EFICIÊNCIA DA CONVERSÃO DE RADIAÇÃO SOLAR EM ENERGIA ELÉTRICA POR MÓDULO FOTOVOLTAICO¹.

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1 EFICIÊNCIA DA CONVERSÃO DE RADIAÇÃO SOLAR EM ENERGIA ELÉTRICA POR MÓDULO FOTOVOLTAICO¹. CARLIANE DINIZ E SILVA 2 & ODIVALDO JOSÉ SERAPHIM 3 1 Extraído da tese de doutorado do primeiro autor intitulada: Eficiência da conversão de radiação solar em energia elétrica por módulos fotovoltaicos. 2 Aluna do Programa de Pós Graduação em Agronomia Energia na Agricultura FCA/UNESP, Botucatu/SP. 3 Orientador e docente do Departamento de Engenharia Rural FCA/UNESP, Botucatu/SP. seraphim@fca.unesp.br RESUMO Os sistemas convencionais de fornecimento de energia elétrica nem sempre se apresentam como a melhor opção para satisfazer as necessidades do setor rural, por isso, há necessidade de pesquisas envolvendo a utilização de fontes alternativas de energias, dentre elas a solar fotovoltaica, sendo que a produção de energia no meio rural promove crescimento econômico e desenvolvimento social. A pesquisa experimental teve a finalidade analisar e avaliar o desempenho de conversão do módulo fotovoltaico, constituído por células de silício policristalino, quanto à eficiência energética em função da disponibilidade de radiação solar e da energia elétrica gerada, instalado no município de Botucatu-SP. O módulo apresentou uma baixa eficiência média diária e mensal, quando instalado em campo, sendo que este desempenho está relacionado diretamente a variação da radiação solar média diária, temperatura de operação, orientação e inclinação do módulo em relação à latitude local. Palavras-chaves: módulo fotovoltaico, ângulo de inclinação, eficiência de conversão. Energ. Agric., Botucatu, vol. 2, n.2, 25, p

2 Silva & Seraphim - Eficiência da conversão de radiação solar... - EFFICIENCY OF SOLAR RADIATION CONVERSION INTO ELECTRIC ENERGY FOR PHOTOVOLTAIC MODULE SUMMARY: Conventional electric energy supply systems sometimes not are the best option to fulfill the rural sector needs. Thus, there is research need involving the use of alternate energy sources, amongst them the photovoltaic one. Energy production in the rural area promotes economic growth and social development. This experimental research aimed to analyze and evaluate the conversion performance of photovoltaic module consisting of polycrystalline silicon cells as to its the energy efficiency in relation to the available the solar radiation and generated electric energy in Botucatu, SP, Brazil. The photovoltaic module demonstrated a low daily and monthly average efficiency, when installed in field, and this performance is directly related t to the daily average solar radiation variation, module operation temperature, module orientation and inclination in relation to the local latitude. Keywords: photovoltaic module, inclination angle, conversion efficiency. 1 INTRODUÇÃO Com a escassez das fontes convencionais de produção de energia, outras opções devem ser consideradas, como a utilização de recursos energéticos renováveis, que oferecem múltiplas vantagens: possibilitam o uso da mão-de-obra local, não degradam o meio ambiente e facilitam a possibilidade econômica de energia útil em pequena escala. Uma das opções para o fornecimento de energia para os usuários rurais é o sistema solar fotovoltaico. A energia solar fotovoltaica, entretanto, ainda apresenta um custo elevado, principalmente quando se refere ao público mais beneficiado com este tipo de fonte descentralizada, ou seja, a população da zona rural. Existem programas que fomentam a implantação de pequenos sistemas solares fotovoltaicos para população mais carente. Em muitos casos, estes sistemas são instalados e não são sistematicamente acompanhados, comprometendo o seu funcionamento e, conseqüentemente o seu rendimento. Qualquer alteração na eficiência do modulo afeta a geração de energia que, de acordo com os próprios fabricantes, é baixa, mesmo nas Condições Padrão de Teste (CPT). Contudo, é preciso efetuar 2 Energ. Agric., Botucatu, vol. 2, n.2, 25, p.1-13

