Energia Fotovoltaica: Análise econômica ambiental de seguidores solares para instalações fotovoltaicas

Transcrição

1 Energia Fotovoltaica: Análise econômica ambiental de seguidores solares para instalações fotovoltaicas ANDREA GALVÃO PAES Aluna de Graduação de Gestão Ambiental EXPEDITO BERTOLON Aluno de Graduação de Gestão Ambiental SERGIO PACCA Professor Assistente Doutor do Curso de Gestão Ambiental Escola de Artes Ciências e Humanidades - EACH Universidade de São Paulo Av. Arlindo Bettio, São Paulo, SP RESUMO Este trabalho apresenta uma análise econômica aplicada ao uso de seguidores solares de eixo simples e de eixo duplo acoplados a módulos fotovoltaicos. A análise foi realizada para a cidade de São Paulo e os resultados mostram que em comparação com instalações fixas as instalações com seguidores de eixo simples e de eixo duplo são capazes de produzir respectivamente 19,6% e 24,7% mais energia. A geração de energia de um sistema com seguidor de eixo duplo é 4,3% maior do que a geração de um sistema com seguidor de eixo simples. Considerando uma taxa de desconto de 12% ao ano aplicada ao custo do equipamento temos que o custo da energia ganha devido ao investimento nos seguidores de eixo simples e eixo duplo é respectivamente R$0,25/kWh e R$0,18/kWh. Como o custo médio da geração utilizando módulos fotovoltaicos é da ordem de R$1,5/kWh, o investimento em seguidores é recomendado. ABSTRACT In this work we present an economic assessment photovoltaic systems using single axis and dual axis solar trackers. The analysis was carried out for the city of Sao Paulo and the results show that in comparison with fixed installations, the single axis system and the dual axis system produce respectively 19.6% and 24.7% more power. The power output of the dual axis system is 4.3% greater than the power output of the single axis system. Considering an annual discount rate of 12% and the equipment cost, the cost of the surplus energy due to the use of the single axis and the dual axis trackers was R$0.25/kWh and R$0.18/kWh. Because the average cost of electricity produced by photovoltaic modules is R$3/kWh, we recommend the installation of solar trackers. 1. Introdução A crise mundial de energia em 1973 fez com que houvesse a necessidade de optar-se por novas fontes energéticas, dentre as quais a energia solar, considerada pura e inesgotável: A energia solar é a energia eletromagnética proveniente do sol, onde é produzida através de reações nucleares, e que, propagando-se através do espaço interplanetário, incide na superfície da Terra. O total de energia solar que incide na superfície da Terra em 1 ano é superior a vezes o consumo anual de energia bruta da humanidade. (CRESESB,2005). A energia solar, passa a ter especial interesse, principalmente no desenvolvimento de células fotovoltaicas, que já haviam sido utilizadas na corrida espacial, na década de 60 para aplicação em satélites, mas até então eram consideradas muito caras, com um custo de cerca de US$600/W. Com a entrada de companhias petrolíferas no desenvolvimento destas células, o seu preço foi reduzindo e viabilizado o seu uso comercialmente, como forma de transformar a energia solar em energia elétrica de forma limpa e abundante. Com a produção em grande escala, e com várias empresas atuando no mercado, o custo médio hoje é de US$ 8,00/W. (CRESESB, 2005). 1

