DESEMPENHO DE UM PAINEL FOTOVOLTAICO ACOPLADO A
UM RASTREADOR SOLAR
ALCIONE RODRIGO TESSARO
UNIOESTE – Universidade Estadual do Oeste do Paraná – Aluno especial do
Mestrado de Engenharia Agrícola.
[email protected]
Prof. Dr. SAMUEL N. MELEGARI DE SOUZA
Prof. Dr. REINALDO PRANDINI RICIERI
UNIOESTE – Universidade Estadual do Oeste do Paraná - Prof. do Mestrado de
Engenharia Agrícola.
Prof. YURI FERRUZI
FAG – Faculdade Assis Gurgacz – Prof. do Curso de Eng. de Automação e
Controle
RESUMO
Os painéis fotovoltaicos usados atualmente, ainda possuem uma baixa eficiência, em
torno de 8,84%. Como essa eficiência é característica da placa fotovoltaica, utilizou-se nessa
pesquisa, um sistema diferente dos convencionais. Esse sistema diferenciado nada mais é que um
mecanismo que faz com que o painel fotovoltaico se movimente de forma a manter sempre suas
células fotovoltaicas perpendiculares ao sol. De posse de dois painéis fotovoltaicos
monocristalinos, de mesma marca e modelo, foi possível montar dois sistemas de captação solar.
Um deles, instalado de forma convencional, voltado para o norte geográfico a uma inclinação de
37° em relação ao solo, e o outro painel montado em cima de um mecanismo rastreador, que
tende a manter a célula fotovoltaica perpendicular aos raios solares. As amostras de corrente e
tensão, foram extraídas, nos dois sistemas, convencional e rastreador, em intervalos de tempo de
quarenta minutos, sendo efetuadas no período das oito horas da manhã até as seis horas da
tarde, totalizando 16 amostras. A temperatura ambiente também foi coletada nestes intervalos de
tempo. Os resultados foram mais satisfatórios no sistema rastreador, constatou-se um
aproveitamento energético de 20,74% e uma eficiência de 2,052% a mais que no sistema com o
módulo fotovoltaico montado convencionalmente.
PERFORMANCE OF A PANEL FOTOVOLTAICO CONNECTED TO A SOLAR
DREDGE
ABSTRACT
The used fotovoltaicos panels currently, still possess low an efficiency, around 8,84%. As this
efficiency is characteristic of the fotovoltaica plate, it was used in this research, a different system
of the conventional. This differentiated system nothing more is that a mechanism that makes with
that the fotovoltaico panel if puts into motion of form to always keep its perpendicular fotovoltaicas
cells to the sun. Of ownership of two monocristalinos fotovoltaicos panels, of same mark and
model, it was possible to mount two systems of solar captation. One of them, installed of the form
established in the memorandum of understanding, directed northward geographic to an inclination
of 37° in relation to the ground, and the other panel mounted in top of a tracking mechanism, that
tends to keep the perpendicular fotovoltaica cell to the solar rays. The chain samples and tension,
had been extracted, in the two systems, conventional and dredge, in intervals of time of forty
minutes, being effected in the period of the eight hours of the morning until the six hours of the
afternoon, totalizing 16 samples. The ambient temperature also was collected in these intervals of
time. The results had been more satisfactory in the tracking system, more evidenced an energy
exploitation of 20,74% and an efficiency of 2,052% than in the system with the conventionally
mounted fotovoltaico module.
1. Introdução
A energia solar incidente em nosso planeta, sempre foi alvo de pesquisas, é considerada
uma energia pura e inesgotável, o que fez com que o homem, através de crescentes tecnologias,
pudesse captá-la de alguma forma e armazena-la. Os raios solares não transferem somente o
calor a sistemas térmicos, eles possuem comprimentos de ondas diferenciados, com o qual podese obter a energia elétrica.
O sistema de transformação de energia solar em elétrica, através de placas fotovoltaicas,
é uma forma instantânea de adquirir energia elétrica através do sol. As placas fotovoltaicas se
utilizam da radiação solar como fonte de energia natural, que se tem como a mais limpa e
abundante, transformando-a em energia elétrica.
