OS SISTEMAS FOTOVOLTAICOS NO EDIFÍCIO SOLAR XXI RESULTADOS

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1 CIES 2006 XIII Congresso Ibérico e VIII Congresso Ibero-Americano de Energia Solar 9-10 Novembro 2006, Lisboa OS SISTEMAS FOTOVOLTAICOS NO EDIFÍCIO SOLAR XXI RESULTADOS C. Rodrigues, S. Viana, A. Silva, A. Joyce, H. Gonçalves INETI, Departamento de Energias Renováveis, Lisboa, Portugal carlos.rodrigues@ineti.pt, susana.viana@ineti.pt, antonio.rocha@ineti.pt, antonio.joyce@ineti.pt, Resumo Nesta comunicação são apresentados e discutidos os resultados obtidos no primeiro ano de funcionamento dos dois sistemas fotovoltaicos instalados no Edifício Solar XXI, relativamente ao previsto. Estes sistemas de diferentes tecnologias, foram instalados na Fachada Sul do Edifício e nas estruturas de sombreamento do parque de estacionamento. Apresentam-se também os resultados obtidos em termos da energia produzida relativamente à energia eléctrica consumida no Edifício. 1. Introdução O novo Edifício do Departamento de Energias Renováveis do INETI, designado por Edifício Solar XXI e o respectivo parque de estacionamento adjacente integram dois sistemas fotovoltaicos (PV) ligados à rede. Um dos sistemas, com cerca de 12 kwp, constituído por módulos de silício multicristalino, foi instalado na fachada vertical Sul do Edifício e o outro, com 6 kwp, constituído por módulos de silício amorfo, foi instalado em estruturas de sombreamento no respectivo parque de estacionamento. Os sistemas fotovoltaicos e o edifício formam parte de um projecto de demonstração apoiado pelo Governo Português através do Programa PRIME. O edifício integra também, além da produção de energia eléctrica por via fotovoltaica, a utilização da iluminação natural em todo o edifício, assim como, técnicas de energia solar térmica activas e passivas. A fachada PV, em particular, foi projectada por forma a permitir também o aquecimento ambiente nos meses de Inverno, através da utilização do ar aquecido na conduta formada pelos módulos PV e a parede na fachada Sul, e a permitir a circulação de ar nos meses de Verão arrefecendo os módulos. Nesta comunicação são apresentados e discutidos os resultados obtidos no primeiro ano de funcionamento dos sistemas fotovoltaicos em termos de produção de energia eléctrica. 2. Sistemas Fotovoltaicos 2.1 Fachada PV A fachada fotovoltaica do edifício Solar XXI (Fig. 1) é constituída por 76 módulos BP 3160, de silício multicristalino, com uma potência pico total instalada de 12,16 kw e a que corresponde uma área de módulos de 95,6 m 2.

2 Fig. 1 - Fachada PV ligada à rede, Edifício Solar XXI - INETI A energia eléctrica produzida em corrente contínua pelos módulos PV é convertida em corrente alternada através de 3 inversores Fronius IG 40 com potências de saída nominais de 3,5 kw. Os inversores possuem um rendimento "europeu" de 93,5 % e um rendimento máximo de 94,5 %. Tabela 1 Configuração dos módulos na Fachada PV Inversor Módulos/série nº séries Potência pico PV (W) 1- Fronius IG Fronius IG Fronius IG Total Atendendo ao número de módulos possíveis de serem instalados e às características técnicas dos inversores foi adoptada a configuração de ligações dos módulos apresentada na Tabela 1 e esquematicamente na Fig. 2. Por forma a melhorar o desempenho do sistema fotovoltaico e atendendo a que, o fabricante fornecia para cada um dos módulos a respectiva curva característica, os módulos ligados em série foram escolhidos por forma a terem valores semelhantes de corrente de curto-circuito. Desta forma procurou-se minimizar os desfasamentos entre curvas características dos módulos ("mismatch"). Os módulos com correntes de curto circuito mais elevadas foram ligados sequencialmente ao Inversor 1, Inversor 2 e Inversor 3.

3 Fig. 2 - Esquema de ligação dos módulos da fachada no edifício Solar XXI 2.2 Cobertura PV do parque de estacionamento A cobertura do parque de estacionamento é constituída por 100 módulos Kaneka GEA60, em silício amorfo, com uma potência pico total instalada 6 kwp e que corresponde uma área de módulos (A pv ) de 95,0 m 2. Fig. 3 - Cobertura PV de Parque Estacionamento - INETI A melhor orientação dos módulos para maximizar a captação anual da radiação solar à latitude de Lisboa é a orientação Sul, com uma inclinação de cerca de 30º. No entanto, como os lugares de estacionamento não estavam geometricamente alinhados com a direcção