3 testes em condições de campo, que em algum momento se aproximam das CPT para observar-se o comportamento de sua eficiência. Neste sentido, este trabalho teve como objetivo analisar e avaliar a eficiência energética do módulo, de potência de pico 45Wp, em função da disponibilidade de radiação solar e da energia elétrica gerada por ele, na região de Botucatu, para inclinações de e 1 graus em relação à latitude local, para o período de primavera, verão e outono e de 15 graus, para o período de inverno. Segundo Fedrizzi (1997), o serviço de eletrificação rural tradicional é basicamente caracterizado pela grande dispersão geográfica da população, baixo consumo de eletricidade, alto investimento por consumidor, elevado custo operacional, resultando num baixo retorno ou até mesmo prejuízo financeiro à concessionária de energia elétrica. No entanto, segundo Costa (21), estas características podem ser interpretadas como vantagens quando se trata do uso de fontes alternativas de energia adequadas, em particular, a solar fotovoltaica. A possibilidade de ser usada em pequena escala e gerada localmente, não necessitando de redes de distribuição, resolveria o problema de abastecimento de pequenas propriedades e comunidades isoladas. O silício policristalino, constituído por um número muito elevado de pequenos cristais da espessura de um cabelo humano, dispõe de uma quota de mercado de cerca de 3%. As descontinuidades da estrutura molecular dificultam o movimento de elétrons e encorajam a recombinação com as lacunas, o que reduz a potência de saída. Por este motivo, os rendimentos em laboratório e em utilização prática não excedem os 18% e 12%, respectivamente. Em contrapartida, o processo de fabricação é mais barato que do silício cristalino (CASTRO, 23). Atualmente, o silício policristalino conta com aproximadamente 5% das células de silício fabricados no mundo, que é a tecnologia fotovoltaica dominante. Pela primeira vez, a eficiência desta célula solar alcançou 18% (OLIVEIRA, 1997). Já se atinge com novas técnicas de fundição de células policristalinas eficiências de 15 a 19%, enquanto que para filmes finos a eficiência encontra-se em torno de 7% (ELETROBRÁS, 1994). Para Al-Ismaily & Probert (1998), somente o silício monocristalino tem chegado próximo à tensão e corrente máxima teórica. O maior problema é o seu custo elevado e embora estas células forneçam um bom balanço custo-eficiência e confiabilidade. Mesmo as células de silício amorfo, podendo alcançar uma eficiência de 1%, este valor não é mantido por longo tempo diminuindo para 7%. As células policristalinas são feitas de silício puro, mas não por um único cristal, sua eficiência é menor do que as monocristalinas.o silício policristalino é de fácil produção e, portanto, células de mais baixo custo; sua eficiência é somente um pouco menor do que as células monocristalinas. As células de filme fino são também feitas de silício, mas com uma técnica de produção mais avançada, com consumo de silício no Energ. Agric., Botucatu, vol. 2, n.2, 25, p

4 Silva & Seraphim - Eficiência da conversão de radiação solar... - processo. A desvantagem do filme fino, particularmente o de silício amorfo, é sua eficiência de conversão ser muito inferior do que aquela do silício cristalino. 2 MATERIAL E MÉTODOS A pesquisa foi desenvolvida no Departamento de Engenharia Rural, da Faculdade de Ciências Agronômicas, da Universidade Estadual Paulista (FCA/UNESP), localizada no município de Botucatu, São Paulo, com localização geográfica definida pelas coordenadas 22 51' Latitude Sul (S) e 48 26' Longitude Oeste (W) e altitude média de 786 metros acima do nível do mar, com clima subtropical úmido e temperatura média anual de 22 o C. A monitoração dos dados meteorológicos e elétricos do módulo foi realizado no Laboratório de Energização Rural, utilizando-se de uma torre meteorológica de 1 metros, equipada com sensores e coletor de dados. As características técnicas do módulo estão descritas na Tabela 1. Tabela 1. Características elétricas dos módulos fotovoltaicos com radiação solar de 8 e 1.W.m -2. Dados Técnicos a 1.W.m -2 Módulo Potência Nominal (Wp) Tensão Nominal (V) Tensão em aberto (V) Corrente (A) Corrente em curto (A) Dimensão (C x L x A) (mm x mm x mm) , 19,2 3, 3,1 573 x 652 x 54 Dados Técnicos a 8W.m , - 2,4 573 x 652 x 54 Fonte: Catálogo técnico do fabricante. O módulo foi instalado com exposição para o norte magnético. Os ângulos de inclinação utilizados para o conjunto fotovoltaico variaram de acordo com a estação do ano, conforme a Tabela 2. Tabela 2. Ângulo de inclinação do módulo. Módulo Inclinação Período do Ano Dia de Mudança do Ângulo de Inclinação 1 23 o = ± a latitude local 38 o = Latitude local + 15 o 13 o = Latitude local - 1 o outono inverno Verão 2/3 2/6 2/12 O programa computacional utilizado para monitoramento e coleta seletiva dos dados foi o PC28W 3.3, da empresa Campbell, e o coletor de dados CR23X, onde foram medidos e calculados os m V dados instantâneos a cada 1 segundos, das grandezas meteorológicas e elétricas: 4 Energ. Agric., Botucatu, vol. 2, n.2, 25, p.1-13

