NOÇÕES DE ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA

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1 Ministério da Educação Universidade Tecnológica Federal do Paraná Campus de Cornélio Procópio NOÇÕES DE ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA SISTEMAS FOTOVOLTAICOS Prof. Me. Marco Antonio Ferreira Finocchio CORNÉLIO PROCÓPIO Janeiro de 2013

2 2 Índice 1. Introdução 03 Sistemas PV Aplicações de Sistemas PV Eletrificação Rural Aplicações Profissionais Sistemas Ligados à Rede 2. Aspectos Tecnológicos de Sistemas PV 05 Tipo de Sistemas Células PV Acumuladores (Baterias) Reguladores de carga 3. Eficiência dos Sistemas PV 08 Perdas e Rendimento Índice de Performance 4. Aspectos Econômicos dos Sistemas PV 10 Custos dos Sistemas PV Custo da Energia Produzida com Sistemas PV 5. Conclusão 11

3 3 1. Introdução Ao longo deste texto serão abordados, de forma sintética, vários aspectos de interesse relacionados com os sistemas fotovoltaicos (PV, photovoltaic). Dentro desta perspectiva o texto pretende fornecer informação sobre a utilização atual dos sistemas fotovoltaicos tais como: aplicações, custos, mercado. Pretende-se também focar os desenvolvimentos tecnológicos relacionados com o projeto e dimensionamento dos sistemas. Será feita referência aos diferentes materiais, acumuladores e inversores. Por fim far-se-á uma abordagem econômica para os diversos sistemas PV. Sistemas PV As células solares são sistemas de conversão direta de energia solar em energia elétrica. Este efeito é designado por efeito fotovoltaico, sendo demonstrado pela primeira vez em 1939 por Becquerel. As células fotovoltaicas consistem em duas camadas de material semicondutor, uma com característica elétrica positiva e outra negativa. Quando a luz incide sobre a camada negativa alguns fótons são absorvidos libertando elétrons e gerando uma corrente elétrica que percorre o circuito externo, que por sua vez se fecha através da camada semicondutora positiva. Estes sistemas têm evoluído enormemente desde as suas primeiras utilizações na década de 50. Desde esta data o custo dos sistemas PV continua a decrescer em simultâneo com o crescimento e desenvolvimento de novos sistemas tornando-se cada vez mais fortes no mercado da energia. Os esforços combinados da indústria e das organizações públicas e governamentais tornaram possível um decréscimo dos custos dos sistemas PV em mais de 300% desde O crescimento do mercado mundial é de aproximadamente 20% por ano. As aplicações mais freqüentes dos sistemas PV são sistemas DC, de potências inferiores a 100W, aplicações para as quais os sistemas PV se tornaram os escolhidos. Mais de 200 mil casas em todo o mundo são alimentadas por sistemas PV com potências inferiores a 1kW e muitos deles fornecendo correntes AC. A produção de módulos PV para utilizações terrestres aumentou com um fator multiplicativo de 200 nos últimos 20 anos. Estando o fabrico de células PV distribuído em: 48% cristal simples de silicone, 30% de silicone policristalino, 20% de silicone amorfo e 2% de outros materiais. O custo anual de energia está atualmente entre os 60$00/kW e os 220$00/kW. Com este custo os sistemas PV são viáveis para aplicações em sistemas isolados (afastados da rede elétrica): consumidores domésticos, bombeamento de água, telecomunicações, etc. A operabilidade e o tempo de vida dos sistemas têm melhorado de dia para dia. Os fabricantes garantem atualmente tempos de vida para os seus produtos de 20 anos. Prevê-se que a potência instalada de sistemas PV em todo o mundo cresça em 1996 de 60MW para 100MW. O mercados dos sistemas PV cresceu de 300 milhões de escudos em 1975 para milhões de escudos em Todos os tipos de sistemas PV estão a melhorar os seus rendimentos, assumindo atualmente valores entre 5 e 13%. Os fabricantes estão a fazer esforços no sentido melhorar estes rendimentos e, simultaneamente, reduzir os custos para metade até ao ano Aplicações de sistemas PV Atualmente, os sistemas PV são utilizados essencialmente em locais isolados, onde outros tipos de produção são muito caros e onde são exigidos sistemas silenciosos e não poluidores.

