ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA E O DESEMPENHO DO SFVCR DO ESCRITÓRIO VERDE DA UTFPR Prof. Dr. Jair Urbanetz Junior Universidade Tecnológica Federal do Paraná UTFPR Instituto de Engenharia do Paraná - IEP Curitiba IEP - Curitiba Setembro - /2015 /
Energias Renováveis Solar:
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 - 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 - 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
2 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
2.1 Componentes dos Sistemas FV Isolados Diagrama pictográfico de um SFVI
2.1 Componentes dos Sistemas FV Conectados à Rede Elétrica Fonte: http://energiatecsolar.com.br
3 - 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
3.1 - 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.
3.2 - 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)
3.2 - Tecnologias fotovoltaicas - Células e módulos fotovoltaicos
3.3 - Eficiência de conversão da célula FV e do módulo FV Parâmetros característicos Eficiência de conversão (Módulos comerciais @ STC) m-si 14-17 % m-si especiais 17 19 % ( HIT ; back contact ) m-si bifaciais > 20% p-si 13-16 % 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
3.3 - 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
3.4 - 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. Intensidade relativa Comprimento de onda (nm) Silício amorfo (a-si) Telureto de cádmio (CdTe) Disseleneto de cobre e índio (CIS) Silício cristalino
3.5 - 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) I SC aumenta ligeiramente Coeficiente de temperatura 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
4 Características dos Sistemas FV Conectados à Rede Sistemas FV Conectados à Rede Elétrica (SFVCR) Operam com conexão à rede elétrica pública; (SFCR) ou 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.
4.1 Modelos Adotados em Relação a Tarifa de Energia 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).
4.1 Modelos Adotados em Relação a Tarifa de Energia 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 (setembro/2015) Sem impostos: R$ 0,49231 / kwh; Com impostos: R$ 0,74592 / kwh Fonte: GARCETE, 2013
4.1 Modelos Adotados em Relação a Tarifa de Energia Fonte: COPEL, 2015
4.1 Modelos Adotados em Relação a Tarifa de Energia Fonte: https://www.confaz.fazenda.gov.br/legislacao/convenios/convenio-icms/2015/convenio-icms-16-15
5 Panorama Mundial e Brasileiro de SFVCR Capacidade mundial instalada de SFCR: Fonte: REN21, 2015
5 Panorama Mundial e Brasileiro de SFVCR Cenários de Capacidade instalada global de SFVCR até 2018: Fonte: Global Market Outlook - EPIA, 2015
5 Panorama Mundial e Brasileiro de SFVCR Fonte: REN21, 2015
5 Panorama Mundial e Brasileiro de SFVCR Capacidade total instalada por regiões e por habitante (ano base: 2013) Asia: Pot: 37,344 MW W/hab: 11,5 W/hab Europa: Pot: 81.464 MW W/hab: 125,1 W/hab América do Norte: `Pot: 13.446 MW W/hab: 28,6 W/hab Oriente Médio: Pot: 530 MW W/hab: 10,9 W/hab América Latina: Pot: 281 MW W/hab: 0,9 W/hab Africa: Pot: 422 MW W/hab: 1,1 W/hab Oceânia: Pot: 3.248 MW W/hab: 108,3 W/hab Fonte: Adaptado de Global Market Outlook - EPIA, 2015
5 Panorama Mundial e Brasileiro de SFVCR Capacidade instalada no Brasil de SFVCR 30000 25000 26 MWp (até set / 2015) 20000 15000 10000 5000 0
5 Panorama Mundial e Brasileiro de SFVCR Capacidade instalada no Brasil de SFVCR Fonte: ANEEL, 2015
5 Panorama Mundial e Brasileiro de SFVCR Capacidade estimada no Brasil de SFVCR até 2017 1400000 1200000 1,3 GWp 1000000 800000 600000 400000 200000 0
6 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.