2 Atualmente estão ocorrendo fortes investimentos de companhias asiáticas e européias com o objetivo de quadruplicar a oferta de silício policristalino para a confecção de células fotovoltaicas. Analistas acreditam que a entrada da China, Japão, Coréia do Sul e Taiwan poderão suprir a demanda do mercado, com o uso de novas tecnologias de produção e refino de silício. A oferta poderá atingir toneladas em 2010, a meta é transformar a energia solar fotovoltaica competitiva com relação à energia elétrica convencional na Europa e Estados Unidos. (FINANCIAL TIMES, 2007). As células fotovoltaicas possuem baixa capacidade de conversão de energia solar em energia elétrica. As alternativas encontradas para solucionar o problema são agrupá-las em módulos e, a disposição desses de forma a receber perpendicularmente os raios solares, através de dispositivos de controle automático da movimentação dos módulos para rastrear o sol, os denominados seguidores solares. (TESSARO, 2006). O uso de seguidores pode contribuir para uma diminuição no custo das instalações fotovoltaicas que já apresentam um custo ambiental baixo pois não emitem poluentes durante a fase de operação. Atualmente os sistemas fotovoltaicos estão sendo implementados em países da Europa, como no Projeto Photocampa, uma parceria entre a Espanha, Alemanha e França, dentro do V Programa Marco da União Européia, que integra os sistemas fotovoltaicos a rede de distribuição. O projeto possui viabilidade ambiental e financeira. (LAMIGUEIRO, 2008). No Brasil a utilização da tecnologia de painéis fotovoltaicos é empregada pelas empresas de distribuição de eletricidade, em locais onde não há rede elétrica, em geral no meio rural e localidades onde existem comunidades isoladas, em cumprimento a Lei Federal nº de 26 de abril de 2002, que dispõe sobre a expansão da oferta de energia elétrica, através do Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica (PROINFA) e também sobre a universalização do serviço público de energia elétrica. A utilização deste sistema nas outras localidades não é viável economicamente, pois o custo médio do sistema fotovoltaico é de R$ 1,5 kwh, enquanto o custo médio da energia produzida pelas usinas é R$ 0,4 kwh. (PRIME, 2008). Atualmente os sistemas fotovoltaicos têm utilização em localidades distantes, nos quais a rede elétrica não existe, viabilizando projetos sociais, agropastoris, irrigação e comunicações, devido a fatores como a sua modularidade, baixos gastos com a manutenção e vida útil longa. (CRESESB, 2005). 2. Objetivo O objetivo geral deste trabalho é ampliar os conhecimentos ligados à produção de energias renováveis, através da análise de sistemas fotovoltaicos acoplados a sistemas de seguidores solares. Como pontos específicos deste trabalho destacam-se os itens abaixo: Análise das vantagens de ganho energético, com a utilização dos sistemas fotovoltaicos acoplados a seguidores solares; A realização de uma análise de custo e beneficio do uso de seguidores solares em um sistema fotovoltaico; Análise dos custos de implantação do sistema fotovoltaico, seguido da análise de viabilidade econômica ambiental. 3. Justificativa 2

3 A alta internacional do preço do petróleo, as dificuldades da obtenção de licenças de construção de hidrelétricas e, os problemas da ampliação da oferta de energia elétrica no país, fazem com que se invistam em novas fontes de energia. A energia solar é uma fonte de energia renovável e limpa, que está sendo aplicada em países da União Européia, com o objetivo de redução da utilização de fontes não renováveis. No Brasil, o uso de sistemas fotovoltaicos ainda tem pouca utilização, devido ao preço final ser aproximadamente três vezes maior que o custo da energia proveniente de hidrelétricas. Portanto, há necessidade de estudos que analisem formas de viabilização econômica e ambiental do sistema fotovoltaico e de seus componentes para melhor aproveitamento da energia solar. 4. Aplicação dos Seguidores Solares O custo elevado dos módulos fotovoltaicos faz com que tecnologias que aumentem a eficiência das instalações sejam atraentes sempre que a relação custo benefício seja favorável. Uma maneira para melhorar a eficiência das instalações é adequar a captação solar, sendo necessário que a incidência dos raios do sol sejam perpendiculares às placas, situação mais favorável para o aproveitamento da energia. Para que as células fotovoltaicas sejam mantidas sempre perpendiculares aos raios solares, é importante a utilização de elementos que controlem automaticamente usa movimentação, com intuito de rastrear o sol. Estes elementos são os denominados seguidores solares. Segundo TESSARO (2006), em sua pesquisa sobre desempenho dos painéis fotovoltaicos utilizando o sistema de seguidores solares, observou o aumento do aproveitamento de energia na ordem de 20% comparado a um sistema de células fotovoltaicas com montagem fixa de painéis. Para que este sistema seja contemplado é necessário verificar como é a incidência de energia solar no Brasil, já que a energia solar está presente em todas as partes do mundo, porém com diferentes intensidades de radiação. O Brasil possui seu território localizado em grande parte em latitudes entre o Equador e o Trópico de Capricórnio, apresentando uma incidência solar favorável. A média anual de energia incidente na maior parte do Brasil varia entre 4kWh/m 2.dia e 5kWh/m 2.dia. (CRESESB,2005). Analisando o potencial solar do Brasil (figura 4), verificamos que a região Norte possui o maior potencial solar, com sua área recebendo 4,4 kwh/m 2.dia, representando 43,3%. A segunda região com maior potencial é a região Nordeste com 20,5%, com as maiores de incidências no Brasil, 5,0 kwh/m 2.dia, atingindo na região do semi-árido o maior potencial, 5,5 kwh/m 2.dia. A região Centro-Oeste é a terceira região com potencial solar, com duas áreas prevalentes de 4,4 e 5,0 Kwh/m 2.dia. A Região Sudeste é a quarta região, com grande prevalência de área incidência de 4,4Kwh/m 2.dia. A região Sul é a quinta região em potencial, com duas áreas de prevalência 4,4 e 3,5 Kwh/m 2.dia. Figura 4 - Potencial Solar por Região no Brasil 3

