INTRODUÇÃO A ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA E O SFVCR DO ESCRITÓRIO VERDE DA UTFPR Prof. Jair Urbanetz Junior, Dr. Eng. Universidade Tecnológica Federal do Paraná UTFPR Instituto de Engenharia do Paraná - IEP Semana da Curitiba Engenharia Dezembro IEP - Curitiba /2014 - Dezembro / 2014
Energias Renováveis Solar:
1.1 - Tecnologias para Aproveitamento da Energia Solar Pode ser utilizada para: Aquecimento (calor infravermelho) coletores solares térmicos Geração indireta de eletricidade (concentrar o calor) calor concentrado vapor turbina gerador eletricidade Geração direta de eletricidade (luz fótons) luz Módulo Fotovoltaico convencional eletricidade luz concentrada módulo fotovoltaico concentrador eletricidade
1.1 - Tecnologias para Aproveitamento da Energia Solar Módulos solares fotovoltaicos (sem concentrador) para geração de energia elétrica Geração direta de energia elétrica pelo efeito fotovoltaico. Sistemas de pequena potência (W, kw) ou de grande potência (MW). Atualmente é a tecnologia mais usual para geração de energia elétrica a partir da energia solar. Módulos Fotovoltaicos
1.1 - Tecnologias para Aproveitamento da Energia Solar Sistemas Fotovoltaicos - Conceitos SISTEMAS FOTOVOLTAICOS Energia Solar Sistemas Fotovoltaicos Duas Configurações Básicas: GERAR ENERGIA ELÉTRICA DIRETAMENTE A PARTIR DA ENERGIA DO SOL => Sistemas Isolados => Sistemas Conectados à Rede
1.1 - Tecnologias para Aproveitamento da Energia Solar Sistemas Fotovoltaicos - Conceitos SISTEMAS FOTOVOLTAICOS ISOLADOS Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede Elétrica ATENDIMENTO DE LOCAIS SEM ACESSO À REDE ELÉTRICA (OU APLICAÇÕES ESPECIAIS) A ENERGIA GERADA É ARMAZENADA Geração Descentralizada de Energia Elétrica (ou Planta Centralizada) A energia gerada é injetada na rede
1.2 - Radiação solar direta, difusa, global e devido ao Albedo Radiação solar Forma de transferência de energia advinda do Sol, através da propagação de ondas eletromagnéticas. O Sol dista em média cerca de 150.000.000 km da terra. As radiações emitidas pelo Sol atingem a camada externa da atmosfera terrestre com intensidade que depende da distância Sol-Terra. A intensidade média é conhecida como constante solar (G AM0 ) G AM0 = 1.366 W/m 2 Na superfície terrestre a intensidade de radiação máxima é cerca de GHOR = 1.000 W/m² Componentes da radiação Solar radiação direta radiação difusa radiação devida ao albedo
1.3 - Conceitos de irradiância e irradiação - Medição - Unidades Irradiância e Irradiação Medição - Unidades RADIAÇÃO SOLAR INSTANTÂNEA INTEGRADA (Potência/m 2 ) (Energia/m 2 ) Irradiância (W/m 2 ) Irradiação (Wh/m 2 ) Medição de irradiância Unidades usuais Irradiância W/m 2 kw/m 2 Piranômetro Sensor de silício Irradiação Wh/m 2.dia kwh/m 2.dia kwh/m 2.ano
1.3 - Conceitos de irradiância e irradiação - Medição - Unidades Irradiância (W/m 2 ) - Escritório Verde - UTFPR 1200 Irradiância ao longo do dia (W/m 2 ) 1000 800 600 400 200 0 Dia Ensolarado (13/07/2012) Dia Chuvoso (07/07/2012) 1200 Irradiância ao longo do dia (W/m 2 ) 1000 800 600 400 200 0 Dia Ensolarado (24/12/2012) Dia Chuvoso (14/12/2012)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 1.3 - Conceitos de irradiância e irradiação - Medição - Unidades Irradiação (Wh/m 2 ) - Escritório Verde - UTFPR 9000,0 8000,0 7000,0 6000,0 5000,0 4000,0 3000,0 2000,0 1000,0 0,0 Julho/2012 9000,0 8000,0 7000,0 6000,0 5000,0 4000,0 3000,0 2000,0 1000,0 0,0 Novembro/2012
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 1.3 - Conceitos de irradiância e irradiação - Medição - Unidades Irradiação (Wh/m 2 ) - Escritório Verde - UTFPR 9000,0 8000,0 7000,0 6000,0 5000,0 4000,0 3000,0 2000,0 1000,0 0,0 Dezembro/2012 6000 Irradiação média obtida pelo piranômetro (Wh/m 2.dia) 5315,31 5000 4393,05 4557,23 4288,12 4586,19 4000 3000 3054,40 2000 1000 0
