Anais do XVI Encontro de Iniciação Científica e
I Encontro de Iniciação em Desenvolvimento Tecnológico e Inovação da PUC-Campinas
27 e 28 de setembro de 2011
ISSN 1982-0178
AVALIAÇÃO DA INFLUÊNCIA DO ÂNGULO DE INCIDÊNCIA SOLAR
NA GERAÇÃO FOTOVOLTAICA
Matheus Gouveia Villas Bôas
Alexandre de Assis Mota
Faculdade de Engenharia Elétrica
CEATEC
[email protected]
Eficiência Energética
CEATEC
[email protected]
Resumo: este Plano de Trabalho de Iniciação Científica, inserido no Grupo de Pesquisa de Eficiência Energética da PUC-Campinas, que consiste
fundamentalmente em avaliar a influência do ângulo de incidência dos raios solares na geração de
eletricidade. Para tal investigação, foi utilizado um
protótipo composto basicamente de um painel solar
apoiado sobre uma base giratória e uma ferramenta
de leitura de tensão elétrica gerada pelo painel para confrontar estes valores com seu respectivo ângulo de inclinação em relação aos raios solares.
Após o desenvolvimento do protótipo e coleta dos
dados de tensão elétrica versus ângulo de incidência solar em diferentes dias e condições climáticas,
chegou-se a uma conclusão sobre a influência do
ângulo de incidência dos raios solares na geração
de eletricidade e discutiu-se a viabilidade financeira
de um protótipo seguidor solar automatizado.
Palavras-chave: energia solar, energia elétrica,
conversão de energia, eficiência energética, fontes
alternativas de energia, energia renovável, painel
solar, célula fotovoltaica, tensão elétrica, ângulo de
incidência, raios solares, arduino.
Área de Conhecimento: Engenharia Elétrica - Instalações Elétricas Prediais e Industriais.
1. INTRODUÇÃO
De acordo com o CRESESB (Centro de Referência
para as Energias Solar e Eólica Sérgio de Salvo
Brito), dá-se o nome de efeito fotovoltaico ao processo de conversão da energia luminosa proveniente da radiação solar em energia elétrica. E o aparelho que realiza este processo é o painel solar fotovoltaico (daí o nome fotovoltaico, composição dos
termos foto, do grego “luz”, e volt, unidade de medida
de tensão elétrica).
Admitindo-se o caráter corpuscular da radiação (teoria da Dualidade Onda-Partícula da luz), temos que
os raios solares são a composição de partículas
infinitesimais de luz denominadas fótons, carregadas
de energia. A energia solar nada mais é do que a
energia luminosa irradiada pelos fótons que, ao entrarem em contato com o material semicondutor das
células do painel, excitam os elétrons deste material
e cria uma diferença de potencial (ddp) nos terminais
do painel, uma grandeza que informa basicamente a
energia associada aos elétrons em cada ponto do
material. Ao ligá-lo a uma carga qualquer, a tensão
elétrica nos terminais do painel (a qual foi aferida
durante as medições) faz com que os elétrons do
semicondutor circulem de um ponto a outro em função da ddp, isto é, surge corrente elétrica nos terminais do painel solar, ou em outras palavras, energia
elétrica. Este trabalho objetiva avaliar a influência do
ângulo de incidência solar na geração fotovoltaica, e
parte da hipótese de que o ângulo de incidência dos
raios solares (θi) na face de um painel fotovoltaico
tem um grau de influência elevado na geração de
energia elétrica, com o pico de geração ocorrendo
quando os raios solares incidem ortogonalmente a
face do painel, isto é, com um ângulo de incidência
de 0°, como ilustra a figura 1.
