introduÇÃo a energia solar fotovoltaica e o … · sistemas fotovoltaicos - conceitos energia...

Semana da Engenharia – IEP - Curitiba - Dezembro / 2014

Prof. Jair Urbanetz Junior, Dr. Eng.

INTRODUÇÃO A ENERGIA SOLAR

FOTOVOLTAICA E O SFVCR DO

ESCRITÓRIO VERDE DA UTFPR

Curitiba – Dezembro /2014

Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR

Instituto de Engenharia do Paraná - IEP


• Solar:

Energias Renováveis


• 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



SISTEMAS

FOTOVOLTAICOS

GERAR ENERGIA ELÉTRICA

DIRETAMENTE A PARTIR DA

ENERGIA DO SOL

Sistemas Fotovoltaicos - Conceitos

Energia Solar

Sistemas Fotovoltaicos

Duas Configurações Básicas:

=> Sistemas Isolados=> Sistemas Conectados à Rede



Sistemas Fotovoltaicos - Conceitos


SISTEMAS

FOTOVOLTAICOS

ISOLADOS

ATENDIMENTO DE LOCAIS SEM

ACESSO À REDE ELÉTRICA(OU APLICAÇÕES ESPECIAIS)

A ENERGIA GERADA É

ARMAZENADA

Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede

Elétrica

Geração Descentralizadade Energia Elétrica(ou Planta Centralizada)

A energia gerada é injetada na rede


• 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” (GAM0)

GAM0 = 1.366 W/m2

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

1.2 - Radiação solar direta, difusa, global e devido ao Albedo


RADIAÇÃO SOLAR

INSTANTÂNEA INTEGRADA(Potência/m2) (Energia/m2)

Irradiância (W/m2) Irradiação (Wh/m2)

• Irradiância e Irradiação Medição - Unidades

Piranômetro

Medição de irradiância

Sensor de silício

Unidades usuais

IrradiânciaW/m2

kW/m2

IrradiaçãoWh/m2.diakWh/m2.dia

kWh/m2.ano

1.3 - Conceitos de irradiância e irradiação - Medição - Unidades


• Irradiância (W/m2) - Escritório Verde - UTFPR


0

200

400

600

800

1000

1200

Irradiância ao longo do dia (W/m2)

Dia Ensolarado (13/07/2012) Dia Chuvoso (07/07/2012)

0

200

400

600

800

1000

1200

Irradiância ao longo do dia (W/m2)

Dia Ensolarado (24/12/2012) Dia Chuvoso (14/12/2012)


• Irradiação (Wh/m2) - Escritório Verde - UTFPR


0,0

1000,0

2000,0

3000,0

4000,0

5000,0

6000,0

7000,0

8000,0

9000,0

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

Novembro/2012

0,0

1000,0

2000,0

3000,0

4000,0

5000,0

6000,0

7000,0

8000,0

9000,0

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

Julho/2012


• Irradiação (Wh/m2) - Escritório Verde - UTFPR


3054,40

4393,054557,23

4288,124586,19

5315,31

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

Irradiação média obtida pelo piranômetro (Wh/m2.dia)

0,0

1000,0

2000,0

3000,0

4000,0

5000,0

6000,0

7000,0

8000,0

9000,0

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

Dezembro/2012


• Potencial Solar Brasileiro Atlas Brasileiro de Energia Solar

- Mapas de irradiação global horizontal e inclinada (latitude)

- Mapas sazonais e anuais

- Banco de dados

Modelo BRASIL-SR

1.4 - Banco de dados de irradiação solar - Projeto SWERA


• Atlas Brasileiro deEnergia Solar

Mapa de Irradiação

Global horizontal

Média anual

kWh/m2.dia

1.5 – Atlas Brasileiro de Energia Solar


• Atlas Brasileiro deEnergia Solar

Mapa de Irradiação

(no Plano Inclinado)

(Inclinação igual à latitude local)

Média anual

kWh/m2.dia



Estado do Paraná

1.6 – Potencial Fotovoltaico do Estado do Paraná



Fonte: TIEPOLO, URBANETZ, CANCIGLIERI, VIANA, PEREIRA. V CBENS - 2014



PARANÁ x ALEMANHA;

ITÁLIA e ESPANHA

Fonte: TIEPOLO, URBANETZ,

CANCIGLIERI, VIANA, PEREIRA.