1.4 - Banco de dados de irradiação solar - Projeto SWERA Potencial Solar Brasileiro Atlas Brasileiro de Energia Solar Modelo BRASIL-SR - Mapas de irradiação global horizontal e inclinada (latitude) - Mapas sazonais e anuais - Banco de dados
1.5 Atlas Brasileiro de Energia Solar Atlas Brasileiro de Energia Solar Mapa de Irradiação Global horizontal Média anual kwh/m 2.dia
1.5 Atlas Brasileiro de Energia Solar Atlas Brasileiro de Energia Solar Mapa de Irradiação (no Plano Inclinado) (Inclinação igual à latitude local) Média anual kwh/m 2.dia
1.5 Atlas Brasileiro de Energia Solar
1.6 Potencial Fotovoltaico do Estado do Paraná Estado do Paraná
1.6 Potencial Fotovoltaico do Estado do Paraná Fonte: TIEPOLO, URBANETZ, CANCIGLIERI, VIANA, PEREIRA. V CBENS - 2014
1.6 Potencial Fotovoltaico do Estado do Paraná PARANÁ x ALEMANHA; ITÁLIA e ESPANHA Fonte: TIEPOLO, URBANETZ, CANCIGLIERI, VIANA, PEREIRA. V CBENS - 2014
2 - Fundamentos da Tecnologia Fotovoltaica Tecnologia Solar Fotovoltaica Alta tecnologia, mas é simples de utilizar Não poluente e fonte renovável Não produz ruído Baixa manutenção Operação desassistida Altamente confiável uso em satélites Instalações desde baixa potência (W) até (MW). Característica modular o sistema pode ser ampliado conforme a necessidade, pode ser desmontado e montado em outra localidade. http://newtech.aurum3.com
2.1 - Efeito fotovoltaico - Princípio de funcionamento da célula FV Efeito Fotovoltaico Conversão direta da energia da luz (espectro visível) em energia elétrica. Célula fotovoltaica elemento que realiza a conversão Material tipo N Material tipo P - Tensão elétrica + CB-SOLAR / PUC RS Foto: Trajano Viana Célula fotovoltaica de silício A tecnologia solar fotovoltaica é diferente da tecnologia solar térmica, que utiliza o calor (radiação infravermelha) para aquecimento.
2.2 - Tecnologias fotovoltaicas - Células e módulos fotovoltaicos Tecnologia tradicional lâminas de silício cristalino - Silício monocristalino (m-si) - Silício policristalino (p-si) ou silício multicristalino Cerca de 90% da produção mundial de módulos é baseada no silício cristalino (m-si e p-si) Tecnologia de filmes finos filmes finos de silício ou outros materiais depositados sobre substratos rígidos ou flexíveis - Silício amorfo ou silício amorfo hidrogenado (a-si) - Telureto de cádmio (CdTe) - Disseleneto de cobre e índio (CIS) - Disseleneto de cobre, índio e gálio (CIGS) - Micromorfo ou microcristalino (μcsi/a-si)
2.2 - Tecnologias fotovoltaicas - Células e módulos fotovoltaicos
2.3 - Eficiência de conversão da célula FV e do módulo FV Parâmetros característicos Eficiência de conversão (Módulos comerciais @ STC) m-si 12-15 % m-si especiais 17 19 % ( HIT ; back contact ) p-si 11-14 % a-si 6-8 % (estabilizado) CdTe 7-10 % CIGS 9-11 % a-si/µc-si ~ 8-9 % Escolha da Tecnologia Aspectos energéticos Aspectos arquitetônicos Estética Aplicação Área disponível potência instalada (Wp) Maior eficiência menor área Eficiência Área
2.3 - Eficiência de conversão da célula FV e do módulo FV m 2 20 18 16 Área necessária para instalar 1kWp 14-18 16-20 14 12 11-13 10 8-11 8 7-9 6 4 2 0 Silício monocristalino m-si Silício policristalino p-si Disseleneto de cobre e índio CIS - CIGS Telureto de Cádmio CdTe Silício amorfo a-si Fonte: SMA
Intensidade relativa 2.4 - Resposta espectral dos diferentes tipos de células FV A radiação solar não é monocromática, apresenta diferentes comprimentos de onda; As células FV, dependendo dos materiais empregados, apresentam diferentes sensibilidades para cada comprimento de onda da radiação solar incidente. Comprimento de onda (nm) Silício amorfo (a-si) Telureto de cádmio (CdTe) Disseleneto de cobre e índio (CIS) Silício cristalino
