12º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA Guayaquil, 10 a 13 de Novembro de 2015

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1 12º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA Guayaquil, 10 a 13 de Novembro de 2015 ESTUDO COMPARATIVO DE PAINEL SOLAR DO TIPO FIXO 1 Medeiros, I. P. M; 1 Fontes, F. A. O; 1 Barbosa, C. R. F; 1 Medeiros R. R. B; 1 André, T. S; 1 Lima, C. M; 1 Souza, E. H. V. ; 2 Valcacer, S. M. 1 Universidade Federal do Rio Grande do Norte UFRN - Programa Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Avenida Senador Salgado Filho, 3000 Lagoa Nova, Natal - Rio Grande do Norte Brasil, CEP isaacmedeiros.rn@gmail.com; franciscofontes@uol.com.br; cleiton@ufrnet.br; ramonruda@hotmail.com; thiagoandreengmec@hotmail.com, geracao3d@gmail.com, edu_engmec@yahoo.com.br 2 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Mato Grosso do Sul IFMS - Brasil, Rua Delamare, Dom Bosco, Corumbá Mato Grosso do Sul Brasil, CEP samara.valcacer@ifms.edu.br Palavras-chave: Energia solar fotovoltaica, inclinação, PV. RESUMO A produção de energia a partir dos raios solares é bastante promissora por ser limpa, silenciosa e com baixos impactos visuais. A grande desvantagem é a baixa conversão em energia elétrica para painéis fixos. Utilizando uma bancada para simulação de painéis fotovoltaicos PV proporcionou-se a simulação da inclinação dos raios solares no ciclo diário. Para minimizar esse problema o estudo fez uso de PV manual com articulação de zenital, isso, para acompanhar a máxima incidência solar e aumentar a produção de energia elétrica. Para tal, usa-se uma bancada para simulação em um circuito fechado. Essa análise baseia-se na corrente elétrica com geração de informação. Além de propiciar uma reflexão sobre a eficácia desse tipo de sistema o estudo visou estabelecer o grau de máxima incidência solar, que é de 0º à 90º (nascente) e 90º à 180º (poente). Por fim, apresentaram-se os resultados da geração de corrente elétrica obtida pelo suporte fixo fazendo assim uma comparação com o referencial teórico e os dados conseguidos experimentalmente no estudo. PALAVRAS-CHAVE: Energia solar fotovoltaica, inclinação, PV.

2 INTRODUÇÃO Há o interesse crescente no uso de energias renováveis (ER) no Brasil e no mundo. E a partir da energia solar fotovoltaica pode-se produzir eletricidade de forma limpa. O que a torna vulnerável é sua baixa eficiência. Um seguidor solar de dois eixos pode aumentar a eficiência do sistema de conversão de energia em até 30%, sendo uma solução adequada para aumentar a eficiência energética. As fontes de ERs são aquelas em que a sua utilização e uso é renovável e pode-se manter e ser aproveitado ao longo do tempo sem possibilidade de esgotamento dessa mesma fonte (1) e (ANEEL, 2005). Pode-se citar como exemplo: biomassa, eólica e energia dos oceanos como formas indiretas de energia solar. (3). Energia térmica solar Segundo Villalva, Gazoli et al (2012) a energia do Sol pode ser aproveitada como fonte energia para a produção de energia elétrica usando-se um sistema fotovoltaico (PV), que consiste na conversão direta da luz solar em energia elétrica. Tal radiação pode se originar na emissão e na reflexão, ocorrendo em outras superfícies. A quantidade de energia produzida por um sistema PV depende da insolação no local onde é instalado. As regiões Nordeste e Centro-oeste no Brasil são as que possuem o maior potencial de aproveitando (2). Os sistemas fotovoltaicos possuem ângulo fixo de inclinação (4). No entanto, uma célula estática possui limitações na captação de energia solar. Se a célula se movesse em direção à fonte de energia radiante ou luz solar, ela poderia gerar mais energia. Assim os painéis solares devem ser montados orientados pela Zenithal (zenital) (5). Tomando como base essa problemática o trabalho visa explicar e comparar, de forma didática, os painéis fixos desenvolvidos para simulação no Laboratório de Energia da Universidade Federal do Rio Grande do Norte UFRN. Metodologia e aspectos teóricos A metodologia adotada na pesquisa foi: medições para fins de validação do modelo de sistema de bancada para simulação, representado na Fig. 1. Unidade de simulação da orientação do PV Unidade de simulação de carga Inclinação do ângulo com a horizontal Medidor de Energia Solar Amperes (A) Carga Não rastreamento Volts (V) Fig. 1: Diagrama da bancada didática de captação solar. A medição da captação máxima e mínima foi feita em W/m 2 para que se pudesse avaliar a influência da inclinação na captação de energia. Apresenta-se na Fig. 2, um circuito solar para simulação do PV que pode ser medida em: corrente, tensão, potência, medição de energia solar depende do valor de insolação em paralelo com diodo e em paralelo com um resistor em série. A Figura 3 representa uma bancada com equipamento de medição. Uma vez definida a intensidade da luz é alterada a insolação. O melhor posicionamento do enxame será a solução do problema, ou seja, a captação máxima de energia. (8).