Atualmente, os elementos fotovoltaicos existentes, têm sua capacidade de transformação
de energia solar em elétrica, bem a baixo do que se espera, isto é fato característico, não existindo
ainda tecnologias que possam melhorar sua capacidade. Com isso, propõe-se adequar de
maneira diferente os elementos de captação solar, de forma que os raios solares incidam
perpendicularmente nas placas, durante o dia todo. Obtendo, com isso, uma constante potência
máxima das células fotovoltaicas. Para que os sistemas de captação de energia solar utilizando
placas fotovoltaicas permaneçam sempre perpendiculares aos raios do sol, é imprescindível o uso
de elementos que controlem automaticamente a sua movimentação, com intuito de rastrear o sol.
A pesquisa tem como objetivo específico analisar o desempenho de um painel fotovoltaico
montado sobre um mecanismo que mova esse painel de forma a mantê-lo perpendicular aos raios
solares. Juntamente com esse painel móvel será adotado um outro painel fotovoltaico, montado
convencionalmente. Dessa maneira têm-se como comparar as potências desses dois sistemas de
captação de energia solar, e compara-las entre si. Ambos os sistemas utilizam-se de placas
fotovoltaicas monocristalinas, de mesma dimensão e especificação. Cada painel fotovoltaico tem
ligado em sua saída uma carga resistiva fixa, já conhecida, sendo toda produção de energia
elétrica do painel dissipada diretamente nessa carga. A pesquisa apontará se existe um maior
desempenho potencial do painel fotovoltaico, com a adoção de um mecanismo rastreador.
2. Revisão Bibliográfica
O material mais empregado na produção de células fotovoltaicas é o silício, acrescido de
pequenas quantidades de outros materiais. O Brasil possui 90% dos recursos mundiais de silício
mineral – material utilizado para fabricação de células fotovoltaicas (ABADE, 1996). As células
fotovoltaicas trabalham segundo o principio de que os fótons incidentes, colidindo com os átomos
de certos materiais, provocam um deslocamento de elétrons, carregados negativamente. Se estes
elétrons podem ser capturados antes de retornarem aos seus orbitais atômicos, podem ser
aproveitados livres como corrente elétrica. As lacunas criadas quando os elétrons se deslocam,
são cargas positivas, e conduzem a corrente elétrica (COMETTA, 1982).
FIGURA 1 - Formação da energia elétrica através de células fotovoltaicas (CEPEL-CRESESB,
2005).
A energia solar está presente em todo o mundo, com diferentes intensidades de radiação em
cada região do planeta. O Brasil tem o privilégio de ser um país de clima tropical, com 92% do
território localizado acima do trópico de Capricórnio, o que caracteriza o país como sendo um país
de grande potencial de energia solar. Toda energia solar é emitida sob a forma de irradiação
luminosa: 41% no espectro visível, 52% no infravermelho e 7% no ultravioleta próximo. A terra
capta um décimo de bilionésimo dessa energia, ou seja, um pouco mais de 15 bilhões de MW. A
parte diretamente utilizável, é a radiação luminosa ao nível do solo, cuja potência varia entre 0 e
1.100 W/m2 de superfície horizontal, conforme a latitude (MARTINS, 1996).
A na casa solar eficiente, localizada no Centro de Pesquisas de Energia Elétrica (CEPEL), na
Ilha do Fundão, Rio de Janeiro, já pesquisa um sistema de rastreamento da irradiação solar. A
estrutura do sistema de rastreamento é puramente mecânico e passivo, que funciona com base no
deslocamento de um gás entre dois braços ocos. O movimento da estrutura é de tal forma que a
incidência do sol é sempre perpendicular ao plano dos painéis fotovoltaicos, situação mais
favorável para o aproveitamento da energia. O aumento de aproveitamento teórico de energia
deste tipo de estrutura é da ordem de 20% se comparada com a montagem fixa de painéis
(CEPEL-CRESESB, 2005).
