EFICINCIA DE MDULOS FOTOVOLTAICOS MONOCRISTALINOS NA CONVERSO DE RADIAO SOLAR EM

ENERGIA ELTRICA

CARLIANE DINIZ E SILVA1 ODIVALDO JOS SERAPHIM2

1Pesquisadora Visitante do Departamento de Engenharia Agrcola UEMA Campus de So Lus carlianeds@yahoo.com.br

2Prof. Adjunto do Depto. de Engenharia Rural UNESP/FCA seraphim@fca.unesp.br

1. Resumo Com a escassez das fontes convencionais de produo de energia, outras opes devem ser consideradas, como a utilizao de recursos energticos renovveis, que oferecem mltiplas vantagens. Uma das opes ao fornecimento de energia dos usurios rurais so os sistemas solares fotovoltaicos para a promoo local da qualidade de vida. O objetivo deste estudo foi avaliar duas marcas de mdulos fotovoltaicos monocristalinos em diferentes ngulos de inclinao. Os mdulos apresentaram baixa eficincia de converso em condies de campo para radiao solar incidente. Palavras-Chave:radiao solar, energia, mdulo 1.1 Abstract With the scarcity of the conventional sources of energy production, other options must be considered, as the use of energy resources you renewed, that they offer to multiple advantages. One of the options to the supply of energy of the agricultural users is the photovoltaics solar systems for the local promotion of the quality of life. The objective of this study was to evaluate two marks of monocrystalline photovoltaics modules in different angles of inclination. The modules had presented low efficiency of conversion in conditions of field for incident solar radiation. Keywords: solar radiation, energy, module. 2. Introduo Os sistemas convencionais de fornecimento de energia eltrica, desenvolvidos principalmente atravs de unidades de produo e distribuio altamente centralizada, nem sempre se apresentam como a melhor opo para satisfazer as necessidades do setor rural. Isto se deve, em parte, ao alto nvel de disperso das populaes das zonas rurais e as baixas demandas de energia, j que as atividades econmicas dessas populaes, em geral, so muito reduzidas. Os custos de gerao de energia eltricos para o setor rural, atravs de mtodos convencionais, so elevadas, pois o transporte e a distribuio acabam se tornando mais dispendiosos do que a prpria gerao. Com a escassez das fontes convencionais de produo de energia, outras opes devem ser consideradas, como a utilizao de recursos energticos renovveis, que oferecem mltiplas vantagens: possibilitam o uso da mo-de-obra local, no degradam o meio ambiente e facilitam a possibilidade econmica de energia til em pequena escala. Uma das opes ao fornecimento de energia dos usurios rurais so os sistemas solares fotovoltaicos. Qualquer alterao na eficincia do modulo afeta a gerao de energia, que de acordo com os prprios fabricantes baixa, mesmos nas Condies Padro de Teste (CPT). Contudo preciso fazer teste em condies de campo que em algum momento se aproxima das CPT para observarmos o comportamento de sua eficincia.