3 A Simulaçã Modelo equação PV Sola V Carga Resultado Fig. 2: Diagrama de bloco do circuito solar Variador Refletor/Projetor Orientação para inclinação Carga Painel Solar Suporte para painéis solares Multímetros Medidor de Energia Solar Fig. 3: Bancada didática para simulação de PV. Baseado no aparato construído pode-se analisar a influência da inclinação na captação de energia do sistema, que é a sua principal contribuição aliado a um baixo custo de confecção. Pode-se então estabelecer relações entre a inclinação e a quantidade de energia elétrica formada. MODELO EQUAÇÕES X UMA SUPERFÍCIE INCLINADA PARA A ENERGIA SOLAR Na Fig. 4, a bancada compreende um conjunto de equações que calculam a partir do raio solar a inclinação do ângulo de orientação dos raios solares com relação a um plano, que representa a posição do sol em relação a esse plano, pode ser descrito em termos de vários ângulos (7). Tomando como base a superfície com inclinação Luz/Sol (L/S), em sua trajetória no céu desde o Nascente/Manhã (N/M) pelo Oeste até Tarde/Poente pelo Leste (T/P), podemos afirmar assim que um observador localizado na superfície e latitude abaixo linha do equador, quando estiver olhando da linha Norte/Sul, verá o Sol com ângulo variável do seu lado direto no período da manhã e do lado esquerdo no período da tarde. Ao meio dia solar verá o Sol exatamente a sua frente (5). Proporcionam vários efeitos de iluminação. Tem o IRC (Índice de Reprodução de Cor) de 100%, significa uma luz mais real, com a luz que obtemos com o Sol. Meio-dia = A luz que é mais emitida pelo Sol, a chamada luz visível. Tarde/Poente Bancada Nascente/Manhã Fig. 4: Bancada de orientação zenital correta do modulo solar. As medições serão feitas por um ponto superfície que é estabelecida pela posição do L/S. Há dois importantes ângulos para radiação solar que são a altitude [9]. A Zenith, operação ângulos são medidos em graus para

4 radiação solar cálculos, como está ilustrado na Fig. 5, essa variação esta relaciona com a inclinação de valores de energia solar. Como se sabe, a energia elétrica produzida por um PV painel é diretamente proporcional com a quantidade da radiação solar que o mesmo é exposto. A fim de fazer uso máximo de radiação solar, é também necessário saber o ângulo da altura solar, ângulo de inclinação dos módulos e o zenital do Sol. O melhor aproveitamento da energia solar ocorre quando o raio incide perpendicularmente ao módulo. A radiação solar em uma superfície inclinada orientada para Leste/Oeste, pode ser calculada como se segue. Ao considerar o fator de correção de acordo com a constante solar para a cada posição e o número, definida como; ângulo de altitude (α s) 0º a 90º para nascente e 90º a 180º para poente: É o ângulo entre a radiação solar vertical. (a) (b) Fig. 5: (a) Ilustração dos ângulos Z e s representando a posição do Sol em relação ao plano horizontal; (b) Plano Zenith ângulos para cálculos de radiação solar. Segundo Pinho, Galdino (2014) pode-se representar o ângulo para o tempo solar que ω é o deslocamento angular leste solar ou a oeste do meridiano local devido à rotação da Terra, por meridianos cada 15 (igual uma hora), o tempo solar médio na longitude 0 Assim, para converter o tempo solar t s única correção devem ser aplicada. A primeira dela é a correção para a diferença de longitude entre meridiano do observador e do meridiano em que se baseia o tempo [11]. Correção é a partir da equação de tempo Eq.1. São adotados, como convenção, valores negativos para o período da manhã, positivos para o período da tarde, e zero ao meio dia solar [12]. ( t 12).15º (1) s O ângulo de Zenith igual manhã Z Eq.2 é pode ser calculado em função da declinação solar δ, do ângulo tempo t s e da latitude local φ, o ângulo zenital é expresso em termos de latitude φ, declinação δ e ângulo tempo Para tanto, considera-se o ângulo zenital igual a 90 graus ( Z = 90 ) calcula-se o ângulo horário que, neste caso, é igual à hora angular do poente igual Eq. 3 como se segue: cos Z cos cos sin. sin (2) Ângulo Zenith Z é obtido como Eq.3; z ( - s ) (3) Para o caso especial do meio-dia solar, para a superfície inclinada virada para Oeste Eq.4, Pode ser resolvido para o ângulo do tempo ( - ) (4) t s, quando Z = 90º Eq. 5: cos sin sin t s t s (5) cos cos