4 4 Eletrificação rural Fornecer eletricidade a consumidores das zonas rurais é uma preocupação de todo o mundo sendo a eletricidade, em muitos países, uma necessidade humana básica. São vários os cenários possíveis de eletrificação rural: Em países em vias de desenvolvimento é necessária a eletrificação de centros médicos isolados. Para tal basta usar pequenos sistemas PV facilmente transportáveis capazes de alimentar sistemas imprescindíveis de iluminação e refrigeração. A televisão poderá ser um meio educacional importante capaz de ministrar educação sanitária, agrícola, controlo de população, etc. Em regiões isoladas de países desenvolvidos, já são comerciáveis kits para alimentação de habitações temporárias tal como casas de montanha. Estes kits incluem um ou dois módulos PV, 3 ou 4 lâmpadas, uma bateria e um simples carregador de baterias. Existem também sistemas para casas com consumos mais elevados em que é necessário alimentar frigoríficos, iluminação, televisão, equipamento de cozinha, congelador, etc. Para este tipo de aplicação são necessários sistemas PV de maiores dimensões com um pequeno inversor associado alimentando as cargas em corrente AC. É importante notar que os sistemas de aquecimento de água não são alimentados por sistemas PV, mas sim por sistemas solares térmicos não elétricos (sistemas solares passivos). Grupos de casas ou pequenas aldeias isoladas podem ser alimentadas por um sistema central PV ou um sistema híbrido PV/Diesel. Em ambos os casos são utilizados conjuntos de baterias com grande capacidade de armazenamento. Estes sistemas incluem uma pequena rede que faz a distribuição em corrente alternada ( V AC) alimentada através de um inversor. Este tipo de sistema é recomendado para sistemas em fase de eletrificação pois estão preparados para uma posterior ligação à rede. A ligação à rede pode ser vantajosa no caso de sistemas PV, pois o pico de produção coincide com a ponta de consumo do meio dia. Em países muito quentes esta vantagem acentua-se devido à crescente utilização de sistemas de refrigeração e ar acondicionado sendo a sua utilização mais acentuada nas horas mais quentes. Aplicações profissionais A eletricidade é imprescindível para um grande número de aplicações tais como telecomunicações, telemetria, sinalização, proteção catódica, bombeamento de água, etc. Os sistemas PV são muito utilizados para este tipo de aplicações remotas devido à sua modularidade o que permite que sejam transportados e instalados com facilidade. Outra vantagem é o fato de não possuírem partes móveis, diminuindo o número de avarias, o que permite permanecerem por longos períodos sem manutenção.

5 5 Sistemas ligados à rede As empresas de distribuição, o setor comercial e centros de pesquisa concentram esforços para desenvolver sistemas PV ligados à rede elétrica. Estes sistemas não são ainda competitivos com outros tipos de produção de eletricidade. No entanto, a previsão de cenários futuros dando prioridade à componente ecológica abre boas perspectivas para a utilização de energias limpas. Em alguns países da Europa o resultado da cultura ambientalista começa surtir efeito em conjunto com consumidores, engenheiros e arquitetos para utilizar, desenvolver e integrar painéis fotovoltaicos na substituição de telhados convencionais. 2. Aspectos tecnológicos de sistemas PV A magnitude de corrente produzida por um módulo PV varia diretamente com o nível de radiação solar do local podendo ser incrementada pela ligação em paralelo de vários módulos. O nível de tensão não depende diretamente dos níveis de radiação solar. As células fotovoltaicas são fabricadas para operar a determinados níveis de tensão sendo possível controlar estes níveis de tensão a partir da associação de módulos em série. Para aplicações em sistemas de corrente alternada são utilizados equipamentos eletrónicos (inversores DC-AC), permitindo uma total manipulação da onda de saída. Tipos de sistemas Existem três tipos de sistemas PV: sistemas isolados de pequena dimensão, sistemas híbridos e sistemas ligados à rede. Sistemas PV isolados Os sistemas PV isolados são sistemas constituídos por um conjunto de painéis, um regulador de carga, uma ou mais baterias e um inversor (se existirem cargas AC). Os reguladores de carga são os responsáveis pelo controlo da carga das baterias. Por sua vez as baterias deverão ter capacidade suficiente para alimentar as cargas durante a noite ou durante dias com baixos valores de radiação. Sistemas híbridos Os sistemas híbridos consistem na combinação de sistemas PV com outras fontes de energia que asseguram a carga das baterias na ausência de sol. As fontes de energia de auxílio podem ser, Diesel, gás ou geradores eólicos. Estes sistemas têm que estar equipados com sistemas de controlo mais eficientes que os sistemas isolados de pequena dimensão. Por exemplo, no caso dos sistemas PV/Diesel o gerador Diesel deverá passar a funcionar quando as baterias atingirem o seu nível mínimo de carga e deverá deixar de funcionar quando atingirem um nível de carga aceitável. Para um sistema PV/Diesel são utilizados menor número de painéis e menor capacidade das baterias. Isto implica que para a mesma ordem de grandeza os sistemas híbridos sejam por vezes mais baratos que os sistemas isolados apesar dos elevados custos de projeto. Sistemas PV com ligação à rede elétrica Os sistemas ligados à rede são constituídos por um conjunto de painéis PV e um inversor não sendo necessário o uso de baterias. Estes sistemas podem ser de pequena dimensão, para alimentação de