O objetivo deste estudo foi analisar e avaliar a eficincia energtica de duas marcas e nvel de mdulos fotovoltaicos de constituio monocristaliana em funo da disponibilidade de radiao solar, da energia eltrica gerada por estes mdulos, considerando o perodo de 8 meses, tendo tambm como varivel o ngulo de inclinao dos mdulos em relao a latitude local. Segundo Fedrizzi (1997), o servio de eletrificao rural basicamente caracterizado pela grande disperso geogrfica da populao, baixo consumo de eletricidade, alto investimento por consumidor, elevado custo operacional, resultando num baixo retorno ou at mesmo prejuzo financeiro concessionria de energia eltrica. No entanto, segundo Costa (2001), estas caractersticas podem ser interpretadas como vantagens quando se trata do uso de fontes renovveis de energia em particular a solar fotovoltaica. A possibilidade de ser usada em pequena escala e gerada localmente, no necessitando de redes de distribuio, resolveria o problema de abastecimento de pequenas propriedades e comunidades isoladas. Segundo o Manual de Engenharia (1995), o aproveitamento da energia gerada pelo Sol, inesgotvel na escala terrestre de tempo, tanto como fonte de calor quanto de luz, hoje, sem sombra de dvidas, uma das alternativas energticas mais promissoras para enfrentarmos os desafios do novo milnio. E quando se fala em energia, deve-se lembrar que o Sol responsvel pela origem de praticamente todas as outras fontes de energia. Para Oliveira (1997), conhecer a disponibilidade e as caractersticas da irradiao solar de determinado local, bem como as propriedades bsicas de funcionamento dos componentes dos sistemas fotovoltaicos, de fundamental importncia no dimensionamento correto e cuidadoso dos mesmos. Alm disso, este conhecimento tambm importante na hora da compra, instalao e utilizao destes sistemas fotovoltaicos. Segundo informaes no oficiais, no final do ano de 2000 mais de 5MW de potncia instalada de sistemas fotovoltaicos forneciam eletricidade para residncias, escolas, centros comunitrios, telefonia rural e bombeamento de gua. Apesar do pas ter uma estrutura institucional bsica, que poderia servir para a disseminao dessa tecnologia, muito pouco se fez no sentido de garantir a qualidade de energia eltrica gerada por tais instalaes (COSTA, 2001). Pouco se estudou sobre o desempenho dos componentes e da adequao das configuraes adotadas. Para tal propsito, necessrio montar um sistema de aquisio de dados automatizado, que permite acompanhar de forma detalhada e precisa o desempenho dos componentes utilizados em um sistema fotovoltaico. A partir de ento, possvel recomendar modificaes que o torne mais eficiente e confivel (SALVIANO, 2001). A energia irradiada do Sol atinge a superfcie da Terra a uma razo de 1000W/m2. Atualmente a eficincia dos mdulos solares comerciais chega aos 14%. Isto quer dizer que um mdulo com rea de clulas equivalente a 1m2 com esta eficincia pode produzir 140Wde potncia eltrica sob a luz do Sol. Diversos fatores podem influenciar na potncia final entregue pelo mdulo; entre eles temperatura, condies climticas, ngulo de eficincia dos raios solares, etc. (CERAGIOLI, 1997). 3. Material e Mtodo A pesquisa foi desenvolvida no Departamento de Engenharia Rural da Faculdade de Cincias Agronmicas da Universidade Estadual Paulista (FCA/UNESP), localizada no municpio de Botucatu, So Paulo, com localizao geogrfica definida pelas coordenadas 22 51' Latitude Sul (S) e 48 26' Longitude Oeste (W) e altitude mdia de 786 metros acima do nvel do mar, com clima subtropical mido e temperatura mdia de 22o C. Para a monitorao dos dados meteorolgicos e eltricos foi necessrio a instalao e montagem de um laboratrio de eficincia energtica em sistemas fotovoltaicos, para atender as condies de campo, composta por equipamentos eletroeletrnicos e de uma central de controle automatizada para medies e registros de parmetros ambientais e eltricos. Foram utilizados 4 mdulos de duas marcas diferentes, ambas de constituio monocristalina, sendo que de um marca foi um tamanho e a outra marca de outro tamanho. As caractersticas dos mdulos instalados esto descritas na Tabela 01 e as caractersticas construtivas esto na Figura 01.

TABELA 01: Caractersticas eltricas dos mdulos fotovoltaicos com radiao solar de 800 e 1.000W/m2.

Dados Tcnicos a 1.000W/m2 Mdulo Potncia Nominal

(Wp)

Tenso Nominal

(V)

Tenso em aberto

(V)

Corrente (A)

Corrente emcurto (A)

Dimenso (C x L x A)

(mm x mm x mm) SP65 65 16,5 21,4 3,95 4,50 1200 x 527 x 56 HM-45D12 45 17,0 21,0 2,64 2,90 1007 x 402 x 45

Mdulo Dados Tcnicos a 800W/m2 SP65 18,5 3,5 1200 x 527 x 56 HM-45D12 - - 20,8 - 2,3 1007 x 402 x 45 Fonte: Catlogos tcnicos dos fabricantes: Siemens e Heliodinmica, respectivamente. SP65 HM-45D12 Figura 01: Caractersticas construtivas dos mdulos fotovoltaicos monocristalinos.

Para se verificar a influncia da radiao solar sobre a energia gerada e na eficincia, os mdulos fotovoltaicos foram colocados faceando para o norte j que estamos no Hemisfrio Sul e variou-se os ngulos de inclinao de 2 mdulos de marcas diferentes que variaram de acordo com a estao do ano e os outros 2 permaneceram fixos. Sendo os mdulos SP65 e HM-45D12 definidos como A e B, respectivamente. Os ngulos e o dia de mudana da inclinao esto dispostos no Tabela 02. TABELA 02: ngulo de inclinao dos mdulos.