4 Fonte:CRESESB, Os seguidores solares podem ser de dois tipos: eixo simples e eixo duplo. A Figura 5, representa o esquema de painéis fotovoltaicos, mostrando o seu funcionamento com o uso dos seguidores de eixo simples e duplo. Os seguidores solares seguem o movimento do sol ao longo do dia aumentando assim a radiação incidente perpendicularmente à superfície dos módulos fotovoltaicos. A média anual deste aumento está entre os 25% e os 35% e, dependendo da localização, pode ir até aos 55% durante os meses de verão.para efeito de diferenciação a Figura 6 apresenta um sistema de painéis fotovoltaicos fixos. Figura 5. Esquema de painéis fotovoltaico utilizando seguidores solares de eixo simples e eixo duplo 4

5 Fonte: PVWatts, Figura 6. Painéis Fotovoltaicos de estrutura fixa 5. Aspectos Metodológicos Fonte: Ecopower, equipamentos e serviços de energia, A metodologia adotada no trabalho consistiu em comparar a energia produzida por um sistema fotovoltaico sem os seguidores solares (sistema fixo), com a energia produzida por um sistema fotovoltaico, utilizando seguidores solares de eixo simples e duplo, bem como os custos da energia associada. Os modelos de seguidores adotados foram o AZ 125 Azimuth (eixo simples) e o AZ 225 Azimuth (eixo duplo), pesquisados na empresa Wattsun Solar Tracker (WATTSUN, 2007). Para compararmos a energia produzida por sistemas fotovoltaicos, adotamos uma região do Brasil, para coletar os dados de radiação solar. A região escolhida para a coleta de dados de radiação solar foi realizada utilizando o programa americano PVWatts (2007), desenvolvido por pesquisadores da National Renewable Energy Laboratory (NREL) (Laboratório Nacional de Energia Renovável). Este programa permite calcular a energia elétrica produzida por sistemas fotovoltaicos com e sem o uso de seguidores solares, para diversas partes do mundo, previamente estabelecidas pelos pesquisadores do NREL. A região escolhida foi o aeroporto de Congonhas São Paulo, localizado na Latitude 23.62ºS, Longitude:46.65ºW, Elevação:803 m. O programa PVWatts(2007) adota como condições 5