2.5 - Efeitos da temperatura Coeficientes de temperatura Parâmetros característicos Coeficientes de temperatura O aumento da temperatura de operação, de um modo geral, tem efeito negativo no desempenho dos dispositivos fotovoltaicos, reduzindo a eficiência de conversão. Coeficiente de temperatura sobre a corrente (α) aumenta ligeiramente Coeficiente de temperatura I SC sobre a tensão (β) V OC diminui acentuadamente Coeficiente de temperatura sobre a potência (γ) A potência máxima diminui, pois o efeito da temperatura sobre V OC é maior do que sobre I SC. Exemplo para: c-si: γ = -0,45 %/ºC a-si: γ = -0,13 %/ºC
3 Classificação dos Sistemas FV Sistemas fotovoltaicos isolados (SFVI) ou (SFI) Não possuem conexão com o sistema público de fornecimento de energia elétrica; Normalmente são instalados em locais sem acesso à rede elétrica ou visando atender cargas especiais; A energia elétrica gerada normalmente é armazenada em baterias; Sistemas fotovoltaicos conectados à rede elétrica (SFVCR) ou (SFCR) Operam com conexão à rede elétrica pública; A energia gerada é injetada na rede elétrica. Não necessitam de elemento armazenador; Na falta da rede elétrica (desligamento para manutenção ou falha) os SFCR se desconectam automaticamente da rede, deixando de fornecer energia, evitando o ilhamento; Segurança da rede e dos usuários
3.1 Componentes dos Sistemas FV Isolados Diagrama pictográfico de um SFVI
4 Sistemas FV Conectados à Rede Elétrica Módulos Fotovoltaicos Medidor (kwh) REDE Inversor CC => CA Medidor Opcional (kwh) CARGAS CA Componentes Painel fotovoltaico Módulos fotovoltaicos Inversor
4.1 Características dos Sistemas FV Conectados à Rede Sistemas FV Conectados à Rede Elétrica (SFCR) ou (SFVCR) Operam com conexão à rede elétrica pública; A energia gerada é injetada na rede elétrica. Não necessitam de elemento armazenador; Na falta da rede elétrica (desligamento para manutenção ou falha) os SFCR se desconectam automaticamente da rede, deixando de fornecer energia, evitando o ilhamento; Segurança da rede e dos usuários Quando a rede elétrica é restabelecida, automaticamente os SFCR se reconectam e passam a fornecer energia à rede; Utilizados como forma de geração distribuída, integrados a edificações urbanas (kw); Utilizados para geração centralizada, com grande potência instalada (MW); Elevada produtividade (YIELD) kwh/kwp.
4.2 Componentes dos Sistemas FV Conectados à Rede Elétrica Diagrama básico de um SFCR integrado à edificação Painel fotovoltaico COMERCIALIZAÇÃO DA ENERGIA FV Modelo Net Metering O gerador fotovoltaico TROCA a energia que produz (recebendo créditos em kwh) para serem consumidos. Modelo da TARIFA-PRÊMIO O gerador fotovoltaico vende TUDO o que produz (recebendo a tarifa-prêmio) e o consumidor compra TUDO o que utiliza da concesionária (pagando a tarifa de sua classe tarifária).
4.2 Componentes dos Sistemas FV Conectados à Rede Elétrica Diagrama básico de um SFVCR integrado à edificação No Brasil: Sistema de Compensação, similar ao Net Metering O gerador fotovoltaico TROCA a energia que produz (recebendo créditos em kwh) para serem consumidos, porém há incidência de impostos no momento do consumo da energia fotogerada. Ex: Tarifa residencial no Paraná (julho/2014) Sem impostos: R$ 0,32637 / kwh; Com impostos: R$ 0,49078 / kwh Fonte: GARCETE, 2013
4.3 Capacidade Instalada de Sistemas FV Conectados à Rede Elétrica Capacidade mundial instalada de SFCR:
4.3 Capacidade Instalada de Sistemas FV Conectados à Rede Elétrica
4.3 Capacidade Instalada de Sistemas FV Conectados à Rede Elétrica Capacidade instalada no Brasil de SFVCR 3500 3000 2500 3,14 MWp (até jan / 2013) 2000 1500 1000 500 0 Atualmente > 14 MWp (Fonte: ANEEL, 2014)
4.4 Sistema FV Conectado à Rede Elétrica do EV da UTFPR Dez/2011, inaugurado EV; Edificação sustentável; 150m²; LED; coleta de água da chuva; conforto térmico; baixo carbono; energia solar FV (SFVI e SFVCR); ZEB; etc.