Inclinao Inclinao Perodo do Ano Dia de mudana do ngulo 1 23o = a latitude local

38o = Latitude + 15o 13o = Latitude - 10o

Primavera e Outono Inverno Vero

20/09 e 20/03 20/06 20/12

2 33o = Latitude + 10o Todo o ano 3.1 Clculo da Radiao Solar Global Diria Conforme recomendao do Departamento de Recursos Naturais da FCA/UNESP, a radiao solar global no plano inclinado do mdulo (Hcol) deve ser calculada pelas Equaes 01 e 02:

N

HH

med

N

inst1

= (01)

)(1

0

dtHH Instdiat

tcol

=

=

= (02)

Onde: HInst - radiao solar global instantnea medida, em W/m; N - total de segundo do intervalo de medio; Hcol - radiao solar diria incidente no plano do mdulo (mdia diria), em W/m; HInst(dt) - radiao solar instantnea incidente no plano do mdulo em um dado tempo (mdia de 5 minutos), em W/m. 3.2 Determinao da Energia Gerada e da Eficincia do Mdulo Fotovoltaico De acordo com Salviano (2001), a energia solar incidente no plano do mdulo fotovoltaico (Hcol), com uma superfcie de capitao (S), e a energia eltrica gerada (EG), pode-se calcular a Eficincia Energtica de converso do mdulo (EF), atravs da Equao 03 e 04:

dtVIEG CCdiat

t)(

1

0=

=

= (03)

SHEGEFcol

= (04)

0nde: IC e VC so as correntes e as tenses de carga dos mdulos. As cargas foram alimentadas pelos mdulos fotovoltaicos, so lmpadas de corrente CC com potncia de 48 Watts, ligadas diretamente aos terminais dos mdulos fotovoltaicos, em paralelo. Coletaram-se os valores de irradincia, tenso e corrente de carga em cada mdulo e calculou-se a potncia eltrica gerada e os valores calculados convertidos para valores de potncia por unidade de rea e integralizados diariamente. A eficincia dos mdulos foi calculada pela razo entre a irradincia e a potncia por unidade de rea de cada mdulo, com mdias dirias e mensais, utilizando a energia solar incidente no plano do mdulo fotovoltaico (Hcol), com uma superfcie de capitao (S), e com a energia eltrica gerada (EG), pode-se calcular a Eficincia Energtica de converso do mdulo (EF), atravs das Equaes descritas. 4. Resultados Observa-se na Tabela 03, que a variao do ngulo de inclinao dos mdulos age de maneira mais significativa nos valores tanto da energia gerada quanto da eficincia do mdulo B1 em relao ao mdulo B2, pois em todos os meses teve maiores valores o mdulo que variou a inclinao quando comparado ao que permaneceu com inclinao fixa. Entretanto O mesmo no foi constatado para o A1, que variou a inclinao durante o perodo em questo, 8 meses, nos primeiros 4 meses A1 foi superior ao A2 de inclinao fixa, mas este ltimo foi superior nos outros meses e com um diferena bem mais significativa. Com o auxlio da Figura 02, observa-se que no perodo de coleta de dados, os maiores valores da irradincia mdia diria integralizada mensal, ocorreram sobre os mdulos na inclinao varivel (RIV) que compreende os meses de dezembro de 2002 a maro de 2003 e de abril at julho de 2003 as mdias no tiveram diferena significativa. Mesmo assim para o mdulo B2 no houve vantagens em permanecer com a inclinao fixa de 33o (Latitude Local + 10), visto que os maiores valores de eficincia ocorreram no mdulo B1 com ngulo de inclinao variada, indicando, portanto que para o mdulo desta marca, a mudana de inclinao no perodo foi correta, confirmando para este mdulo que h vantagens na mudana de inclinao dependendo da poca do ano, atingindo ganhos significativos em eficincia e na energia gerada. J o mesmo no pode-se afirmar do A1, quanto mudana de ngulo de inclinao, pois o melhores resultados para A2 em relao a A1 ocorreram a partir de maro quando a inclinao do varivel foi para 23 e o fixo de 33 obteve mais ganho em energia e eficincia, ou seja, para o mdulo desta marca, a mudana de inclinao no perodo no apresentou resultado muito significativo, portanto para este mdulo no h vantagens na mudana do ngulo de inclinao.

Tabela 03: Energia Gerada e Eficincia energtica mdia mensal dos mdulos M1 e M2, de DEZ/2002 a NOV/2003.

Inclinao Energia Gerada (Wh/m2) Eficincia (%) Ms/Ano 1 2 A1 B1 A2 B2 A1 B1 A2 B2

Dez/2002 23o 33o 151,69 94,70 119,65 59,32 2,66 1,65 2,38 1,17Jan/2003 13o 33o 127,18 79,50 97,14 48,66 2,44 1,52 2,14 1,07Fev/2003 13o 33o 206,65 130,06 187,52 93,24 3,36 2,12 3,30 1,64Mar/2003 13o 33o 69,09 52,58 72,64 43,33 1,24 0,96 1,36 0,82Abr/2003 23o 33o 177,35 146,33 237,10 112,75 3,02 2,49 3,95 1,88Mai/2003 23o 33o 168,75 143,45 253,70 117,28 2,98 2,54 4,30 1,94Jun/2003 23o 33o 152,49 130,35 215,47 96,52 2,90 2,48 4,00 1,79Jul/2003 38o 33o 165,50 141,51 207,67 91,80 3,03 2,59 3,81 1,68

A Figura 02, mostra os valores de radiao solar mdia mensal diria integralizada nos ngulos de inclinao dos mdulos, durante o perodo do estudo e a energia gerada mdia mensal dos 4 mdulos. A Figura 03 pode-se visualizar que a eficincia do mdulo A seja em que ngulo esteja sempre maior que o mdulo B, observando a Figura 01 pode-se dizer que esse resultado alm de outros fatores deve ser influenciado tambm pela forma de ocupao espacial das clulas no mdulo.

