou falha) os SFVCR se desconectam automaticamente da rede, deixando de fornecer energia, evitando o ilhamento; Segurança da rede e dos usuários

19 4.1 Componentes dos Sistemas FV Isolados Diagrama pictográfico de um SFVI

20 4.2 Componentes dos Sistemas FV Conectados à Rede Elétrica Diagrama básico de um SFVCR integrado ou aplicado a uma edificação Painel fotovoltaico SISTEMA DE COMPENSAÇÃO ADOTADO NO BRASIL Similar ao modelo Net Metering O gerador fotovoltaico TROCA a energia que produz (recebendo créditos em kwh) para serem consumidos. Questões tributárias devem ser melhor avaliadas no Brasil.

21 4.2 Exemplos de Sistemas FV Conectados à Rede Elétrica SFVCR (Escritório Verde UTFPR; Cutitiba - PR) 2,1 kwp, UTFPR, Escritório Verde, Curitiba PR (2011)

22 4.2 Exemplos de Sistemas FV Conectados à Rede Elétrica ( Fases da montagem ) 2,1 kwp, UTFPR, Escritório Verde, Curitiba PR (2011)

23 4.2 Exemplos de Sistemas FV Conectados à Rede Elétrica ( Fases da montagem ) 2,1 kwp, UTFPR, Escritório Verde, Curitiba PR (2011)

24 4.2 Exemplos de Sistemas FV Conectados à Rede Elétrica ( Fases da montagem ) 2,1 kwp, UTFPR, Escritório Verde, Curitiba PR (2011)

25 4.2 Exemplos de Sistemas FV Conectados à Rede Elétrica Geração (kwh/mês) Yield anual médio de 1.120kWh/kWp; Performance Ratio médio de 67%; Fator de Capacidade médio de 13%. Irradiação (kwh/m 2.dia) 2,1 kwp; 15 m² (p-si) 5,7 MWh (em 28 meses de operação) Geração anual 2,4 MWh/ano Média mensal 200 kwh

26 5 Tecnologia dos Módulos FV Aumento na eficiência dos módulos FV Materiais; Processos de fabricação; Otimização.

27 5 Tecnologia de Módulos FV Módulos Flexíveis colados sobre uma superfície curva; Módulos semitransparentes.

28 6 Tecnologia de Inversores para SFVCR Inversores para SFVCR Características Construídos para operar em paralelo com a rede elétrica; Toda a energia fotogerada é injetada na rede elétrica; Apresentam alta eficiência (> 94%); Possuem função de busca do ponto de máxima potência (MPPT); Tensão constante; Perturbação e observação; Condutância incremental; outros. Alguns modelos possuem mais de um MPPT Desligam-se automaticamente na ausência da rede elétrica; Sistema anti-ilhamento (monitoram: tensão; frequência e impedância)

29 6 Tecnologia de Inversores para SFVCR Estratégia quanto ao tamanho/quantidade: Micro inversor; Inversor nomo ou trifásico convencional; Inversor central.

30 6 Tecnologia de Inversores para SFVCR Estratégia quanto a topologia do circuito eletrônico: Com transformador de LF Sem transformador Com transformador de HF Multi string

31 7 Implantação de SFV Utilização de ferramentas e conectores adequados MC-4 MC-3

32 7 Implantação de SFV Infra estrutura de apoio para instalação:

33 7 Implantação de SFV Infra estrutura de apoio para instalação:

34 7 Implantação de SFV Detalhes de Montagem:

35 8 Tecnologia de Montagem Usinas FV: Sapatas; Tipo de brita; Espaçamento entre fileiras, etc.

36 8 Tecnologia de Montagem Integrada ou Aplicada nas Edificações (geração distribuída): Building Integrated Photovoltaic (BIPV) Building Applied Photovoltaic (BAPV)

37 9 Operação e Manutenção de SFV Limpeza do painel FV: Inclinação; Grau de poluição do ar; Tipo de pavimentação nos arredores; Frequência de chuvas.

38 9 Operação e Manutenção de SFV Substituição de inversores: Falha; Obsolescência tecnológica.

39 9 Operação e Manutenção dos SFV Utilizar materiais com durabilidade compatível a dos SFV

40 10 Comissionamento de SFV Start-up nos inversores Parametrização adequada;

41 10 Comissionamento de SFV Inspeção visual:

42 10 Comissionamento de SFV Verificação com câmera térmica (Identificação de pontos quentes) Área inativa causada por micro crack

43 11 Qualidade da energia gerada pelo SFVCR Qualidade da Energia Tensão e corrente na saída do inversor SB4000US com 90% de carregamento.

44 11 Qualidade da energia gerada pelo SFVCR Qualidade da Energia Tensão e corrente na saída do inversor SB2500 com 65% de carregamento.

45 12 - Potencial de Geração a partir de SFVCR Atlas Brasileiro de Energia Solar Mapa de Irradiação (no Plano Inclinado) (Inclinação igual à latitude local) Média anual kwh/m 2.dia

46 12.1 Potencial Fotovoltaico do Estado do Paraná Fonte: TIEPOLO, URBANETZ, CANCIGLIERI, VIANA, PEREIRA. V CBENS

47 12.1 Potencial Fotovoltaico do Estado do Paraná PARANÁ x ALEMANHA; ITÁLIA e ESPANHA Fonte: TIEPOLO, URBANETZ, CANCIGLIERI, VIANA, PEREIRA. V CBENS

48 13 Desafios a serem vencidos no estado do Paraná Provar a viabilidade da geração FV no Paraná; Ampliar a capacitação de profissionais em todos os níveis de escolaridade, em fontes alternativas de energia; Provar que as questões relacionadas ao ilhamento ; qualidade de energia; níveis de tensão; etc... Já estão contempladas nos algoritmos dos inversores de SFVCR; Mostrar que os custos já são atrativos ao consumidor residencial (no uso concomitante com a geração) ( R$ 8,00 / Wp instalado R$ 0,40 a R$ 0,50 / kwh ); Tributação: Estadual reduzir ou isentar o ICMS sobre a energia FV; Municipal incentivar a GD com redução no IPTU. E os SFVCR com backup de energia? A concessionária está preparada para este tipo de interligação?

49 OBRIGADO PELA ATENÇÃO!!! Prof. Jair Urbanetz Junior, Dr. Eng. Aspectos Tecnológicos e Operacionais Curitiba da Geração Maio FV Smart / 2014 Energy Paraná - Curitiba - maio / 2014

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