4.4 Sistema FV Conectado à Rede Elétrica do EV da UTFPR Exemplos de SFCR no Brasil 2,1 kwp, UTFPR, Escritório Verde, Curitiba PR (2011)
4.4 Sistema FV Conectado à Rede Elétrica do EV da UTFPR ( Fases da montagem ) 2,1 kwp, UTFPR, Escritório Verde, Curitiba PR (2011)
4.4 Sistema FV Conectado à Rede Elétrica do EV da UTFPR ( Fases da montagem ) 2,1 kwp, UTFPR, Escritório Verde, Curitiba PR (2011)
4.4 Sistema FV Conectado à Rede Elétrica do EV da UTFPR ( Fases da montagem ) 2,1 kwp, UTFPR, Escritório Verde, Curitiba PR (2011)
4.4 Sistema FV Conectado à Rede Elétrica do EV da UTFPR Geração (kwh/mês) 7 MWh (em 35 meses de operação) Geração anual 2,4 MWh/ano Média mensal 200 kwh
4.4 Sistema FV Conectado à Rede Elétrica do EV da UTFPR DESEMPENHO DO SFVCR DO EV Baseado na energia gerada; Nos dados de irradiação solar do INMET (estação A807) e uso do RADIASOL; Índices de Mérito: Yield (kwh/kwp); Performance Ratio (%); Fator de Capacidade (%).
4.4 Sistema FV Conectado à Rede Elétrica do EV da UTFPR ÍNDICES DE MÉRITO DO SFVCR DO EV São utilizados para comparar a operação de SFVCR com diferentes potências e/ou localidades. Yield Performance Ratio Fator de Capacidade
4.4 Sistema FV Conectado à Rede Elétrica do EV da UTFPR Irradiação diária média no plano horizontal (estação A807 do INMET)
4.4 Sistema FV Conectado à Rede Elétrica do EV da UTFPR IRRADIAÇÃO SOBRE O PAINEL FV
4.4 Sistema FV Conectado à Rede Elétrica do EV da UTFPR IRRADIAÇÃO SOBRE O PAINEL FV
4.4 Sistema FV Conectado à Rede Elétrica do EV da UTFPR YIELD (PRODUTIVIDADE) Produtividade anual 1.127 kwh/kwp
4.4 Sistema FV Conectado à Rede Elétrica do EV da UTFPR PERFORMANCE RATIO (TAXA DE DESEMPENHO) Taxa de Desempenho anual 70%
4.4 Sistema FV Conectado à Rede Elétrica do EV da UTFPR FATOR DE CAPACIDADE Fator de Capacidade anual 13%
4.4 Sistema FV Conectado à Rede Elétrica do EV da UTFPR FATORES QUE INFLUENCIARAM NO DESEMPENHO Inclinação e orientação (15º e desvio 22º oeste); Inversor (rendimento máximo 92%); Sombreamento parcial no fim do dia; Acúmulo de sujeira (foi efetuada a lavagem do painel FV em 31/08/2013).
4.4 Sistema FV Conectado à Rede Elétrica do EV da UTFPR CONCLUSÕES O SFVCR do EV gerou em em média 200kWh/mês; Quantidade superior a necessária para atender a edificação, tornando-se uma edificação de energia zero (ZEB zero energy building); No verão chegou a atingir 304kWh/mês, o que permitiu exportar energia (tornou-se uma edificação de energia positiva); Quanto aos índices de mérito, os valores estão regulares se comparados aos divulgados por outras Universidades que desenvolvem pesquisas com SFVCRs, como UFSC e USP (Yield anual médio de 1.127kWh/kWp; Performance Ratio médio de 70% e Fator de Capacidade médio de 13%)
4.4 Sistema FV Conectado à Rede Elétrica do EV da UTFPR CONCLUSÕES O acompanhamento ao longo destes quase três anos de operação do SFVCR do EV em Curitiba confirma ser um sistema de alta confiabilidade (opera de forma ininterrupta desde sua instalação), a geração de energia elétrica está próxima aos valores esperados, opera de forma limpa e silenciosa e não necessita de área adicional, visto que o painel fotovoltaico é instalado sobre o telhado da edificação. Estas características fazem da geração fotovoltaica, a forma mais promissora de geração distribuída para o ambiente urbano.
5 Sistemas FV no estado do Paraná
5 Sistemas FV no estado do Paraná
6 Desafios a serem vencidos no estado do Paraná Provar a viabilidade da geração FV no Paraná; Ampliar a capacitação de profissionais em todos os níveis de escolaridade, em fontes alternativas de energia; Mostrar que os custos já são atrativos ao consumidor residencial (no uso concomitante com a geração) ( R$ 8,00 / Wp instalado R$ 0,40 a R$ 0,50 / kwh ); Tributação: Estadual o ICMS é 29%; Municipal não existem incentivos municipais.
OBRIGADO PELA ATENÇÃO!!! Prof. Jair Urbanetz Junior, Dr. Eng. urbanetz@utfpr.edu.br Semana da Curitiba Engenharia Dezembro IEP - Curitiba / -2014 Dezembro / 2014