PROJETO E ANÁLISE DO MÓDULO FOTOVOLTAICO CONCENTRADOR ESTÁTICO HELIUS PARA SISTEMAS AUTÔNOMOS

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1 PROJETO E ANÁLISE DO MÓDULO FOTOVOLTAICO CONCENTRADOR ESTÁTICO HELIUS PARA SISTEMAS AUTÔNOMOS Tiago Cassol Severo 1 tcassol@pucrs.br Izete Zanesco 1, izete@pucrs.br Adriano Moehlecke 1, moehleck@pucrs.br Centro Brasileiro para Desenvolvimento da Energia Solar Fotovoltaica CB-Solar Faculdade de Física 1 Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Tecnologia em Materiais Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul PUCRS 3.3 Módulos Fotovoltaicos Resumo: O uso de módulos fotovoltaicos concentradores estáticos com células bifaciais é uma forma de reduzir significativamente o custo da energia elétrica produzida por sistemas autônomos. Este trabalho tem como objetivo apresentar o desenvolvimento de um módulo concentrador estático, denominado HELIUS 31Y e um método de desenho de sistemas ópticos lineares. A partir da análise da irradiação horária média mensal e da irradiação diária média mensal foi determinado o comportamento do HELIUS 31Y, ajustando os fatores de concentração horários e incluindo as perdas ópticas e a refletância. A partir da seleção de cinco direções de raios solares incidentes projetados sobre o meridiano local, do método de traçado de raios, da lei da reflexão e dos fatores de concentração ajustados foi desenvolvido o sistema óptico do módulo concentrador HELIUS 31Y. As perdas ópticas e a refletância foram consideradas. Constatou-se que o dispositivo desenvolvido possibilita uma produção de 74% a mais de energia quando comparado a um módulo convencional com a mesma área de células solares. Palavras-chaves: Concentrador Estático, Sistemas Autônomos, Células Bifaciais, Método de Traçado de Raios 1. INTRODUÇÃO A escassez energética traz à sociedade reflexões em busca de uma saída rápida e confiável ao problema energético. No meio rural brasileiro, o Ministério de Minas e Energia (006) indica que 10 milhões de pessoas não possuem energia elétrica em suas residências e a maioria está situada em regiões isoladas e de difícil acesso. Somado este fato as emissões de agentes nocivos à atmosfera, as tendências direcionam-se as tecnologias alternativas e renováveis de produção de energia. A energia solar fotovoltaica é uma tecnologia que está se solidificando por apresentar modularidade, versatilidade, uma fonte abundante e limpa, além de baixa manutenção, contribuindo, assim, para suprir a atual demanda energética. Entretanto a principal razão que dificulta a disseminação desta tecnologia está no seu alto custo inicial. Miñano (1988) e Swanson (000) sugerem que uma linha de pesquisa a ser seguida é o desenvolvimento de concentradores de radiação solar que, associados a células solares bifaciais, podem proporcionar reduções significativas ao custo. O objetivo é diminuir a área de células solares, a partir da inserção de um sistema óptico, a fim de concentrar radiação solar sobre os dispositivos. A menor área de células solares produz uma redução