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

dez/02 jan/03 fev/03 mar/03 abr/03 mai/03 jun/03 jul/03

Ms

Rad

ia

o So

lar (

Wh/

m2)

0

50

100

150

200

250

300

Ener

gia

Ger

ada

(Wh/

m2)

RIV RIF EGA1 EGB1 EGA2 EGB2

Figura 02. Media diria da radiao solar integralizada RIV e RIF e energia gerada pelos mdulos no perodo de DEZ/2002 a JUL/2003.

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

3,50

4,00

4,50

5,00

dez/02 jan/03 fev/03 mar/03 abr/03 mai/03 jun/03 jul/03

Ms

Efic

inc

ia (%

)EA1 EB1 EA2 EB2

Figura 03: Eficincia de Converso dos mdulos. Ainda na Figura 03, pode-se verificar a diferena percentual de eficincia nos 4 mdulos, observa-se que at o ms de maro/2003, ambos os mdulos de inclinao varivel apresentam valores superiores aos de inclinao fixa. A partir de abril o mdulo de marca A, na inclinao fixa apresentaram valores superiores e os da marca B permaneceram superiores o que variou a inclinao. Tem a mesma constituio, mas apresentam comportamentos diferentes, a partir de abril/2003. 5. Concluso A variao do ngulo de inclinao do mdulo no influenciou de maneira significativa nos valores da eficincia e da potncia gerada para o mdulo SP65 da Siemens, confirmando que independendo da poca do ano, no h muitas vantagens na mudana de inclinao deste mdulo, j o de inclinao fixa de 33 atingiu ganhos altos em eficincia e energia gerada, indicando assim que se adotem inclinao de 33 (Latitude + 10) durante o ano. Para o mdulo HM45D12 da Heliodinmica, a mudana de inclinao trouxe ganhos positivos durante todo o perodo analisado, tendo um comportamento diferenciado do outro mdulo, pois correspondeu diretamente com a inclinaes utilizadas nesta pesquisa, o que faz-se deduzir que este tipo de mdulo bastante influenciado pela inclinao graduada, portanto sugere-se mant-lo tambm em constante mudana de inclinao, de no mnimo quatro vezes por ano, obedecendo as inclinaes de 23, 13, 23 e 38 nas estaes de primavera, vero, outono e inverno, respectivamente. Os dados obtidos em campo no esto concordando com as informaes tcnicas que apresentam os mdulos monocristalinos, verificando-se ainda para ambos as marcas, baixos valores de energia gerada e de eficincia, em funo de suas potncias, quando comparados com os dados fornecidos pelos fabricantes. 6. Referncias AL-ISMAILY, H.A., PROBERT, D. Photovoltaic electricity prospects in Oman. Applied Energy. ELSEVIER, v. 59, n. 2-3, p. 97-124, 1998. Disponvel em: acesso restrito. Acesso em: 06 set. 2002.

CENTRO DE PESQUISAS DE ENERGIA ELTRICA/CENTRO DE REFERNCIA PARA ENERGIA SOLAR E ELICA SRGIO DE SALVO BRITO (CEPEL/CRESESB). Sistemas fotovoltaicos: manual de engenharia. 1. ed. Rio de Janeiro, RJ, 1995. 238 p. CERAGIOLI, P.C. Manual de energia solar fotovoltaica. So Jos dos Campos: Siemens, RC Com Sistemas Ltda., 1999. COSTA, H.S. A qualidade de energia de sistemas fotovoltaicos domsticos em reas rurais. Energia Rural, So Paulo, v.31, n. 5, p.172-81, set. 2001. FEDRIZZI, Maria Cristina. Catalogao e descrio bibliogrfica: Fornecimento de gua com sistemas de bombeamento fotovoltaicos. So Paulo, SP: EDUSP, 1997. Originalmente apresentada como dissertao de mestrado, Universidade de So Paulo, 1997. SALVIANO, C.J.C. Eletrificao rural a partir da tecnologia fotovoltaica. Eletricidade Modernas, So Paulo, n. 327, p. 184-200, jun 2001. Agradecimentos Ao CNPq pela concesso da bolsa. A FAPESP pelo financiamento do projeto.