5 Temperatura do ambiente - TA, em ( o C), Umidade relativa - UR, em (%), Velocidade do vento - VV, em (m.s -1 ), Radiação solar incidente no plano horizontal, no plano inclinado variável e no plano inclinado fixo, em (W.m -2 ), Precipitação, em (mm), Temperatura na superfície do modulo, em ( o C), Corrente de carga - I C, em (Âmpere), Tensão de carga - V C, em (Volt), Energia gerada nos módulos - EG, em (Wh.m 2 ), Eficiência do modulo - EF, em (%). Cálculo da Potência Elétrica Gerada Para medir a potência fornecida pelo módulo, foi inserida uma lâmpada do tipo CC de 48W/12V de potência compatível à potência de pico do módulo, fazendo com que circule corrente elétrica na mesma, denominada de I C. Esta potência foi comparada com os valores fornecidos pelo fabricante. Sobre a carga (L) foi medida a tensão de carga (V C ), lida pelo coletor de dados através de um divisor de tensão de relação 1:1, a corrente elétrica de carga (I C ) medida através de um resistor shunt (R S ) de relação 3A/15mV (FC =,2) e enviada como sinal de tensão, em mv, direto para o coletor de dados. Esses valores foram corrigidos pelo programa de cálculo através de fatores de correção, determinados para a realização desses cálculos, com base nas equações de potência (P) em CC e do esquema elétrico da Figura 1, e calculadas através das Equações 1 e 2. MÓDULO MÓDULO MÓDULO (+) (-) (+) (-) (+) (-) mv shunt mv m V shunt m V shunt I C I C I C I CC L V C V CO Figura 1. Esquema de medição das correntes de carga (I C ) e curto-circuito (I CC ) e das tensões de carga (V C ) e de circuito aberto (V CO ). Energ. Agric., Botucatu, vol. 2, n.2, 25, p

6 Silva & Seraphim - Eficiência da conversão de radiação solar... - I C = mv x FC [A] (1) P = V C x I C [W] (2) Onde: I C : corrente de carga, em Amper; mv: tensão do resistor shunt, em mv; FC: fator de correção =,2; V C : tensão de carga, em Volt; P: potência elétrica dissipada na carga, em Watt. Cálculo da Radiação Solar Global Diária A radiação solar global no plano inclinado do módulo (H col ) foi calculada pelas Equações 3 e 4: H inst N Σ H 1 = N med (3) H col t = 1dia = H ( dt) (4) t= Inst Onde: H Inst : radiação solar global instantânea medida, em W.m - ²; N: total de tempo do intervalo de medição, em s; H col : radiação solar diária incidente no plano do módulo (média diária), em Wh.m - ²; H Inst (dt): radiação solar instantânea incidente no plano do módulo em um dado tempo (média de 5 minutos), em W.m - ². Determinação da Energia Gerada e da Eficiência do Módulo Fotovoltaico Conforme Salviano (21), com a energia solar incidente no plano do módulo fotovoltaico (H col ), com uma superfície de capitação (S), e com a energia elétrica gerada (EG), pode-se calcular a Eficiência Energética de conversão do módulo (EF), através das Equações 5 e 6: 6 Energ. Agric., Botucatu, vol. 2, n.2, 25, p.1-13

7 EG = t = 1dia t = ( I C V ) dt C (5) EF EG = (6) H S col Onde: EG = energia gerada, em Wh; EF = eficiência do módulo, em %. Energ. Agric., Botucatu, vol. 2, n.2, 25, p