3. Materiais e Métodos Utilizados
A pesquisa em questão foi realizada na Universidade Estadual do Oeste do Paraná,
Campus de Cascavel/PR, no dia 07 de Agosto de 2005.
Segundo KAWAHARA(2004), a localização exata do Campus de Cascavel é a seguinte:
- Latitude: 24° 59’ – Sul;
- Longitude: 53° 26’ – Oeste;
- Altitude: 682 m.
Os painéis fotovoltaicos utilizados foram painéis fotovoltaicos monocristalinos, de uso
comercial, ambos de mesma fabricação e modelo (marca ARTESA, Modelo AP–7105/A-75),
sendo assim, possuem características iguais. A figura 2 ilustra nitidamente esses painéis e suas
características técnicas.
FIGURA 2 - Painéis fotovoltaicos usados na pesquisa.
FIGURA 3 - Dados fornecidos pelo fabricante (adquiridos do painel fotovoltaico).
DADOS DO PAINEL FOTOVOLTAICO
Modelo AP – 7105/A-75
Potência máxima (Max Power)
75 w
Corrente de curto circuito (Isc)
4,8 A
Tensão de curto circuito (Voc)
21 V
Corrente máxima de pico (Imp)
4,4 A
Tensão máxima de pico (Vmp)
17 V
Tensão máxima do sistema (Max V Syst.)
600 V
2
Especificações: AT 1000w/m 25°C AM 1.5
Fabricado na Espanha
Utilizou-se madeira para a construção de duas pequenas estruturas, as quais serviram de
suporte para os painéis fotovoltaicos. Numa das estruturas buscou-se adotar um sistema
convencional, fixando a placa fotovoltaica de maneira que a mesma não se movesse, tendo
apenas a inclinação (para o norte) indicada para esse tipo de sistema, que foi pré-determinada em
37°, valor médio fornecido para a região de Cascavel, segundo (FFSOLAR, 2004). Já na outra
estrutura, a móvel, ou rastreadora, foi necessário além da inclinação de 37°, fazer com que o
painel fotovoltaico movesse em seu eixo, aproximadamente 120°, visando sempre manter a célula
fotovoltaica perpendicular aos raios solares, desde o nascer do sol até o pôr do mesmo.
FIGURA 4 - Seqüência parcial de movimento do sistema rastreador (do seu inicio ao fim de curso).
Em uma situação normal de uso de sistemas fotovoltaicos, toda a energia elétrica gerada por
painel fotovoltaico é armazenada em bancos de baterias, para um uso posterior dessa
eletricidade. Nesse estudo, a energia elétrica fornecida pelas placas não foi armazenada, essa
energia foi dissipada em uma lâmpada de 24Volts/85Watts, e de resistência fixa.Uma lâmpada
para cada painel fotovoltaico, ligada diretamente a sua respectiva saída.
As medições da temperatura foram feitas usando um termômetro simples, com escalas de
temperatura que vão de –1°C até 110°C. O termômetro foi posicionado de forma a não sofrer
influências temporais indesejáveis, como por exemplo, sol e ventos esporádicos.
O equipamento utilizado para aquisição dos dados (corrente e tensão) foi um multímetro digital
da marca FUKE, o mesmo possui escalas apropriadas para as correntes e tensões especificadas
nos painéis fotovoltaicos. Sendo assim, suficiente para o objetivo desse estudo.
Os painéis fotovoltaicos foram montados em suas estruturas e dispostos em cima de um prédio
de dois andares, onde nenhum obstáculo como árvores ou outras construções, pudesse fazer
sombra sobre esses painéis, com isso o aproveitamento dos raios solares pôde ser percebido nas
primeiras horas do dia.
Segundo FFSOLAR (2004), para uma melhor eficiência, devem-se orientar as placas
fotovoltaicas para o norte. Na pesquisa, essa orientação foi possível com o auxilio de uma
bússola, porém esse instrumento não é confiável para uma orientação geográfica precisa,
fornecendo apenas uma orientação da face norte do continente, com a qual foram posicionados os
painéis fotovoltaicos.