2 significativa no custo do módulo fotovoltaico, pois o valor da célula solar é superior ao do sistema óptico acoplado (Zanesco, 1996). Este artigo tem como objetivo apresentar o desenvolvimento de um novo módulo fotovoltaico concentrador estático, projetado a partir da óptica não formadora de imagens e denominado de HELIUS 31Y que utiliza células solares bifaciais e se destina a sistemas fotovoltaicos autônomos.. O MÓDULO FOTOVOLTAICO CONCENTRADOR ESTÁTICO HELIUS Para o desenvolvimento do módulo concentrador estático HELIUS 31Y, alguns parâmetros foram definidos para estabelecer o tipo de dispositivo a ser alcançado. Este módulo concentrador foi projetado para ser integrado em sistemas fotovoltaicos autônomos em Porto Alegre, RS, com o fator de concentração maior nos meses de inverno em relação ao verão, com a finalidade de compensar a variação natural da radiação solar. Desta forma, a resposta é aproximadamente uniforme ao longo do ano e enquadra-se com a demanda energética de usuários de sistemas autônomos. Estabeleceu-se que as células solares bifaciais encapsuladas estão no plano da abertura de entrada e o sistema óptico é linear. Desta forma, a superfície do módulo é similar àquela de um módulo convencional e evita-se a degradação e o acúmulo de pó sobre o material refletor. As células solares bifaciais podem resultar em uma sensível redução no custo do watt-pico produzido, por serem ativas em ambas as faces. Com uma única lâmina de silício é possível produzir até o dobro de energia elétrica. Além disso, o custo de fabricação de uma célula solar bifacial é somente 3% maior que o custo de uma célula solar monofacial e a sua temperatura associada a um concentrador estático, é similar à temperatura de uma célula monofacial em um módulo convencional conforme relata Zanesco (1996). Optou-se por um sistema óptico baseado na reflexão especular, sem nenhum material refringente e considerou-se o ângulo de inclinação do módulo concentrador de 48 o. Este é o melhor ângulo de inclinação para módulos convencionais que constituem um sistema fotovoltaico autônomo em Porto Alegre..1 Concentração Geométrica e Fatores de Concentração Os fatores de concentração que o módulo concentrador deve ter para que a resposta seja constante ao longo do ano, foram estimados a partir de valores médios da irradiação horária incidente em uma superfície inclinada com um ângulo de 48º, em Porto Alegre, para cada mês do ano. A partir da irradiação diária média mensal sobre um plano horizontal e do cálculo da irradiação extraterrestre horizontal diária média mensal, foi possível determinar os índices de transparência K T diários médios mensais e gerar uma série de índices de transparência diários para dez anos. Determinou-se a irradiação horária global para o plano de 48º e a média horária para cada mês, segundo o procedimento apresentado por Zanesco (1996). Para exemplificar, na Fig.1 (a) comparam-se os resultados para o mês em que ocorre o solstício de inverno e de verão. Observa-se que no inverno a irradiação é menor durante todas as horas do dia. A irradiação diária média mensal, apresentada na Fig. 1 (b), foi obtida a partir da soma da irradiação horária. Nota-se que no inverno os valores da irradiação são inferiores àqueles correspondentes aos meses de verão. Assim, foi determinado que no inverno o fator de concentração deve ser em média 5% maior que no verão.

3 Irradiação Horária (Wh/m²) ,5-67,5-5,5-37,5 -,5-7,5 7,5,5 37,5 5,5 67,5 8,5 Ângulo Horário (º) Junho Dezembro Irradiação Diária (kwh/m²) Frontal Mês (a) (b) Figura 1 - (a) Irradiação horária média mensal incidente em uma superfície inclinada de 48º, em Porto Alegre, para o mês de junho e para o mês de dezembro e (b) Irradiação diária média mensal incidente em uma superfície inclinada de 48º, em Porto Alegre. Utilizando uma planilha de cálculo e a irradiação horária média mensal incidente na face frontal, foram ajustados os fatores de concentração horários e determinada a irradiação horária incidente na face posterior. Comparando os valores diários médios mensais foram reajustados os fatores de concentração horários até alcançar a resposta do módulo aproximadamente constante durante o ano. O processo é iterativo até encontrar os fatores de concentração necessários, ou seja, estabelecer em que horas devem ocorrer as maiores ou menores concentrações. Neste caso, consideraram-se as perdas ópticas na interface ar/vidro e vidro/ar e a refletância da superfície interna do sistema óptico, sendo esta igual a 0,96.. Desenvolvimento do Método de Traçado de Raios A metodologia utilizada para desenhar a seção transversal de um concentrador solar e estimar a resposta do módulo para determinada posição do Sol baseia-se em um traçado de raios (Winston et al., 1989) e (Benitez, 1998). A partir do princípio dos raios extremos, é possível desenhar concentradores solares em duas dimensões (D) que coletam os raios dentro de uma abertura angular e desprezam todos os outros raios fora desse intervalo. Foi utilizada a lei da reflexão para o desenvolvimento do sistema óptico do módulo concentrador HELIUS 31Y e considerou-se uma abertura angular ϕ igual a 46º. Estabeleceu-se que os maiores fatores de concentração devem ocorrer próximos ao meio dia solar nos meses de inverno, ou seja, quando a irradiância incide quase perpendicularmente na superfície do módulo. Conseqüentemente, neste horário nos meses correspondentes ao verão, a concentração é menos efetiva, para que a resposta do módulo concentrador seja similar nos meses de inverno e de verão. Para o desenho da seção transversal do HELIUS 31Y foram selecionadas cinco posições de raios solares incidentes, projetados sobre o meridiano local e dentro da abertura de entrada, conforme mostra a Fig.. Estas posições dos raios solares foram denominadas de raios incidentes de entrada e o intervalo entre eles corresponde a aproximadamente uma hora. Os raios de entrada numerados de 1 a 5 estão divididos em intervalos de 11,5º cada um, sendo que o raio número 5 equivale ao meio dia solar no solstício de verão.