8 Silva & Seraphim - Eficiência da conversão de radiação solar RESULTADOS E DISCUSSÃO O mês de janeiro teve um alto índice pluviométrico, dificultando a análise. Entretanto nos dias de céu limpo como no dia 8, observado nas Figuras 2 e 3, a radiação atingiu valores em torno de 7,72 kwh.m -2, a energia gerada chegou a 462 Wh.m -2 e a eficiência de conversão alcançou 6, %. Neste período, a inclinação do módulo foi de 13 o, que corresponde à latitude menos 1 o, potencializado para o verão. Quando comparado com o mês de abril, Figuras 4 e 5, no qual o módulo está com inclinação de 23 o, próximo à latitude local, potencializado para o outono, a radiação foi inferior e ficou em torno de 7,34 kwh.m -2, entretanto a energia gerada alcançou 449 Wh.m -2 e a eficiência de conversão foi de 6,12 % sendo superiores em relação a janeiro. Demonstrando que a mudança do ângulo inclinação teve uma interferência positiva na absorção de energia. No mês de julho, observado nas Figuras 6 e 7, a radiação foi de 6,23 kwh.m -2, com energia gerada de 387 Wh.m -2 e eficiência de 6,22 %, o ângulo de inclinação é de 38 o, latitude mais 15 o, potencializado para o período de inverno. Estes dados podem ser observados na Tabela 3. A mudança de inclinação é recomenda para maximizar a absorção da radiação incidente, deixando o módulo mais perpendicular ao fluxo de radiação. Com estas modificações do ângulo de inclinação, o módulo teve uma estabilidade de absorção. Portanto, pode-se concluir em relação ao módulo, que a mudança de inclinação foi correta. Entretanto, devido à interferência dos elementos climáticos a que o módulo é submetido em campo, dentre eles o principal é a temperatura ambiente elevada a que as células são expostas, o módulo não chegou a atingir a eficiência que seu fabricante determina, pois estes são testados em ambiente controlado. 8 Energ. Agric., Botucatu, vol. 2, n.2, 25, p.1-13

9 Tabela 3. Dados médios diários da Radiação Solar Integralizada, Energia Gerada e Eficiência de Conversão em Janeiro, Abril e Julho de 23, incidentes no módulo. Radiação Solar Integralizada Energia Gerada nos Módulo Eficiência de Conversão no Dia (kwh.m -2 ) (Wh.m -2 ) Módulo (%) Janeiro Abril Julho Janeiro Abril Julho Janeiro Abril Julho 1 6,7 6,52 5,99 377,1 389,58 337,23 6,22 5,98 5,63 2 5,37 6,88 5,79 242,66 437,98 313,6 4,52 6,37 5,41 3 4,34 6,8 6,6 157,7 416,3 332,81 3,62 6,12 5,49 4 3,14,73 5,9 91,68,87 319,13 2,92,12 5,41 5 1,75 3,47 5,81 19,21 128,19 35,8 1,9 3,69 5,25 6 5,71 1,99 5,34 286,64 25,7 276,61 5,2 1,26 5,18 7 7,74 4,84 2,55 456,5 254,58 72,72 5,89 5,26 2,86 8 7,72 6,8 5,73 462,7 444,14 35,2 5,98 6,53 5,32 9 7,21 5,37 5,72 432,13 223,7 297,91 5,99 4,15 5,21 1 5,77 2,12,5 341,83 22,83,5 5,92 1,8,1 11 6,61 3,65 3,87 333,13 139,73 169,95 5,4 3,83 4,4 12 3,18 7,21 6,14 76,3 463,36 34,7 2,39 6,43 5, ,34 7,34 4,33 5,37 449,21 179,14,4 6,12 4, ,36 6,82 5,12 98,55 49,8 272,4 2,26 6,1 5, ,4 4,73 5,89 26,72 213,35 341,37 4,82 4,51 5,8 16 4,91 5,66 5,87 255,63 331,13 341,58 5,21 5,85 5, ,78 6,58 5,41 34,95 41,41 341,58 5,28 6,1 6, ,79 5,3 5,66 262,4 287,98 324,32 5,48 5,44 5, ,1 3,43 6,12 338,74 147,7 37,8 5,63 4,3 6,5 2 5,15 2,2 6,23 251,14 19,37 387,72 4,87,96 6, ,83 2,7 6,2 224,33 72,35 375,97 5,86 2,68 6,7 22 2,97 6,36 5,78 1,76 371,17 317,3,6 5,83 5, ,9 6,52 6,1 2,45 382,29 37,92,13 5,86 6,8 24 3,31 6,47 5,7 71,18 376,35 16,92 2,15 5,81, ,37 6,31 3,43 2,2 354,84 117,79,15 5,62 3, ,39 6,26 3,58 18,63 36,5 99,62,78 5,75 2, ,77 6,28 3,68 16,92 356,9 12,57,96 5,67 3, ,14 6, 5,78 31,85 344,39 341,77 1,49 5,74 5, ,76 5,99 4,67 116,62 323,27 225,28 3,1 5,39 4,83 3 3,38 5,69 5,1 88,7 289,51 268,64 2,62 5,9 5, ,42 5,23 5,7 133,5 283,28 3,2 4,97 Média 4,31 6,52 5,13 185,84 281,21 263,41 3,51 4,79 4,83 Energ. Agric., Botucatu, vol. 2, n.2, 25, p