6 Sistema FV Conectado à Rede Elétrica do EV da UTFPR Exemplos de SFCR no Brasil 2,1 kwp, UTFPR, Escritório Verde, Curitiba PR (2011)
6 Sistema FV Conectado à Rede Elétrica do EV da UTFPR ( Fases da montagem ) 2,1 kwp, UTFPR, Escritório Verde, Curitiba PR (2011)
6 Sistema FV Conectado à Rede Elétrica do EV da UTFPR ( Fases da montagem ) 2,1 kwp, UTFPR, Escritório Verde, Curitiba PR (2011)
6 Sistema FV Conectado à Rede Elétrica do EV da UTFPR ( Fases da montagem ) 2,1 kwp, UTFPR, Escritório Verde, Curitiba PR (2011)
6 Sistema FV Conectado à Rede Elétrica do EV da UTFPR 350 GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA (kwh/mês) 300 250 200 150 100 50 0 Janeiro Fevereiro Março Abril Maio Junho Julho Agosto Setembro Outubro Novembro Dezembro 2012 273 240 272 187 137 112 158 196 211 206 218 234 2013 225 188 175 185 147 112 144 170 184 258 216 202 2014 304 278 193 150 150 133 148 197 181 237 222 221 2015 249 190 184 170 135 144 130 189 8,7 MWh (em 45 meses de operação) Geração anual 2,4 MWh/ano Média mensal 200 kwh
6 Sistema FV Conectado à Rede Elétrica do EV da UTFPR Fonte: www.solarenergy.com.br
6 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 (%).
6 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
6 Sistema FV Conectado à Rede Elétrica do EV da UTFPR Irradiação diária média no plano horizontal (estação A807 do INMET)
6 Sistema FV Conectado à Rede Elétrica do EV da UTFPR IRRADIAÇÃO SOBRE O PAINEL FV
6 Sistema FV Conectado à Rede Elétrica do EV da UTFPR IRRADIAÇÃO SOBRE O PAINEL FV
6 Sistema FV Conectado à Rede Elétrica do EV da UTFPR YIELD (PRODUTIVIDADE) Produtividade anual 1.121 kwh/kwp
6 Sistema FV Conectado à Rede Elétrica do EV da UTFPR PERFORMANCE RATIO (TAXA DE DESEMPENHO) Taxa de Desempenho anual 70%
6 Sistema FV Conectado à Rede Elétrica do EV da UTFPR FATOR DE CAPACIDADE Fator de Capacidade anual 13%
6 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).
6 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 1.121kWh/kWp; Performance Ratio médio de 70% e Fator de Capacidade médio de 13%)
6 Sistema FV Conectado à Rede Elétrica do EV da UTFPR CONCLUSÕES O acompanhamento ao longo destes 45 meses 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.
7 Desafios a serem vencidos no estado do Paraná Provar a viabilidade da geração FV no Paraná; Atualmente a capacidade instalada em SFVCR no Paraná é cerca de 250kWp; Mostrar que os custos já são atrativos ao consumidor residencial (no uso concomitante com a geração) ( R$ 10,00 / Wp instalado R$ 0,50 / kwh ); Tributação: Estadual o ICMS é 29%; Municipal não existem incentivos municipais. Ampliar a capacitação de profissionais em todos os níveis de escolaridade, em fontes alternativas de energia; (UTFPR Especialistas e Mestres)
7 Desafios a serem vencidos no estado do Paraná UTFPR / DAELT : Especialização em Energias Renováveis Solar Fotovoltaica; Eólica; Biomassa. Mestrado Profissional em Sistemas de Energia (PPGSE) Automação e Sistemas de Energia; UTFPR / DACOC: Mestrado e Doutorado em Engenharia Civil (PPGEC) Construção Civil; Meio Ambiente;
OBRIGADO PELA ATENÇÃO!!! Prof. Dr. Jair Urbanetz Junior Coordenador do Curso de Especialização em Energias Renováveis Professor no DAELT, PPGSE e no PPGEC urbanetz@utfpr.edu.br Curitiba IEP - Curitiba Setembro - // 2015