6 6 pequenas cargas residenciais ou não residenciais, ou de média e grande dimensão constituindo centrais fotovoltaicas com potências instaladas entre as dezenas de kw pico e alguns MW pico. Células PV Alguns materiais semicondutores ficam eletricamente carregados quando expostos à luz. Este é o principio básico de funcionamento das células solares, sendo o material mais usado para o seu fabrico o silício. Custos de operação e manutenção A corrente de saída de um módulo fotovoltaico depende diretamente da radiância solar enquanto que a tensão varia com a temperatura das células. Os painéis fotovoltaicos funcionam como fontes de corrente enquanto que a bateria ou o lado DC do inversor funciona como fonte de tensão. Assim alguns inversores estão associados a um conversor DC-DC o que permite controlar a tensão nos terminais das células de forma que estas funcionem no ponto de funcionamento de máxima potência. Célula de silicone cristalino As células solares mais vulgares são fabricadas com este tipo de material que consiste em finas bolachas de puro silicone cristalino tratado quimicamente. A espessura das bolachas comerciais está entre 200 e 400 microns, sendo coberto por uma grelha metálica em ambas as faces permitindo o contato elétrico. As células solares monocristalinas são fabricadas a partir de puro cristal de silicone. Estas células são as mais eficientes de todas as células de silicone, mas também são as mais caras. Células solares policristalinas são também fabricadas a partir de silicone puro, mas estas são fabricadas a partir de lingotes de grande dimensão. O processo de fabrico consiste em arrefecer lentamente o silicone, mantido em estado líquido em fornos especiais, para permitir o crescimento de grandes cristais. As células policristalinas são menos eficientes, mas também são mais baratas. Existem outras técnicas em desenvolvimento tal como, por exemplo, a produção de células a partir do crescimento de tiras de silicone cristalino. Atualmente o rendimento das células de silicone cristalino tem valores entre 10% e 16% o que reflete o resultado de investigação que permitiu a evolução desde os 6% de Células de silicone amorfo Prevê-se que a próxima geração de células solares seja baseada na tecnologia conhecida por thin film. Esta tecnologia consegue reduzir os custos, graças à produção em larga escala, e baseia-se no uso de películas muito finas de materiais muito caros onde o silicone amorfo é o mais conhecido. Estas células são menos eficientes que as células de silicone cristalino, mas, no entanto, poderão vir a ser competitivos com uma produção em grande escala. As células de silicone amorfo apareceram em 1983 com valores de rendimento da ordem dos 2.5% estando hoje a implantadas no mercado com rendimentos entre 4% e 6%.