4 .3 Desenvolvimento da Seção Transversal do Módulo HELIUS 31Y Para o desenho da seção transversal do concentrador estático HELIUS 31Y, utilizou-se o programa CorelDRAW para desenhar a abertura de entrada, o receptor, os raios incidentes de entrada, os raios incidentes refletidos e, assim, o sistema óptico. O tamanho do receptor será igual a células solares comerciais quase-quadradas de 10 cm de lado e a abertura de entrada do concentrador solar terá um comprimento igual a 30 cm. Como a abertura de entrada é três vezes maior que o receptor, isto é, as células solares bifaciais, a concentração geométrica é igual a 3. Figura - Posição dos cinco raios solares incidentes de entrada, projetados sobre o meridiano. Iniciou-se o desenho da seção transversal do sistema óptico, a partir do raio incidente de entrada número 1, que equivale ao solstício de inverno. Neste caso, os raios solares deveriam sofrer um fator de concentração igual a, o que significa que os raios incidentes em dois terços da abertura de entrada, ou seja, em 0 cm, devem chegar na face posterior das células solares. Este procedimento pode ser visualizado na Fig. 3 (a). A (a) (b) Figura. 3 - (a) Feixe de raios incidentes de entrada, correspondente ao raio 1 e (b) raios refletidos utilizados para desenhar o sistema óptico. Em resumo, o raio de incidência de entrada número 1 foi duplicado várias vezes e os raios foram espaçados entre si de 0,5 cm até preencher 0 cm da abertura de entrada. O próximo passo foi desenhar os raios que devem incidir na face posterior da célula solar. Esses raios são chamados de raios incidentes refletidos e devem sair da face posterior da célula solar bifacial e encontrar o raio incidente

5 de entrada formando a primeira intersecção com o raio 1. Os raios incidentes refletidos são desenhados como se estivessem saindo das células solares, estando afastados 0,5º entre si. Na intersecção do primeiro raio incidente de entrada número 1 e o primeiro raio incidente refletido, inicia-se o desenho da seção transversal conforme a Fig. 3 (b). Utilizando o programa CorelDRAW é possível medir o ângulo formado entre o raio incidente de entrada e o raio incidente refletido. Este ângulo ξ formado entre ambos os raios é inserido em uma planilha de cálculo que fornece o ângulo de rotação do elemento da superfície refletora, que possibilita que o raio incidente de entrada seja refletido sobre a face posterior das células solares. A normal ao elemento refletor é igual ao ângulo formado entre o raio incidente de entrada e o raio incidente refletido (ξ) dividido por dois. Lembrando que a normal é perpendicular à superfície refletora, então, para posicionar o elemento refletor especular basta rotar de 90º a normal formada. Portanto, o ângulo do elemento refletor (ζ) é: ξ ζ = + 90º (1) Após calcular o ângulo do elemento refletor ζ, desenha-se o elemento refletor com a orientação necessária, conforme ilustra a Fig. 4 (a). O tamanho do elemento do refletor inicia-se no ponto onde ocorre a intersecção entre o raio incidente de entrada e o raio incidente refletido até o ponto em que o raio incidente de entrada seguinte atinge a superfície. Este processo é repetido para encontrar os elementos refletores ρ 1, ρ, ρ 3,..., p n até alcançar o fator de concentração desejado, que no caso para o raio 1 é igual a. Esse procedimento está representado na Fig. 4 (b). (a) (b) Figura 4 - Representação dos passos para desenhar os elementos da superfície refletora. (a) Esquema representativo do método de traçado de raios desenvolvido e (b) desenho da seção transversal. Na Fig. 4 (b) observa-se que há a necessidade de uma distribuição dos elementos refletores para a concepção da secção transversal. Este fato resulta no deslocamento dos raios incidentes refletidos um pouco mais para a direita, distribuindo-os na superfície da célula solar. O procedimento desenvolvido foi repetido para os outros raios incidentes de entrada para completar o desenho da seção transversal do sistema óptico do módulo concentrador HELIUS 31Y. O resultado final pode ser visto na Fig Análise da Resposta do Módulo HELIUS 31Y Finalizado o desenvolvimento do módulo concentrador, o próximo passo foi verificar a resposta do dispositivo para raios solares com ângulos de incidência iguais àqueles dos raios incidentes de entrada, conforme mostra a Fig. 6. Cada raio incidente de entrada foi reproduzido por toda a extensão da