6 padrões para teste W/m 2 de irradiação solar. Adotamos a eficiência dos módulos fotovoltaicos igual a 10%. (TESSARO, 2006 e CRESESB, 2005). Cada modelo de seguidor comporta um número de módulos solares que definem sua área de captação solar. Através da área de captação solar, calculamos a eletricidade produzida para cada modelo, e a seguir com os dados da radiação solar produzida em um ano, obtidos pelo PVWatts, encontramos a produção de energia em um ano para o sistema fotovoltaico fixo e com o uso dos seguidores. Nº de Módulos Tabela 1. energia kwh/ano para sistema fotovoltaico fixo Modelo do Módulo Área de captação solar (m²) Eletricidade produzida Radiação Solar kwh/ m² dia energia kwh/ ano (Wh) 6 BP4175 7, , ,60 8 BP3125 8, , ,00 12 BP380 8, , ,00 12 BP , , ,20 12 BP , , ,55 24 BP380 16, , ,00 Tabela 2. energia kwh/ano para sistema fotovoltaico utilizando seguidor de eixo simples AZ 125 Azimuth Nº de Módulos Modelo do Módulo Área de captação solar (m²) Eletricidade produzida Radiação Solar kwh/m² dia energia kwh/ano (Wh) 6 BP4175 7, , ,64 8 BP3125 8, , ,20 12 BP380 8, , ,20 Tabela 3. energia kwh/ano para sistema fotovoltaico utilizando seguidor de eixo duplo AZ 225 Azimuth Nº de Módulos Modelo do Módulo Área de captação solar (m²) Eletricidade produzida Radiação Solar kwh/ m² dia energia kwh/ano (Wh) 12 BP , , ,28 12 BP , , ,84 24 BP380 16, , ,40 Analisando os valores obtidos da produção de energia kwh/ano nas tabelas 2 e 3 com a tabela 1, verificamos um aumento no ganho de energia quando se utilizam os seguidores solares. Para efeito comparativo entre os valores de produção de energia entre o sistema fixo com o sistema de seguidores, tomamos como exemplo o modelo de módulo BP 380. Quando se compara o ganho energético entre o sistema fotovoltaico fixo com o sistema fotovoltaico com eixo simples verifica-se um ganho energético de 19,6%, enquanto que quando a mesma comparação é feita entre o sistema fotovoltaico fixo com o sistema fotovoltaico com eixo duplo o ganho energético chega a 24,7%. Quando a comparação é realizada entre os sistemas de seguidores, tomamos o cuidado de realizar a equivalência das áreas de captação dos seguidores com base no uso do módulo BP 6

7 380. Verificamos que a área de captação do seguidor com eixo duplo (AZ 225) é o dobro da área do módulo do seguidor de eixo simples (AZ 125). Portanto para efeito de comparação o ganho de energia (kwh/ano) obtido para o seguidor de eixo simples deve ser o dobro do obtido para o seguidor de eixo duplo. A tabela 4 mostra a comparação entre os sistemas fotovoltaicos com os seguidores e a produção de energia. Tabela 4. Comparação entre os sistemas fotovoltaicos com uso de seguidores quanto a produção de energia Sistema fotovoltaico Modelo do Módulo Energia kwh/ano Eixo Simples BP380 (17.111,20) x 2 Eixo Duplo BP ,40 Comparação energia(%) 4,3 A tabela 4 nos informa que quando a comparação normalizada pela área dos seguidores é realizada há um ganho energético de 4,3% quando se utiliza o sistema fotovoltaico com seguidor de eixo duplo. Para estimarmos os custos associados ao uso dos sistemas fotovoltaico fixo e com o uso dos seguidores, realizamos o levantamento do custo dos seguidores de eixos simples e duplo através da empresa Wattsun Solar Trackers (WATTSUN, 2007). Os valores obtidos em dólar foram convertidos para valor em real, utilizando, a taxa de conversão igual a R$1,636 referente ao dia 13/06/2008. Segundo informado pelo fabricante dos seguidores solares, a vida útil do equipamento é de 25 anos (BP Solar,2006). Adotamos uma taxa de desconto igual a 12% ao ano, para obtenção do custo anualizado do equipamento. Tabela 5. Custo anualizado dos seguidores de eixo simples e eixo duplo Taxa de desconto (%) Vida útil do equipamento Preço Parcela Anual paga pelo equipamento (R$) Seguidor (R$) (anos) AZ 125 Azimuth ,86 706,08 AZ 225 Azimuth , ,68 Admitindo que para o sistema fotovoltaico fixo não há custo com seguidor, compararemos o ganho de energia em termos apenas dos custos do seguidor. Adotaremos, como exemplo o modelo BP 380 para análise. Contudo não é necessário incluir o custo do módulo na análise, pois o objetivo é verificar o custo da energia extra gerada pelo investimento nos seguidores. Tabela 6. Comparação em termos de custo de energia de um sistema fotovoltaico fixo com sistema fotovoltaico com seguidor simples Sistema fotovoltaico fixo Sistema Fotovoltaico eixo simples Custo anualizado do seguidor (R$) ,08 energia (kwh/ , ,20 7

