EFICIÊNCIA DA CONVERSÃO DE RADIAÇÃO SOLAR EM ENERGIA ELÉTRICA POR
MÓDULO FOTOVOLTAICO¹.
CARLIANE DINIZ E SILVA2 & ODIVALDO JOSÉ SERAPHIM3
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.
[email protected]
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. 20, n.2, 2005, p-1-13
1
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
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Energ. Agric., Botucatu, vol. 20, n.2, 2005, p.1-13
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 0 e 10 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 (2001), 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 30%. 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, 2003).
Atualmente, o silício policristalino conta com aproximadamente 50% 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 10%, 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. 20, n.2, 2005, p-1-13
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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 22oC.
A monitoração dos dados meteorológicos e elétricos do módulo foi realizado no Laboratório de
Energização Rural, utilizando-se de uma torre meteorológica de 10 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 800 e 1.000W.m-2.
Dados Técnicos a 1.000W.m-2
Potência
Tensão
Tensão em Corrente
Corrente
Dimensão
Módulo
Nominal
Nominal
aberto
(A)
em curto
(C x L x A)
(Wp)
(V)
(V)
(A)
(mm x mm x mm)
01
45
15,0
19,2
3,00
3,10
573 x 652 x 54
-2
Dados Técnicos a 800W.m
01
19,0
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
outono
23o = ± a latitude local
01
inverno
38o = Latitude local + 15o
Verão
13o = Latitude local - 10o
Dia de Mudança do Ângulo de Inclinação
20/03
20/06
20/12
O programa computacional utilizado para monitoramento e coleta seletiva dos dados foi o
m
V
PC208W 3.3, da empresa Campbell, e o coletor de dados CR23X, onde foram medidos e calculados os
dados instantâneos a cada 10 segundos, das grandezas meteorológicas e elétricas:
4
Energ. Agric., Botucatu, vol. 20, n.2, 2005, p.1-13
Temperatura do ambiente - TA, em (oC), 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 (oC), Corrente de
carga - IC , em (Âmpere), Tensão de carga - VC , em (Volt), Energia gerada nos módulos - EG, em
(Wh.m2), 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 IC. Esta potência foi comparada com os valores fornecidos pelo fabricante.
Sobre a carga (L) foi medida a tensão de carga (VC), lida pelo coletor de dados através de um
divisor de tensão de relação 1:10, a corrente elétrica de carga (IC) medida através de um resistor shunt (RS)
de relação 30A/150mV (FC = 0,2) 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 01 e 02.
m
V
shunt
IC
ICC
shunt
mV
m
V
IC
(+)
(-)
mV
MÓDULO
(+)
(-)
shunt
MÓDULO
(+)
(-)
IC
MÓDULO
L
VC
VCO
Figura 1. Esquema de medição das correntes de carga (IC) e curto-circuito (ICC) e das tensões de carga
(VC) e de circuito aberto (VCO).
Energ. Agric., Botucatu, vol. 20, n.2, 2005, p-1-13
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Silva & Seraphim
- Eficiência da conversão de radiação solar... -
IC= mV x FC
[A]
P = VC x IC
(01)
[W]
(02)
Onde:
IC: corrente de carga, em Amper;
mV: tensão do resistor shunt, em mV;
FC: fator de correção = 0,2;
VC: 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 (Hcol) foi calculada pelas Equações 03 e
04:
N
H inst =
H col =
Σ H med
(03)
1
N
t =1dia
∫
H Inst (dt )
(04)
t =0
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 (2001), com a energia solar incidente no plano do módulo fotovoltaico
(Hcol), 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 05 e 06:
6
Energ. Agric., Botucatu, vol. 20, n.2, 2005, p.1-13
t =1dia
EG = ∫ ( I C × VC )dt
(05)
EG
H col × S
(06)
t =0
EF =
Onde:
EG = energia gerada, em Wh;
EF = eficiência do módulo, em %.
Energ. Agric., Botucatu, vol. 20, n.2, 2005, p-1-13
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Silva & Seraphim
- Eficiência da conversão de radiação solar... -
3 RESULTADOS E DISCUSSÃO
O mês de janeiro teve um alto índice pluviométrico, dificultando a análise. Entretanto nos dias
de céu limpo como no dia 08, 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 6,0 %. Neste
período, a inclinação do módulo foi de 13o, que corresponde à latitude menos 10o, potencializado para o
verão.
Quando comparado com o mês de abril, Figuras 4 e 5, no qual o módulo está com inclinação de
o
23 , 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
38o , latitude mais 15o, 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. 20, n.2, 2005, p.1-13
Tabela 3. Dados médios diários da Radiação Solar Integralizada, Energia Gerada e Eficiência de
Conversão em Janeiro, Abril e Julho de 2003, incidentes no módulo.