6 abertura de entrada. Um a um e utilizando a teoria dos raios extremos, foi possível reavaliar os valores do fator de concentração. A teoria dos raios extremos diz que se dois raios paralelos incidentes em dois pontos diferentes do refletor resultam em raios refletidos na face posterior do receptor, então, todos os raios iguais com mesmo ângulo de incidência contidos neste intervalo, também chegarão no receptor. Figura 5 - Seção transversal do módulo concentrador HELIUS 31Y. Com isso, observou-se que alguns fatores de concentração foram alterados, pois os valores iniciais de desenho foram ajustados. Quando os raios incidentes de entrada foram distribuídos em toda a superfície do módulo concentrador, notou-se um sensível aumento no fator de concentração. (a) (b) Figura 6 - Comparação da trajetória dos raios incidentes de entrada para o módulo concentrador HELIUS 31Y na região (a) mais afastada e (b) mais próxima das células solares. A teoria dos raios extremos foi aplicada para os outros raios incidentes de entrada, com o objetivo de avaliar a resposta do HELIUS 31Y. Para alguns raios incidentes, observou-se um aumento no fator de concentração, pois certas regiões do refletor desenhadas em função de determinados raios incidentes de entrada, concentram também outros raios incidentes. Os valores do fator de concentração para a radiação solar direta do módulo HELIUS 31Y, em função do ângulo em relação à superfície do concentrador dos raios incidentes projetados sobre o meridiano local (ψ) são apresentados na Fig. 7 (a). Estes ângulos correspondem aos cinco ângulos dos raios de incidência de entrada. Para caracterizar a performance do módulo ao longo do ano, faz-se necessário conhecer o fator de concentração (C) no intervalo de 0 o a 180º. Portanto, equacionou-se este parâmetro, conforme especificado abaixo:

7 Se ψ < 83º, então C = 0 Se 83º ψ <108º, então: C = 8,75 + 0,5551ψ + 0,008718ψ () Se 108º ψ 13º, então: Se ψ > 13º, então C = 0 C = 84,9-1,3667ψ + 0, ψ (3).4.0 Teórico Ajustado Fator de Concentração Ângulos dos Raios Solares Projetados sobre o Meridiano ( ) Figura 7 - Fator de concentração para radiação solar direta em função do ângulo dos raios incidentes projetados sobre o meridiano local (ψ). Com um banco de dados da irradiação diária média mensal incidente na face frontal, considerando as perdas ópticas devido às reflexões no vidro, determinou-se a irradiação na face posterior das células solares, a partir de: P [( C. I. τ ) ( C. I. τ ). ]ρ I = + (4) FB B onde ρ é a refletância da superfície interna do sistema óptico, C é o fator de concentração para a radiação direta, C D é o fator de concentração para a radiação difusa, τ B é a transmitância no vidro para a radiação direta, τ D é a transmitância no vidro para a radiação difusa, I FB é a irradiação horária direta na superfície do módulo e I FD é a irradiação horária difusa na superfície do módulo. A refletância na face posterior das células solares encapsuladas foi desconsiderada. O fator de concentração para a radiação difusa foi estimado, calculando-se o fator de concentração para a radiação direta de 0 o a 180º, em intervalos de 1º, e fazendo a média entre os valores. O valor de C D encontrado foi de 0,4. Cabe lembrar que a irradiação solar incidente nas células solares é diretamente proporcional à energia elétrica produzida. Conforme o esperado, observa-se que nos meses correspondentes ao inverno a irradiação incidente na face posterior é maior que nos meses de verão. Na Fig. 8 compara-se a irradiação diária média mensal incidente nas células solares do módulo HELIUS 31Y com aquela incidente em um módulo convencional. Nota-se que a diferença na resposta do módulo HELIUS 31Y entre o mês de junho e dezembro é menor que no caso do módulo convencional. Por outro lado, a D FD D