Logo pela manhã, mais exatamente oito horas, os painéis fotovoltaicos já estavam com suas
cargas acopladas em suas respectivas saídas e permitindo assim que fosse possível a aquisição
dos dados. No sistema móvel, a placa fotovoltaica foi colocada em seu curso inicial de movimento
(FIGURA 5), onde o mesmo moveria 5° sobre seu eixo, a cada 40 minutos. Nesses intervalos de
tempo de 40 minutos, uma amostragem de cada sistema, convencional e rastreador, eram feitas.
Os dados amostrados eram os seguintes:
-
Tensão na carga;
Tensão sem a carga, leitura direta na saída do painel fotovoltaico;
Corrente na carga;
Corrente sem a carga, leitura direta na saída do painel fotovoltaico;
FIGURA 5 - Sistema rastreador na posição inicial da primeira coleta de dados do dia.
As amostras foram extraídas dos módulos fotovoltaicos, convencional e rastreador, em um único
dia. No total foram 16 amostragens efetuadas num período de 10 horas.
4. Determinação da Eficiência dos Sistemas Fotovoltaicos
A eficiência de um módulo fotovoltaico é definida pela relação entre a potência gerada pelo
módulo e a irradiação incidente sobre o módulo. Segundo TREBLE (1980), a eficiência do módulo
pode ser obtida pela equação:
(Imp x Vmp)
η=
______________
x 100
(1)
(Ic x A)
Ic
A
Imp
Vmp
= Irradiância solar (W/m2)
= Área útil do módulo (m2)
= Corrente máxima de pico (A)
= Tensão máxima de pico (V)
5. Resultados e Discussões
A potência média medida nos módulos fotovoltaicos fixo (convencional) e móvel (rastreador)
variam conforme a carga (TABELA 1).
TABELA 1 - Potência média calculada a partir das amostras coletadas.
Módulo fotovoltaico convencional
Módulo fotovoltaico rastreador
Com Carga
28,59 W
36,03 W
Sem Carga
54,71 W
70,19 W
Os resultados potenciais obtidos dos dois sistemas fotovoltaicos (fixo e móvel) mostraram um
ligeiro ganho potencial do módulo fotovoltaico móvel em relação ao módulo fixo, no entanto esse
mesmo módulo móvel tem sua curva de potencia instável em todo seu período de exposição solar.
Essa instabilidade se deve ao fato do módulo fotovoltaico ser movimentado manualmente, tendo
seu controle de movimento e rastreamento solar em malha aberta, o que significa que o
movimento do módulo era dado de tempo em tempo, sem que houvesse um preciso
posicionamento em relação aos raios solares. Portanto, a cada movimento aplicado a esse módulo
obteve-se um diferente posicionamento em relação ao sol, de forma que os raios solares não se
mantiveram perfeitamente perpendiculares ao painel, como proposto, fazendo com que a
luminosidade sofresse pequenos desvios e não fosse exatamente igual em todos os instantes de
amostragem. Pois segundo (CEPEL-CRESESB, 2005), a corrente gerada nos módulos aumenta
linearmente com o aumento da Intensidade luminosa. Logo a corrente variando, altera a potência,
o que explica essa não estabilidade potencial no sistema com módulo fotovoltaico móvel. (ver
figura 6 e 7).
FIGURA 6 - Sistemas fotovoltaicos com carga resistiva.
A diferença potencial pode ser observada em ambas as figuras, na figura 6 percebeu-se uma
maior estabilidade da potência devido ao painel estar dissipando toda sua energia na carga.
FIGURA 7 - Sistemas fotovoltaicos sem carga resistiva.
A diferença de potência média medida na carga entre o sistema fixo e o móvel foi de 7,45 W.