V CBENS - 2014


• 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 modularo sistema pode ser ampliado

conforme a necessidade, podeser desmontado e montado emoutra localidade.

2 - Fundamentos da Tecnologia Fotovoltaica

http://newtech.aurum3.com


• Efeito Fotovoltaico

• Conversão direta da energia da luz (espectro visível) em energia

elétrica.

• Célula fotovoltaica elemento que realiza a conversão

Célula fotovoltaica de silício

• A tecnologia solar fotovoltaica é diferente da tecnologia solar térmica,

que utiliza o calor (radiação infravermelha) para aquecimento.

CB-SOLAR / PUC RS Foto: Trajano Viana

2.1 - Efeito fotovoltaico - Princípio de funcionamento da célula FV

Materialtipo P

-Tensãoelétrica

+

Material tipo N


• 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


2.2 - Tecnologias fotovoltaicas - Células e módulos fotovoltaicos


• 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


2.3 - Eficiência de conversão da célula FV e do módulo FV

m2

20

18

16

14

12

10

8

6

4

2

0

7 - 9

8 - 11

11 - 13

14 - 18

16 - 20

Silício policristalino

p-Si

Silício monocristalino

m-Si

Disseleneto de cobre e índio

CIS - CIGS

Telureto de Cádmio

CdTe

Silício amorfo

a-Si

Fonte: SMA

Área necessária para instalar 1kWp


Silício amorfo (a-Si)

Silício cristalinoTelureto de cádmio (CdTe)

Disseleneto de cobre e índio (CIS)

Comprimento de onda (nm)

Inte

ns

idad

e r

ela

tiva

• 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.

2.4 - Resposta espectral dos diferentes tipos de células FV


• 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)

ISC aumenta ligeiramente


sobre a tensão (β)

VOC diminui acentuadamente


sobre a potência (γ)

A potência máxima diminui, pois o

efeito da temperatura sobre VOC é

maior do que sobre ISC.

2.5 - Efeitos da temperatura – Coeficientes de temperatura

Exemplo para:

c-Si: γ = -0,45 %/ºC

a-Si: γ = -0,13 %/ºC


• 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 – Classificação dos Sistemas FV


• Diagrama pictográfico de um SFVI

3.1 – Componentes dos Sistemas FV Isolados


Componentes

• Painel fotovoltaico Módulos fotovoltaicos

• Inversor

InversorCC => CA

Módulos Fotovoltaicos

REDEMedidor

(kWh)

CARGAS CA

Medidor

Opcional

(kWh)

4 – Sistemas FV Conectados à Rede Elétrica


• 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.

4.1 – Características dos Sistemas FV Conectados à Rede


• 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

4.2 – Componentes dos Sistemas FV Conectados à Rede Elétrica

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.

Fonte: GARCETE, 2013

Ex: Tarifa residencial no Paraná (julho/2014)

• Sem impostos: R$ 0,32637 / kWh;

• Com impostos: R$ 0,49078 / kWh


Capacidade mundial instalada de SFCR:

4.3 – Capacidade Instalada de Sistemas FV Conectados à Rede Elétrica


• Capacidade instalada no Brasil de SFVCR

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

≈ 3,14 MWp

(até jan / 2013)

Atualmente > 14 MWp (Fonte: ANEEL, 2014)



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)



2,1 kWp, UTFPR, Escritório Verde, Curitiba – PR (2011)

( Fases da montagem )



≈ 7 MWh (em 35 meses de operação)

Geração anual ≈ 2,4 MWh/ano

Média mensal ≈ 200 kWh


Geração

(kWh/mês)


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 (%).



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



Irradiação diária média no plano horizontal

(estação A807 do INMET)



IRRADIAÇÃO SOBRE O PAINEL FV



YIELD(PRODUTIVIDADE)

Produtividade anual ≈ 1.127 kWh/kWp



PERFORMANCE

RATIO(TAXA DE DESEMPENHO)

Taxa de Desempenho anual ≈ 70%



FATOR DE

CAPACIDADE

Fator de Capacidade anual ≈ 13%



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).



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%)



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


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.

6 – Desafios a serem vencidos no estado do Paraná


Prof. Jair Urbanetz Junior, Dr. Eng.

[email protected]

OBRIGADO PELA ATENÇÃO !!!

Curitiba – Dezembro / 2014

introduÇÃo a energia solar fotovoltaica e o … · sistemas fotovoltaicos - conceitos energia...

Documents