4 Sul, optou-se por montar os módulos em estruturas em forma de T, virados a Sul mas com uma inclinação de 15º (por forma a minimizar os efeitos do vento na estrutura), Fig.3. Os módulos estão ligados a 2 inversores SOLARSTOCC PS4000HV de 3,3 kw de potência nominal e com um rendimento de 93 %, conforme as configurações apresentadas nas Tabela 2 e Fig. 4. Tabela 2 Configuração dos módulos PV na Cobertura do Parque Inversor Módulos/Série nº séries Potência pico PV 1- SolarStocc PS4000HV SolarStocc PS4000HV (W) Total Fig. 4 - Esquema de ligação dos módulos no Parque de estacionamento 3. Modelação do funcionamento dos sistemas PV A instalação dos dois sistemas foi precedida de estudos prévios que incluíam a modelação do seu funcionamento numa base de tempo horária. O método utilizado, desenvolvido no INETI, tem por objectivo determinar a quantidade de energia eléctrica produzida em corrente continua (CC) pelo campo de módulos PV e a energia entregue na rede eléctrica em corrente alternada (CA). A modelação integra vários modelos, simulando-se o funcionamento dos sistemas a partir de séries horárias de dados climatológicos da irradiância global e temperatura ambiente geradas para um ano meteorológico típico (TRY- Test Reference Year), [1]. Em particular para os módulos fotovoltaicos é usado o modelo de um díodo com 5 parâmetros [2], obtidos a partir das características técnicas dos módulos, funcionando nas condições de máxima potência (impostas pelo seguidor de máxima potência - MPPT integrado nos inversores). A energia entregue à rede em CA é obtida a partir da modelação do funcionamento dos inversores a partir da sua curva de rendimento em função da potência de entrada, estimada a partir dos valores de rendimento fornecidos pelos fabricantes [3], [4].

5 Os valores horários utilizados da irradiância solar global na horizontal (G h ) e da temperatura ambiente (T amb ), para um ano de referência (TRY) em Lisboa, são apresentados na Fig. 5. Fig. 5 - Séries horárias de dados climatológicos, em Lisboa, para um ano meteorológico de referência: Irradiância solar global na horizontal e Temperatura ambiente Na Fig. 6-a) apresentam-se as curvas características dos módulos utilizados na fachada, a diferentes valores de irradiância solar e os respectivos pontos de máxima potência, calculadas para uma temperatura ambiente de 25º C; na Fig. 6-b) apresenta-se a curva de rendimento dos inversores utilizados na fachada estimada a partir dos valores de rendimento fornecidos pelo fabricante Wm-2 800Wm-2 600Wm-2 400Wm-2 200Wm Corrente (A) Rendimento Calculado Fabricante Tensão (V) Pentrada / Pnominal Fig. 6 - a) Curvas características -módulos da fachada; (b) Rendimento dos inversores da Fachada 3.1 Estimativa da Produção de Energia Eléctrica A partir das modelações obtiveram-se os valores diários dos índices de referência, Y r e Y f. O índice Y r corresponde ao número de horas diário, com irradiância de 1kWm -2 incidente no

6 plano dos módulos e que é numericamente igual ao valor da irradiação solar diária (em kwh/m 2 ); o índice Y f corresponde ao número de horas diário que uma a central PV funciona à potência pico nominal e é dada pelo quociente entre a energia entregue à rede e a potência pico instalada. Na Fig. 7 e na Fig. 8 apresentam-se os resultados obtidos para os dois sistemas PV. Fig. 7 - Desempenho anual esperado para a Fachada PV de 12 kw A produção anual de energia eléctrica estimada para a fachada foi de ~ kwh, ou seja kwh/kwp. Fig. 8 - Desempenho anual esperado para a cobertura PV do parque de estacionamento de 6 kwp A produção anual de energia eléctrica estimada para a cobertura PV do parque foi de ~ kwh, ou seja kwh/kwp.

7 Contabilizando a produção de energia anual dos dois sistemas, a produção total estimada foi de kwh. Na Fig. 9 apresentamos a produção média diária mensal dos dois sistemas ao longo do ano, que corresponde a uma produção média diária de 55,5 kwh. Fig. 9 - Produção média diária mensal esperada de energia eléctrica 4. Resultados da monitorização dos sistemas PV 4.1 Produção de energia eléctrica na Fachada Nos sistemas fotovoltaicos instalados foram monitorizados diversos parâmetros, entre os quais a temperatura ambiente, a temperatura dos módulos, a irradiação solar no plano dos módulos e a produção de energia eléctrica em corrente contínua produzida pelos módulos e a energia entregue à rede em corrente alternada. Na Fig.10 apresenta-se a energia eléctrica diária entregue à rede pela Fachada no período de um ano ( a ). Fig Produção diária da energia eléctrica na Fachada PV