7 7 Acumuladores (Baterias) As baterias usadas para os sistemas PV são baterias de chumbo (ácidas). As baterias de cádmio níquel (alcalinas) só são utilizadas em locais com condições climáticas adversas ou em locais em que é necessário grande fiabilidade. Quando se escolhe uma bateria para um sistema PV deverão ter-se em conta, para além da tensão nominal, fatores como: gama de temperaturas admissíveis (-15 0 C até C) taxa de auto descarga (2% por mês a 25 0 C) tempo de vida (1800 ciclos com 80% de profundidade de descarga) eficiência de carga desde 20 % descarregada capacidade (Ah) para descargas de 10h freqüência requerida para restabelecer os níveis de eletrólito peso, resistência á sobrecarga e custo. Não existe um mercado específico para baterias destinadas a sistemas PV. As baterias mais comuns são as baterias de automóveis que estão dimensionadas para fornecer elevadas correntes em curtos intervalos de tempo. Estas baterias, embora baratas, não são as mais aconselháveis, para sistemas PV, pois o seu tempo de vida é muito curto quando aplicadas em sistemas com elevadas profundidades de descarga. As baterias seladas são baterias de ácido desenvolvidas propositadamente para sistemas PV. Estas baterias são mais caras e não suportam temperaturas extremas, como as baterias convencionais, mas tem a vantagem de não ser necessário restabelecer os níveis de electrólito. As baterias NiCd são baterias robustas, leves, resistentes a temperaturas extremas, tem baixas taxas de auto descarga e agüentam perfeitamente profundidades de descarga que podem chegar abaixo dos 10%. Uma desvantagem é o fato de diminuir a sua capacidade com o aumento do número de ciclos de descarga. Outra desvantagem é o seu elevado preço. Reguladores de carga (Controladores) A vida útil das baterias depende essencialmente da forma como é controlada a carga e a descarga. O regulador de carga controla a cada momento a tensão dos acumuladores durante o processo de carga. Quando completa a carga o regulador interrompe a corrente evitando a perda de electrólito e um possível aquecimento nos acumuladores. Quando a tensão do acumulador desce o regulador volta a permitir a passagem de corrente. A maioria dos reguladores dispõe de um alarme que informa quando é atingido o nível mínimo de tensão na bateria. Quando atingido o regulador desliga as cargas até que o nível de tensão suba e deixe de ser perigoso para o acumulador. Os limites de tensão para carga e descarga das baterias estão relacionados com a temperatura. Todos os bons reguladores dispõem de um dispositivo de compensação por temperatura. Com este dispositivo consegue-se controlar corretamente a carga e a descarga de um acumulador a qualquer temperatura, alcançando sempre os 100% de carga e não permitindo perdas desnecessárias de electrólito. Nos sistemas híbridos PV/Diesel os reguladores são mais complexos, tendo que controlar os limites de carga da bateria, tendo em conta a necessidade de corrente para o arranque do gerador Diesel.

8 8 3. Eficiência dos sistemas PV A eficiência de um sistema fotovoltaico depende: da eficiência dos vários componentes do sistema, da forma como se interligam e se coordenam entre si e ainda do tipo de cargas que o sistema pretende alimentar. Perdas e rendimento O rendimento do painel depende da radiação solar, da temperatura, da tensão e da sujidade do painel. O valor nominal do rendimento é fornecido pelos fabricantes. Caso não seja fornecido diretamente pode ser deduzido a partir da potência de pico e da área do painel. A potência de pico é a máxima potência que o painel consegue debitar em condições de teste standard. hp - rendimento do painel (%) Pp - potência de pico do painel (kwp) A - área do painel (m 2 ) Pp hp 100 A O rendimento e a potência de pico devem ser calculadas para as condições STC (standard test conditions) radiância solar de 1kW/m2 e a uma temperatura de 25C. As perdas na bateria são devidas essencialmente a dois fatores: auto descarga da bateria e nível de tensão demasiado alto, impedindo que o painel esteja no seu ponto de funcionamento de máxima potência. Para corrigir este último tipo de perdas deve proceder-se a um correto dimensionamento do regulador de carga. No caso de sistemas híbridos PV/Diesel é necessário ter em conta as perdas devidas ao arranque do gerador Diesel e também a eficiência do controlador do sistema. As perdas do inversor dependem da magnitude e das características da carga que está a alimentar, sendo estas perdas aproximadamente 10% do valor na carga. Índice de performance Para avaliar a eficiência global do sistema são consideradas duas componentes: A primeira diz respeito ao rendimento das fontes de energia e considera que o sistema está a funcionar com uma performance de 100% sendo independente da carga. Ou seja, para um determinado sistema, o melhor rendimento é aquele que corresponde apenas ao rendimento dos geradores não considerando qualquer da aparelhagem que complementa o sistema, sendo ignoradas as perdas nas baterias, carregadores, inversores etc. Assim a energia de saída das fontes de energia será: E sf E s hp A