Figura 1 – Incidência no Painel Solar
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2. DESENVOLVIMENTO
O delineamento de um método para mapear a geração de energia elétrica versus o ângulo de incidência dos raios solares visando otimizar o aproveitamento energético dessa fonte renovável de energia
requer o desenvolvimento de um protótipo robusto
para realizar as medições em campo. O principal
componente do protótipo é um painel solar fotovoltaico da fabricante Microsol, com as seguintes especificações:
• Potência máxima: 5 W
• Tensão de operação: 16,40 V
• Corrente de operação: 0,30 A
• Tensão de circuito aberto: 20 V
• Corrente de curto-circuito: 0,43 A
• Faixa de temperatura de operação: -40 ºC a
85 ºC
• Comprimento: 405 mm
• Largura: 220 mm
• Espessura: 16 mm
• Peso: 0,95Kg
• Nº de células: 36
Como o propósito do trabalho é avaliar a influência
do ângulo de incidência solar na geração de energia
elétrica, seria necessária uma estrutura reclinável
para que a face do painel assumisse diferentes angulações em relação aos raios solares. A solução
encontrada foi acoplar ao painel solar um eixo de
madeira preso a uma tábua, apoiando as extremidades do eixo a dois cavaletes de exatas dimensões,
de forma a poder rotacionar o painel. A cada um dos
cavaletes, foi fixado um par de blocos de madeira
que serviram de limitadores para o movimento de
rotação do painel.
Na lateral do painel foi fixado um iPod touch que serviu de ferramenta aferição do ângulo de inclinação
do painel θs em relação ao solo. O software utilizado
foi o 4x4 Gyro Clinometer para plataforma iOS. A
precisão dos valores de ângulo fornecidos pelo
software é de 1 grau.
Para aquisição dos valores de tensão elétrica do
painel, foi utilizado a plataforma de hardware livre
Arduino, que consiste na placa eletrônica Arduino
Uno SMD Edition dotado de um microcontrolador
ATmega 328 para leitura dos valores, e o software
Arduino alpha versão 0022 para aquisição dos
mesmos, o qual foi instalado em ambiente Windows.
Em função da faixa de operação do hardware Arduino ser restrita a 5 V e o painel sempre exceder esse
valor de tensão nas medições em campo, foi necessário o uso de um circuito divisor de tensão intermediário entre os terminais do painel e a placa controladora, limitando a tensão de entrada nesta a 5 V.
Para o dimensionamento dos resistores do circuito
divisor de tensão, optou-se por resistências superiores a 1 kW pois notou-se superaquecimento para
valores inferiores a este. Os valores dos dois resistores em série calculados foram 1 k e 6,2 k.O Arduino Uno, por sua vez, foi conectado a um notebook
por um cabo USB. Optou-se por esta ferramenta para a aquisição dos dados de tensão elétrica pelo
fato de ser uma plataforma de hardware livre muito
difundida atualmente nos meios acadêmicos e por
apresentar uma linguagem de programação muito
semelhante ao C. A precisão dos valores de tensão
elétrica coletados pelo Arduino foi de 0,01 V. A Figura 2 ilustra o protótipo final para início das medições
em campo
Figura 2 - Protótipo para coleta dos dados
3. RESULTADOS
O local definido para as medições foi o bairro Jardim
das Palmeiras, na cidade de Campinas. Foi adotada
uma estratégia de medições em curtos períodos de
tempo e inclinação do painel de forma manual. Definiu-se que elas ocorreriam em diferentes dias do
mês de julho, em diferentes horários e condições do
tempo (céu totalmente ensolarado, parcialmente nublado e totalmente nublado).
Partindo da hipótese de que o pico de geração de
energia elétrica ocorre quando os raios solares incidem ortogonalmente a face do painel solar fotovoltaico, iniciaram-se as medições posicionando-o na
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exata inclinação em que se verificou o maior valor
de tensão elétrica, sendo este o ângulo de incidência solar de 0°. Recorrendo ao software 4x4 Gyro
Clinometer, resetou-se o ângulo de inclinação e, em
seguida, anotou-se a tensão elétrica em volts correspondente ao ângulo de incidência solar igual a 0°.
Passou-se então a variar a inclinação do painel até
o ângulo de 90° (raios solares paralelos a face do
painel), em incrementos de 5°, e anotando os valores de tensão correspondentes.