8 energia elétrica que pode ser produzida pelo módulo concentrador é superior em todos os meses do ano, em média 74% maior considerando a mesma área de células solares. Irradiação Diária (kwh/m²) Mês Convencional HELIUS 31Y Figura 8 - Irradiação diária média mensal incidente no HELIUS 31Y e em um módulo convencional. 3. CONCLUSÕES O objetivo deste trabalho foi apresentar o desenvolvimento de um novo módulo fotovoltaico concentrador estático e um método de desenho de concentradores baseado na óptica anidólica. A resposta do módulo concentrador foi comparada com a resposta de um módulo convencional, estimando a irradiância incidente em cada face das células solares bifaciais, através de uma ferramenta computacional que utiliza uma base de dados de dez anos de irradiação diária média mensal. O módulo estático concentrador HELIUS 31Y, quando comparado com um módulo convencional com a mesma área de células solares, pode produzir até 74% a mais de energia elétrica. REFERÊNCIAS Benitez, P. G. Conceptos Avanzados de Óptica Anidólica: Diseño y Fabricación. 1998, 67p. Tese de Doutorado, Universidad Politécnica de Madrid, Madrid, Espanha. Miñano, J.C. Static Concentration. International Journal of Solar Energy, v. 6, p , Programa Luz para Todos. Desenvolvido pelo Ministério de Minas e Energia do Brasil. Acesso em: 15 de julho de 006. Swanson, R. M. The promise of concentrators. Progress in Photovoltaics: Research and Applications, n. 8, p , 000. Winston, R.; Welford, W. T. High Collection Nonimaging Optics. San Diego: Academic Press, p. Zanesco, I. Concentradores Estáticos con Células Bifaciales para Sistemas Fotovoltaicos Autónomos. 1996, 155p. Tese de Doutorado, Universidad Politécnica de Madrid. Madrid, Espanha.

9 DEVELOPMENT OF A PHOTOVOLTAIC STATIC CONCENTRATOR MODULE HELIUS 31Y FOR STAND-ALONE SYSTEMS Abstract: The use of static concentrator modules with bifacial solar cells is an approach of reducing the cost of the electric energy produced by photovoltaic stand alone systems. The goal of this paper is to present the development of a new static concentrator photovoltaic module, called HELIUS 31Y and a method of designing linear optical systems. We defined that the optical system of the module HELIUS 31Y is linear, solar cells are bifacial and the optical system is not filled with any kind of material. We also established that the slope of the module is 48 o and the average daily electrical output is approximately the same during the year, in order to fit in well with constant energy demand typical of a stand-alone photovoltaic system. The PV module HELIUS 31Y was developed based on: the selection of five directions of the solar rays projected onto the local meridian, the ray-tracing procedure, the law of the reflection and concentration ratios. Based on the analysis of monthly average hourly irradiation and monthly average daily irradiation, the behavior of the static concentrator module HELIUS was determined and the hourly concentration ratios were calculated in order to obtain the expected performance of the concentrator. Optical losses and the reflectance were considered. We concluded that the electrical power produced by HELIUS 31Y is up to 74% higher than that produced by a standard module. Key words: Static Concentrator, Stand-Alone Systems, Bifacial Solar Cells, Ray Traced.