8 ano) Custo da energia ganha c/ seguidor (R$/kWh) ,25 Tabela 7. Comparação em termos de custo de energia de um sistema fotovoltaico fixo com sistema fotovoltaico com seguidor duplo Custo anualizado do seguidor (R$) energia (kwh/ano) Custo de energia ganha c/ seguidor (R$/kWh) Sistema fotovoltaico fixo Sistema Fotovoltaico eixo duplo , , , ,18 Analisando o custo de energia dos seguidores solares de eixo simples e eixo duplo, verificamos que o primeiro possui um custo de R$ 0,25/kWh, enquanto que o segundo tem um custo de R$ 0,18/kWh, sendo portanto viável economicamente a utilização do seguidor de eixo duplo, face ao custo atual no Brasil, de utilização do sistema fotovoltaico fixo, que é de R$ 1,5/ kwh. 6. Considerações Finais A análise dos resultados obtidos, demonstraram que o uso dos seguidores solares de eixo simples e eixo duplo acoplados a módulos fotovoltaicos em comparação ao sistema fotovoltaico com módulos fixos, apresentaram uma maior eficiência na produção de energia. Os valores comparativos indicaram que o uso dos seguidores solares de eixo simples produziram 19,6% a mais de energia, enquanto que o uso dos seguidores solares de eixo duplo 24,7%. Quando analisados os custos de energia dos seguidores de eixo simples e eixo duplo, verificamos, que o custo do seguidor de eixo simples é de R$0,25/kWh, e o custo do seguidor de eixo duplo de R$0,18/kWh. Os resultados apontam para o uso dos seguidores de eixo duplo acoplados a módulos fotovoltaicos como o mais apropriado, devido às vantagens de ser economicamente viável, quando comparado com a utilização de sistemas fotovoltaicos fixos com custos médios de R$1,5/kWh. Estes resultados servem de incentivo para a implementação deste tipo de tecnologia aos sistemas fotovoltaicos. Palavras-chave: energia solar, seguidor solar, módulos fotovoltaicos. 7. Referências Bibliográficas CRESESB, Centro de Referência de Energia Solar e Eólica Sérgio de Salvo Brito. Energia Solar Princípios e Aplicação.2005.Disponível em: < em: 30 de abril de BPSolar, High-efficient photovoltaic module using silicone nitride multicrystalline siliconcells,2006.disponível em: 8

9 < nloads_pdfs/product_data_sheet_bp380_bp375.pdf>. Acesso em: 15 de maio de ECOPOWER, Equipamentos e Serviços de Energia, Unip.,Lda. Disponível em: < Acesso: 10 de junho de FINANCIAL TIMES. Solar power looks to brighter future Disponível em: <htpp:// Acesso em: 19 de junho de LAMIGUEIRO, O.P. Grandes Centrales Fotovoltaicas: Producción, Sguimento y Ciclo de Vida f. Dissertação (Doutorado em Engenharia) Escola Superior de Engenheiros Industriais, Espanha, PRIME,L., Luz do Sol pode acender lâmpada. O ESTADO DE SÃO PAULO, São Paulo, 16. Março Construção C6.pág.06. PVWATTS, A Perfomance Calculator for a Grid-Connected PV Systems Disponível em: < em: 15 de maio de TESSARO, A. R., Desempenho de um painel fotovoltaico acoplado a um rastreador solar. Departamento de Engenharia Agrícola.Universidade Estadual do Oeste do Paraná.2006.Disponível em: < em : 18 de abril de WATTSUN. Wattsun Array technologies manufacturing wattsun solar trackers Disponível em: < Acesso em 15 de maio de