O experimento foi repetido nos dias 21 (16h30 e céu
totalmente ensolarado), 22 (09h00, totalmente nublado) e 25 de julho (14h00, parcialmente nublado).
Os resultados estão ilustrados na Tabela 1.
Tabela 1 - Ângulo de incidência solar (θi) versus tensão elétrica (V) gerada no painel solar fotovoltaico
nos dias 21, 22 e 25 de julho de 2011; a coluna % indica o percentual da queda de rendimento do painel
em relação ao pico de geração para cada angulação
θi (°)
V (V)
21/jul
0
20,43
%
22/jul
%
19,00
25/jul
%
20,35
ponto de vista que houve uma variação de 90° na
angulação do painel. A queda mais significante ocorreu durante as medições do dia 25 de julho, quando
o ângulo de incidência solar no painel era variado
entre 25 e 30º, em função da passagem de uma nuvem em frente ao sol neste instante.
3. CONSIDERAÇÕES FINAIS
Analisando-se os resultados, pode-se afirmar que a
metodologia aplicada foi coerente com a proposta do
trabalho, embora não tenha sido possível realizar as
medições em diferentes locais e estações do ano
por falta de tempo. A conclusão que se chega é que
o ângulo de incidência solar tem um baixo grau de
influência na geração fotovoltaica, ainda mais se
levarmos em consideração que, na prática, ângulos
de incidência elevados (superiores a 70°) quase não
acontecem, e se acontecem, apenas por curtos períodos de tempo (nascer e pôr-do-sol). A partir desta
análise, e dos resultados obtidos até o momento,
admite-se que um protótipo seguidor solar automatizado para microgeração solar não é viável financeiramente, pois se avalia que o ganho de tensão elétrica (cerca de 11% a pleno sol e em comparação a
um ângulo de 70º) não é suficiente para alimentar um
motor que fique rotacionando o painel ao longo do
dia.
5
20,41
0,10
18,99
0,05
20,32
0,15
10
20,35
0,39
18,97
0,16
20,28
0,35
15
20,32
0,54
18,91
0,48
20,28
0,35
20
20,28
0,74
18,84
0,85
20,18
0,84
25
20,21
1,09
18,77
1,23
20,14
1,04
30
20,11
1,59
18,67
1,77
18,42
10,48
35
19,96
2,35
18,56
2,37
18,31
11,14
40
19,82
3,08
18,24
4,17
18,10
12,43
45
19,65
3,97
18,08
5,09
18,10
12,43
http://www.aneel.gov.br/aplicacoes/atlas/pdf/03-
50
19,51
4,72
17,93
5,97
18,30
11,20
Energia_Solar(3).pdf.
55
19,30
5,85
17,73
7,16
18,31
11,14
60
19,01
7,47
17,50
8,57
18,03
12,87
65
18,73
9,08
17,26
10,08
17,78
14,45
70
18,27
11,82
17,08
11,24
17,64
15,36
75
17,71
15,36
16,98
11,90
17,50
16,29
80
16,90
20,89
16,70
13,77
17,36
17,22
85
15,81
29,22
16,39
15,92
17,22
18,18
90
15,07
35,57
16,11
17,94
17,04
19,42
A queda na geração fotovoltaica ocorre de forma
gradativa e é relativamente baixa se analisada do
REFERÊNCIAS
[1] ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica
(2007). “Energia Solar”. Capturado em 16-0811:
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oficial.
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http://www.arduino.cc
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Marginalizados da Sociedade”, Tese de
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Curso.
(Graduação
em
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Católica de Campinas. Orientador: Prof. Dr.
Alexandre de Assis Mota.
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Technologies.
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16-08-11:
olar.html
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do Departamento de Engenharia Mecânica da
Universidade Federal de Santa Catarina
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ções”
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Capturado
http://www.conservtech.com/Resource_Center/s
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Engineering
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Thermal Process”
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Mancinelli, E. (2008). “Eliminação de
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de Energia Elétrica utilizando Capacitores
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Convencionais”. Trabalho de