5 MODELO DE PV Para comparar e melhorar os sistemas relaciona-se a angulação com a captação solar, um modelo teórico tem sido utilizado [10]. Com protótipo já ilustrado na figura 2 é simplificada essa observação. Assim como na literatura [9], [10], [11] e [12] descreve a célula, módulo ou PV comportamento e operação. Estes modelos utilizam diferentes métodos de cálculo, carga e o número de parâmetros que intervêm na característica de corrente-tensão. Os modelos são diferentes pelo processo de cálculo, carga e o número de parâmetros que intervêm na característica de corrente-tensão. O trabalho em questão o circuito elétrico equivalente Eq. 6 que representa a relação de corrente-tensão correspondente porem a segunda convenção e mais intuito porque ela representa o que realmente acontece no circuito. Contudo, a primeira convenção é mais comum, é adotar a direção da corrente I para um circuito simples como esse a direção da corrente é obvia com base na polaridade da fonte. Em seguido, utiliza-se a direção da corrente um resistor R1 para atribuir a polaridade da queda de cargo de tensão. Aplicando a lei de Ohm seguir Eq. 6. Portanto Eq. 7, V s I R. R 0 (6) Determinação da eficiência do global V I R R 0 (7) R A eficiência do módulo PV é definida pela relação entre a potência gerada pelo módulo PV e a energia solar incidente sobre ângulo. Segundo Gnoatto et al (2002) a eficiência n θ é igual a 90 graus para altura níveis insolação pode ser obtida pela seguinte Eq. 8: n Peletrico 1,026 n 79% (8) P 1,298 Radiação Utiliza-se esta equação para calcular a eficiência do painel fotovoltaico em um sistema experimental híbrido, Fotovoltaico/coletor solar gerando eletricidade [12]. Determinação da eficiência do global No procedimento experimental considera-se sempre a insolação versus o meio ambiente em função do tempo ( t s ). A insolação é medida em W/m 2 e pode-se estabelecer a seguinte relação: a incidência solar é menor no período da manhã/poente. Isso ocorre porque o ângulo de incidência do sol é 0º até meio dia 90º ( ) e no fim de tarde é 90º à 180º ( Z ). A insolação no caso da bancada didática para ensino de energia solar é controlada pela mudança de ângulo que acompanha a carga da corrente. A diferença é medida tomando como parâmetro a latitude, ângulo de tempo, o ângulo de inclinação de painel fotovoltaico. Propuseram a qualquer tipo ou combinação de módulos PV. Apresentem-se as nas Figuras, curvas dos módulos fotovoltaicos com diferentes combinações e número diferente de PV sob uma intensidade de insolação W/m 2.

6 Na Fig. 7, os PV estão conectados em paralelo, a tensão de saída e corrente fornecida como se observa na curva mv e ma resultante do conjunto mostrada que a corrente de circuito permaneceu constante à medida de PV varia de 0º até 90º (nascente). Fig. 7: Dados experimentais e de simulação instantânea PV, tensão V e corrente A, indecência 0 à 90º (Nascente). Na Fig. 8, pode-se perceber a resposta da tensão de saída e corrente fornecida como se observa na curva mv e ma resultante do conjunto mostrada que a corrente de medida de PV nos 90º até 180º (poente). Fig. 8: Dados experimentais e de simulação instantânea PV, tensão V e corrente A, indecência 90 à 180º (Poente) Na Fig. 9, O ângulo de inclinação de Zenital entre 0 à 90º e 90º à 180º para alto níveis de insolação pode-se observar que as alterações na irradiação afetam principalmente a corrente de saída, enquanto que as variações de tensão influenciam principalmente a tensão de saída. Fig. 9: Dados experimentais e de simulação instantânea PV, tensão mw e níveis de insolação, indecência 0 à 90º e 90º a 180º (Nascente e Poente).