8 Como se pode ver na Tabela 3, a energia eléctrica produzida num ano pela fachada PV foi de kwh, ou seja 958 kwh/kwp. Este valor, inferior em 7 % ao previsto no estudo prévio, deve-se em parte, à ocorrência de sombras durante o principio da manhã e ao fim da tarde, no período em que o Sol está mais baixo no horizonte. Tabela 3 Resultados para um ano de funcionamento- Fachada Solar XXI - Fachada PV Wp Inversor : IG 1 IG 2 IG 3 Total Apv 1 (m² ) Apv 2 (m² ) Apv 3 (m² ) Apv (m² ) Ppv (kwp) : 4,48 3,84 3,84 12,16 35,24 30,20 30,20 95,64 Energia CA (kwh) : Energia à saída dos inversores (1 ano) Índices de desempenho do Sistema PV * * Valores anuais entre 01/11/2005 e 31/10/2006 Yr Yf 1 Yf 2 Yf 3 Yf PR 1 PR 2 PR 3 PR (kwh/m²) (kwh/kwp) (kwh/kwp) (kwh/kwp) (kwh/kwp) ,853 0,848 0,825 0,843 O Índice de Desempenho, PR (Performance Ratio), dado pela razão Y f / Y r, apresenta um valor médio muito bom de 0,843. Note-se também o melhor desempenho do Inversor 1 devido à escolha efectuada em função das correntes de curto-circuito dos módulos. Fig Índices de referência, Y r e Y f medidos no sistema da Fachada PV

9 4.2 Produção de energia eléctrica no Parque de Estacionamento Desde a sua conexão à rede em Novembro de 2005 o sistema instalado na cobertura do Parque de Estacionamento entregou à rede eléctrica um total de kwh, em 353 dias de funcionamento. A produção anual esperada para o primeiro ano de funcionamento é de kwh/kwp, ou seja, cerca de +10% do que a energia prevista, utilizando os parâmetros nominais dos módulos ( medidos após estabilização dos módulos). Este resultado, é uma consequência de os módulos de silício amorfo estarem sujeitos a um processo de estabilização das suas características por efeito da radiação solar, apresentando inicialmente valores de potência que podem ser 20% superiores aos nominais. 5. Comparação entre a energia produzida e consumida no edifício Após a ocupação do Edifício foi possível proceder ao registo dos valores da energia produzida e da energia eléctrica consumida a partir de Desde essa data, a energia eléctrica média diária dos Sistemas PV entregue à rede foi de 55 kwh, que corresponderam a 26.4 kwh produzidos no Parque e 28.6 kwh produzidos na Fachada, Fig. 12. Fig Produção média diária dos Sistemas PV na Cobertura do Parque e na Fachada O consumo médio diário de energia eléctrica no Edifício, no mesmo período, foi de 70 kwh, ou seja, os sistemas fotovoltaicos supriram cerca de 80 % das necessidades de energia eléctrica. Análise da Fig. 13 mostra que a produção dos sistemas PV ultrapassou mesmo o consumo de energia eléctrica do Edifício durante cerca de um mês e meio, no período do Verão. A energia excedente é consumida noutros locais no Campus do INETI.

10 Fig Consumo do Edifício Solar XXI e Energia Produzida nos Sistemas PV 6. Conclusões Os Sistemas Fotovoltaicos instalados no Edifício Solar XXI (12 kwp + 6 kwp) corresponderam ao esperado em termos de produção de Energia eléctrica, tendo produzido em média 80 % da energia eléctrica consumida no Edifício desde a sua ocupação. A utilização dos módulos de silício multicristalino na Fachada vertical Sul conduziu a valores medidos da produtividade anual de cerca de 960 kwh/kwp, ou seja, cerca de 122 kwh/m 2 sendo portanto a utilização do PV em fachadas uma tecnologia a considerar no projecto de novos edifícios. Até ao momento, a utilização dos módulos de silício Amorfo na cobertura do Parque de estacionamento (a 15º de inclinação) conduziu a valores que neste primeiro ano corresponderam uma produtividade anual de 1420 kwh/kwp, ou seja cerca de 90 kwh/m 2 sendo portanto também uma tecnologia a considerar no projecto de novos edifícios ou outros equipamentos. 7. Referências 1. Aguiar R., (1998). "CLIMED 1.2 Software", INETI-Dep. de Energias Renováveis, Lisboa. 2. C. Rodrigues, (1996), Dimensionamento de Sistemas Fotovoltaicos Autónomos, Tese de Mestrado, DEM, IST 3. Schmid et al, (1992), "Results of the Concerted Action on Power Conditioning and control", XI EPVC Montreux, Suiza 4. Alonso M., Chenlo F., (2004), "Choosing the right inverter", Renewable Energy World, March-April