Radiação Solar Integralizada
Dia
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
Média
Energia Gerada nos Módulo
-2
Janeiro
6,07
5,37
4,34
3,14
1,75
5,71
7,74
7,72
7,21
5,77
6,61
3,18
1,34
4,36
5,40
4,91
5,78
4,79
6,01
5,15
3,83
2,97
1,90
3,31
1,37
2,39
1,77
2,14
3,76
3,38
4,42
4,31
(kWh.m )
Abril
6,52
6,88
6,80
0,73
3,47
1,99
4,84
6,80
5,37
2,12
3,65
7,21
7,34
6,82
4,73
5,66
6,58
5,30
3,43
2,02
2,70
6,36
6,52
6,47
6,31
6,26
6,28
6,00
5,99
5,69
5,23
6,52
Eficiência de Conversão no
-2
Julho
5,99
5,79
6,06
5,90
5,81
5,34
2,55
5,73
5,72
0,50
3,87
6,14
4,33
5,12
5,89
5,87
5,41
5,66
6,12
6,23
6,20
5,78
6,10
5,07
3,43
3,58
3,68
5,78
4,67
5,01
5,70
5,13
Energ. Agric., Botucatu, vol. 20, n.2, 2005, p-1-13
Janeiro
377,01
242,66
157,07
91,68
19,21
286,64
456,05
462,07
432,13
341,83
333,13
76,03
5,37
98,55
260,72
255,63
304,95
262,40
338,74
251,14
224,33
1,76
2,45
71,18
2,02
18,63
16,92
31,85
116,62
88,70
133,50
185,84
(Wh.m )
Abril
389,58
437,98
416,30
0,87
128,19
25,07
254,58
444,14
223,07
22,83
139,73
463,36
449,21
409,80
213,35
331,13
401,41
287,98
147,70
19,37
72,35
371,17
382,29
376,35
354,84
360,50
356,09
344,39
323,27
289,51
281,21
Julho
337,23
313,06
332,81
319,13
305,08
276,61
72,72
305,02
297,91
0,50
169,95
340,07
179,14
272,04
341,37
341,58
341,58
324,32
370,08
387,72
375,97
317,03
370,92
16,92
117,79
99,62
120,57
341,77
225,28
268,64
283,28
263,41
Janeiro
6,22
4,52
3,62
2,92
1,09
5,02
5,89
5,98
5,99
5,92
5,04
2,39
0,40
2,26
4,82
5,21
5,28
5,48
5,63
4,87
5,86
0,06
0,13
2,15
0,15
0,78
0,96
1,49
3,10
2,62
3,02
3,51
Módulo (%)
Abril
5,98
6,37
6,12
0,12
3,69
1,26
5,26
6,53
4,15
1,08
3,83
6,43
6,12
6,01
4,51
5,85
6,10
5,44
4,30
0,96
2,68
5,83
5,86
5,81
5,62
5,75
5,67
5,74
5,39
5,09
4,79
Julho
5,63
5,41
5,49
5,41
5,25
5,18
2,86
5,32
5,21
0,10
4,40
5,54
4,14
5,31
5,80
5,82
6,32
5,73
6,05
6,22
6,07
5,48
6,08
0,33
3,43
2,79
3,27
5,91
4,83
5,36
4,97
4,83
9
Silva & Seraphim
- Eficiência da conversão de radiação solar... -
Figura 2. Energia diária gerada, com radiação solar (RIV) de JAN/2003.
Radiação
Solar
(Wh/m2)
Radiação
Solar
(Wh/m2)
9000
9000
RIV
RIV
500
10
KC45
KC45
450
9
8000
8000
7000
400
8
350
7000
6000
7
300
6000
5000
6
250
5000
4000
5
200
4000
3000
4
150
3000
2000
3
100
2000
1000
2
50
1000
0
0
Energia
Gerada
Eficiência
(%) (Wh/m2)
10000
10000
01
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
Dia
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
0
Dia
Figura 3. Eficiência diária de conversão, com radiação solar (RIV) de JAN/2003.
10
Energ. Agric., Botucatu, vol. 20, n.2, 2005, p.1-13
10000
600
RIV
KC45
9000
Radiação Solar (Wh/m2)
7000
400
6000
5000
300
4000
200
3000
2000
Energia Gerada (Wh/m2)
500
8000
100
1000
0
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
Dia
Figura 4. Energia diária gerada pelo, com radiação solar (RIV) de ABR/2003.
10000
10
KC45
9000
9
8000
8
7000
7
6000
6
5000
5
4000
4
3000
3
2000
2
1000
1
0
Eficiência (%)
Radiação Solar (Wh/m2)
RIV
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
Dia
Figura 5. Eficiência diária de conversão, com radiação solar (RIV) de ABR/2003.
Energ. Agric., Botucatu, vol. 20, n.2, 2005, p-1-13
11
Silva & Seraphim
- Eficiência da conversão de radiação solar... -
10000
500
KC45
9000
450
8000
400
7000
350
6000
300
5000
250
4000
200
3000
150
2000
100
1000
50
0
Energia Gerada (Wh/m2)
Radiação Solar (Wh/m2)
RIV
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
Dia
Figura 6. Energia diária gerada, com radiação solar (RIV) de JUL/2003.
10000
10
KC45
9000
9
8000
8
7000
7
6000
6
5000
5
4000
4
3000
3
2000
2
1000
1
0
Eficiência (%)
Radiação Solar (Wh/m2)
RIV
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
Dia
Figura 7. Eficiência diária de conversão, com radiação solar (RIV) de JUL/2003.
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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
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- Eficiência da conversão de radiação solar... -
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