Essa potência é relativa a 10 horas de exposição solar dos módulos fotovoltaicos. As potencias de
pico amostradas na pesquisas são as seguintes: no módulo usando o rastreamento obteve-se
uma potência de pico de 41,11 W, isso com o módulo ligado a carga. Com o módulo em posição
fixa, ou convencional, obteve-se uma potência de pico de 40,15 W, o mesmo também ligado à
carga.
Segundo GNOATTO (2003), os painéis fotovoltaicos não sofrem grandes variações de seu
rendimento durante o ano, tendo como média anual 8,84% de eficiência.
A irradiação solar incidente nas placas fotovoltaicas não foram coletadas na pesquisa, por esse
motivo adotou-se um valor hipotético para o cálculo do rendimento desses módulos fotovoltaicos.
Esse valor hipotético tem base na irradiação solar média existente na região, considerando a
estação do ano (inverno).
Segundo (GRIGOLETO, 2001), o potencial médio solar na região de Cascavel, onde ocorreu à
pesquisa, no período de inverno é de 570,83 W/m2. Com esse valor de irradiação solar foi possível
um cálculo de rendimento hipotético dos módulos fotovoltaicos. Os valores de potencial de pico
exigidos para o cálculo do rendimento foram alterados por valores de potência média dos módulos
fotovoltaicos pesquisados. Pois com os valores médios de potência adotados para o cálculo, ao
invés dos valores de pico, é possível chegar a um resultado que expressa a diferença de
rendimento dos dois módulos fotovoltaicos, o convencional e o rastreador (móvel). A tabela 2
mostra os resultados hipotéticos de eficiência obtidos através da equação (1).
TABELA 2 - Rendimento hipotético das placas fotovoltaicas.
Rendimento hipotético
Módulo móvel (rastreador)
Módulo fixo (convencional)
9,93 %
7,87 %
Como as placas fotovoltaicas utilizadas na pesquisa são de mesma marca e modelo, tem-se
então que suas eficiências são as mesmas. Sendo assim, a diferença de eficiência encontrada, se
deve ao fato de que o módulo rastreador levou o sistema a uma eficiência hipotética de 2,06%
maior que no módulo disposto convencionalmente. Melhorando a eficiência do sistema de
captação solar e não a eficiência da placa fotovoltaica. A figura 8 expressa com clareza a
diferença de rendimento hipotético entre os dois modos de captação solar usados na pesquisa.
FIGURA 8 - Rendimento hipotético dos diferentes sistemas estudados.
Por serem hipotéticos os valores de radiação usados no cálculo do rendimento, esses não
tiveram influência direta sobre os valores de potência amostrados nos módulos fotovoltaicos da
pesquisa. Por outro lado sabe-se que a hipótese de radiação adotada se fez presente nos dois
módulos fotovoltaicos, móvel e fixo, sendo assim, a diferença percentual entre o rendimento dos
dois módulos, pode ser considerada. Constatou-se então, um indicativo de um maior rendimento
quanto ao uso de um sistema rastreador solar em painéis fotovoltaicos, sendo questionável
apenas a sua potência, que também se mostrou maior no módulo móvel, mas que pode ter seus
valores alterados em virtude da claridade do céu e temperaturas elevadas e outras intervenções.
6. Conclusão
A referente pesquisa e seus valores encontrados demonstram que a aplicação de um
mecanismo que faça um painel fotovoltaico rastrear o sol tem maior eficiência que num sistema
onde o painel fotovoltaico é disposto de forma convencional. Essa maior eficiência tem sua
comprovação com os seguintes valores:
•
7,45 W que correspondem à diferença média de potência existente entre os dois
sistemas adotados;
• O sistema rastreador teve uma maior eficiência hipotética, em torno de 2,052%;
• O sistema que se utilizou do rastreamento solar, demonstrou através da energia
elétrica dissipada na carga, um ganho de 20,74% a mais que no sistema
convencional.
Esses dados denotam a existência de um melhor desempenho real com o uso de um
mecanismo que leva o painel fotovoltaico a rastrear o sol, o que indica a busca pela otimização de
sistemas dessa natureza.
Palavras-chave: Energia solar, painel fotovoltaico e rastreamento solar.
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