7 O exame da Fig. 10 mostra o I - V (tensão) pode-se observar a curva do módulo fotovoltaico com uma carga de tensão crescente, combinações de células solares sob uma intensidade de insolação à 90º e medição de energia solar médio em 86,8 W/m 2 Fig. 10: Potência de saída tensão-corrente de PV (I - V), alto níveis fico 86,8Wm 2, mais eficiente em 79%. CONCLUSÃO Neste estudo comprovou-se a eficácia do método de simulação com auxílio de uma bancada didática na estimativa de relacionar: intensidade de radiação, corrente e carga. Outro fator para salientar é a simplicidade/baixo custo aliado a uma precisão estimada que pode ser comparada com os valores previstos experimentalmente. O método proporciona resultados mais precisos em comparação com os do método de curva de dois pontos-única, mesmo que as intensidades de irradiação ou temperaturas ambientes são alterada. A eficiência global é de 79%, em condições reais de escala, segundo dessa forma pode-se melhor dimensionar os sistemas fotovoltaicos para laboratório de energia da UFRN, otimizando essa forma de geração alternativa de energia elétrica. AGRADECIMENTO Os autores agradecem à CAPES pelo suporte financeiro. REFERÊNCIA 1. Medeiros, I. P. M.; Fontes, F. A. O.; Lima, C. M.; Barbosa, C. R. F.; Valcacer, S. M.; Sanabio, R. G.; Dantas, V. B; Uso de Sistemas Automatizados para Otimizar a captação de Energia em Painéis Solares, p In: Anais do Congresso Nacional de Matemática Aplicada à Indústria, Blucher Mathematical Proceedings, v.1, n.1. São Paulo dx.doi.org/ /mathpro-cnmai ANEEL, Atlas de Energia Elétrica do Brasil - Agencia Nacional de Energia Elétrica, 2ª ed., Brasília/DF, 243p. 3. S.A. Sharaf Eldin, M.S. Abd-Elhady, H.A. Kandil, Feasibility of solar tracking systems for PV panels in hot and cold regions. Renewable Energy, Volume 85, Pages , Elsevier dx.doi.org/ /j.renene A. Garcia, J.L. Balenzategui, Estimation of photovoltaic module yearly temperature and performance based on nominal operation cell temperature, Renew. Energy Volume 29, Issue 12, outubro de 2004, Pages Elsevier dx.doi.org/ /j.renene Villava, M. G., Gazoli. J. R. Energia Solar Fotovoltaica - Conceitos e Aplicações - Sistemas Isolados e Conectados À Rede. São Paulo. 1º ed. Erica ISBN Kristijan Brecl, Marko Topič, Self-shading losses of fixed free-standing PV arrays. Energy Policy, Volume 36, Issue 11, November 2011, Pages , Elsevier doi: /j.renene Duffie J, Beckman W. Solar Engineering of Thermal Processes, second ed. USA: Wiley; Mohcene Bechouat, Youcef Soufi, Moussa Sedraoui, Sami Kahla, Energy storage based on maximum power point tracking in photovoltaic systems: A comparison between GAs and PSO approaches,

8 International Journal of Hydrogen Energy, Available online 3 June 2015, ISSN , dx.doi.org/ /j.ijhydene Saban Yilmaz, Hasan Riza Ozcalik, Osman Dogmus, Furkan Dincer, Oguzhan Akgol, Muharrem Karaaslan, Design of two axes sun tracking controller with analytically solar radiation calculations, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 43, March 2015, Pages , ISSN , dx.doi.org/ /j.rser M. Koussa, A. Cheknane, S. Hadji, M. Haddadi, S. Noureddine, Measured and modelled improvement in solar energy yield from flat plate photovoltaic systems utilizing different tracking systems and under a range of environmental conditions, Applied Energy, Volume 88, Issue 5, May 2011, Pages , ISSN , dx.doi.org/ /j.apenergy Taher Maatallah, Souheil El Alimi, Sassi Ben Nassrallah, Performance modeling and investigation of fixed, single and dual-axis tracking photovoltaic panel in Monastir city, Tunisia, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 15, Issue 8, October 2011, Pages , ISSN , dx.doi.org/ /j.rser PINHO, J.; GALDINO, M. A. Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos, CRESESB - Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sergio de Salvo Brito. 1ª ed., Rio de Janeiro/RJ, p Estor Gnoatto; Yuri Ferruzzi; Reinaldo P. Ricieri; Miguel M. Junior; Adriana T. E. de Oliveira, desempenho de painel fotovoltaico em um sistema isolado. Encontro de Energia no Meio Rural, 2004, Campinas. Proceedings online. Disponível em: < =en&nrm=abn>. Acesso em: 11 de Agosto de UNIDADES Y NOMENCLATURA Z Ângulo zenital em relação à posição Leste ( ) Ângulo zenital em relação à posição Oeste ( ) declinação solar s Ângulo de inclinação de painel latitude local t s Ângulo do tempo solar n Medidor insolação de direta solar (W/m 2 ) Eficiente global n ɵ