10 Silva & Seraphim - Eficiência da conversão de radiação solar... - Figura 2. Energia diária gerada, com radiação solar (RIV) de JAN/23. Radiação Radiação Solar Solar (Wh/m2) (Wh/m2) RIV RIV KC45 KC Energia Eficiência Gerada (%) (Wh/m2) Dia Dia Figura 3. Eficiência diária de conversão, com radiação solar (RIV) de JAN/23. 1 Energ. Agric., Botucatu, vol. 2, n.2, 25, p.1-13

11 1 6 9 RIV KC Radiação Solar (Wh/m2) Energia Gerada (Wh/m2) Dia Figura 4. Energia diária gerada pelo, com radiação solar (RIV) de ABR/ RIV KC Radiação Solar (Wh/m2) Eficiência (%) Dia Figura 5. Eficiência diária de conversão, com radiação solar (RIV) de ABR/23. Energ. Agric., Botucatu, vol. 2, n.2, 25, p

12 Silva & Seraphim - Eficiência da conversão de radiação solar RIV KC Radiação Solar (Wh/m2) Energia Gerada (Wh/m2) Dia Figura 6. Energia diária gerada, com radiação solar (RIV) de JUL/23. 1 RIV KC Radiação Solar (Wh/m2) Eficiência (%) Dia Figura 7. Eficiência diária de conversão, com radiação solar (RIV) de JUL/ Energ. Agric., Botucatu, vol. 2, n.2, 25, p.1-13

13 4 CONCLUSÕES Os resultados confirmam os efeitos conhecidos sobre as células solares devido à variação dos fatores climáticos e mudanças na radiação solar incidente, onde se obtve uma boa relação entre as medidas de intensidade radiação solar global, temperatura e os demais parâmetros meteorológicos, como a umidade relativa, em dias de céu coberto ou chuvoso, com a variação da energia gerada e eficiência dos módulos. A variação no ângulo de inclinação resultou numa estabilidade na eficiência de conversão do módulo, mostrando a necessidade desta variação para aumentar o índice de absorção de radiação solar já que a eficiência de conversão em campo é muito baixa, alcançando o máximo de 6,5% no mês de abril. O módulo fotovoltaico demonstrou um baixo rendimento médio diário e mensal, quando instalado em campo, sendo que uma parte significante deste desempenho está relacionada diretamente à variação da radiação solar média diária incidente e da temperatura de operação do módulo. 5 AGRADECIMENTOS Agradecimento ao CNPq pela concessão da bolsa de estudos e a FAPESP, pelo financiamento do projeto de pesquisa. 6 REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA AL-ISMAILY, H.A.; PROBERT, D. Photovoltaic electricity prospects in Oman. Applied Energy, Londres, v. 59, n. 2/3, p , Disponível em: < Acesso em: 6 set. 22. CASTRO, R.M.G. Introdução à energia fotovoltaica. Disponível em: < Acesso em: 25 jun. 23. COSTA, H.S. A qualidade de energia de sistemas fotovoltaicos domésticos em áreas rurais. Energia Rural, São Paulo, v.31, n. 5, p , set. 21. ELETROBRÁS. Plano nacional de energia elétrica 1993/215: plano 215. Rio de Janeiro, Energ. Agric., Botucatu, vol. 2, n.2, 25, p

14 Silva & Seraphim - Eficiência da conversão de radiação solar... - FEDRIZZI, M.C. Catalogação e descrição bibliográfica: fornecimento de água com sistemas de bombeamento fotovoltaicos. São Paulo: EDUSP, p. OLIVEIRA, S.H.F. de. Catalogação e descrição bibliográfica: dimensionamento de sistemas autônomos: ênfase na eletrificação de residências de baixo consumo. São Paulo: EDUSP, p. SALVIANO, C.J.C. Eletrificação rural a partir da tecnologia fotovoltaica. Eletricidade Modernas, São Paulo, n. 327, p , jun Energ. Agric., Botucatu, vol. 2, n.2, 25, p.1-13