9 9 Esf é a energia de saída da fonte de energia (kw/ano) Es é a energia solar (kwh/m 2 /ano) A segunda diz respeito ao Índice de performance (PR, performance ratio) sendo este o valor percentual que mede o afastamento do desempenho do sistema em relação às condições ótimas de funcionamento. Este Índice dá uma medida da razão entre a energia realmente consumida pelas cargas e a energia que o sistema é capaz de produzir. Este Índice de performance tem valores que dependem do tipo de sistema a alimentar, vejamos alguns exemplos: Os sistemas isolados para aplicações domésticas apenas precisam fornecer a energia que as cargas pedem. A melhor ou pior utilização da energia disponível depende do controlo e da monitorização do nível de carga por parte dos utilizadores. Os valores típicos de PR para pequenos sistemas isolados está entre 30% e 60%. Os Índices de performance são usualmente baixos quando os sistemas foram recentemente instalados mas, no entanto, aumenta rapidamente à medida que o utilizador compra mais aparelhos elétricos. Os sistemas isolados para aplicações profissionais tem valores de PR entre 20% e 30%. Estes valores são muito baixos pois estes sistemas são utilizados para alimentar uma carga fixa e portanto são dimensionados para os níveis de radiação mais baixos. Os sistemas isolados para bombeamento são sistemas que são dimensionados para utilizar toda a energia disponível e podem funcionar com e sem bateria. Para os sistemas sem bateria são utilizadas bombas, compostas por motores de imanes permanentes, permitindo bombear água proporcionalmente à corrente debitada pelo gerador. Os valores de PR são muito altos com valores entre 80% e 95%. Os sistema híbridos PV/Diesel tem PR medianamente altos pois estes sistemas são dimensionados para captar os níveis de radiação mais elevados, sendo as épocas de baixa radiação preenchidas com o gerador Diesel. Os valores típicos de PR para estes sistemas estão entre os 50% e os 70%. Estas perdas são devidas essencialmente a perdas nas baterias e nos controladores de carga. Os sistemas ligados à rede também têm valores de PR elevados, valores entre 80% e 90%. Estes valores são de esperar, pois toda a energia produzida pode ser entregue à rede. As poucas perdas existentes dependem da eficiência do inversor. A energia fornecida à carga será dada por: Ess é a energia fornecida à carga (kwh/ano) PR é o Índice de performance Ess PR Es hp A

10 10 4. Aspectos econômicos dos sistemas PV Custo dos sistemas PV Os custos dos sistemas PV dependem obviamente do tipo de sistema, dos componentes do sistema e da quantidade de componentes produzidos. A título de informação serão indicados em seguida os custos por kw de diferentes tipos de sistemas. Tipo de sistema Potência de pico Custo em milhões de escudos por kw Sistemas isolados de pequena dimensão 5W a 10kW 2 a 4 Sistemas isolados de média dimensão 10kW a 100kW 2.5 a 4 Sistemas ligados à rede de pequena dimensão 25 W a 100kW 1.5 a 2 Sistemas ligados à rede de média dimensão 100kW a 1MW 1.2 a 1.6 Sistemas ligados à rede de grande dimensão 100kW a 1MW 1.2 a 1.4 O tempo de vida de um sistema PV varia entre 10 e 30 anos. Os custos anual dos sistemas PV são essencialmente devidos aos custos de investimento. Estes custos podem ser classificados em: Custo dos painéis PV Para sistemas ligados à rede os custos dos painéis representam mais de metade dos custos do sistema. No entanto, para sistemas isolados representa apenas 1/3. O custo dos painéis decresceu enormemente nos últimos anos estando neste momento entre R$129,44 por kwh e R$25,88 por kwh. Custo do Equipamento auxiliar (baterias, inversor, condutores, controladores, etc) As baterias representam a componente principal dos custos dos sistemas isolados, não se prevendo grandes desenvolvimentos tecnológicos ou diminuição de preços. O custo das baterias varia entre R$29,20 por kwh e R$19,42 por kwh. Por outro lado o tempo de vida útil de uma bateria é de 5 a 7 anos pelo que é necessária a sua substituição ao longo da vida do sistema PV. Para sistemas ligados à rede os custos mais importantes são os que correspondem aos custos dos inversores. Para pequenos sistemas (0 a 3kW) os custos típicos estão entre R$15,37 e 37,22 por kw. O tempo de vida de um inversor com proteções de sobretensões e sobrecarga supõe-se igual ao tempo de vida do sistema PV. Custo de transporte e instalação Estes custos variam entre 0% e 10% do custo do equipamento sendo o transporte mais dispendioso em áreas montanhosas de difícil acesso. O custo da montagem depende do tipo de estrutura em que são montados os painéis. De qualquer das formas o fato dos painéis serem modulares dá bastantes facilidades em termos de transporte e instalação.

11 11 Custo de projeto e engenharia Os custos de projeto e engenharia dependem da experiência em cada tipo de sistemas. Existem kits para sistemas de bombeamento ou habitação em que os custos são desprezáveis limitando-se a custos de manutenção. Os custos de projeto para sistemas específicos podem ser muito altos, entre 10% e 30%, sendo mais significativos quando se trata de sistemas híbridos. Custo da energia produzida com sistema PV Para avaliar os custos da energia produzida com sistemas PV é calculado o custo anual de energia (LEC, Levelized Electric Cost). No cálculo do LEC são considerados os vários aspectos econômicos. Com o auxilio do LEC é possível fazer uma análise comparativa com outro tipo de sistemas. Em 2013 o valor de R$1,00 equivale a 6180$22 (Esc 6180,22). É dada em seguida uma idéia dos custos de energia para os seguintes sistemas. Tipo de sistema Potência de pico Custo da energia em escudos por kwh Sistemas isolados de pequena dimensão 5W a 10kW 120 a 220 Sistemas isolados de média dimensão 10kW a 100kW 100 a 200 Sistemas ligados à rede de pequena dimensão 25W a 100kW 90 a 120 Sistemas ligados à rede de média dimensão 100kW a 1MW 70 a 100 Sistemas ligados à rede de grande dimensão 1MW a 4MW 60 a 85 Conclusão Considerando todos os aspectos abordados ao longo deste texto, concluímos que os sistemas ainda estão numa fase de desenvolvimento não sendo ainda competitivos relativamente às outras fontes de energia convencionais. A viabilidade destes sistemas não pode ser vista em termos de planeamento energético global, pois o balanço energético para os sistemas PV é bastante mau, sendo a energia necessária para o fabrico de um sistema PV superior à energia que o sistema é capaz de produzir em toda a sua vida. A utilização dos sistemas PV deve ser vista como uma alternativa de produção de eletricidade, com custos elevados, mas viável para determinado tipo de aplicações específicas. Os sistemas PV isolados são sistemas viáveis quando comparados com os custos de extensão da rede para longas distâncias. No entanto, dentro deste tipo de situações estes sistemas devem competir com outros sistemas de energia renováveis isolados tais como os sistemas eólicos. A avaliação da competitividade entre os diversos sistemas é um problema complexo cujas variáveis mais importantes são variáveis de caráter geográfico. Entre estas variáveis é de destacar o potencial energético para os diversos recursos naturais. Os sistemas PV ligados à rede ainda não são sistemas competitivos nem poderão ser considerados como uma alternativa energética de grande escala. Podem, no entanto constituir sistemas de grande eficiência na atenuação dos picos de consumo. Os benefícios ecológicos dos sistemas PV são indiscutíveis. Sendo esta a grande vantagem que ajudará a garantir o futuro dos sistemas PV como uma alternativa energética viável em pequena escala.