UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ
CENTRO DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
JOSÉ ITANOR DO COUTO ROCHA FILHO
POTENCIAL PARA USO DE SEGUIMENTO SOLAR EM SISTEMAS
FOTOVOLTAICOS: ESTUDO DE CASO PARA FORTALEZA/CE
FORTALEZA
2013
JOSÉ ITANOR DO COUTO ROCHA FILHO
POTENCIAL PARA USO DE SEGUIMENTO SOLAR EM SISTEMAS
FOTOVOLTAICOS: ESTUDO DE CASO PARA FORTALEZA/CE
Monografia apresentada ao Curso de
Graduação em Engenharia Elétrica da
Universidade Federal do Ceará como parte dos
requisitos para obtenção do grau de Graduado
em Engenharia Elétrica.
Orientador: Prof. Dr. Paulo Cesar Marques de
Carvalho
FORTALEZA
2013
Dados Internacionais de Catalogação na Publicação
Universidade Federal do Ceará
Biblioteca de Ciências e Tecnologia
R573p
Rocha Filho, José Itanor do Couto.
Potencial para uso de seguimento solar em sistemas fotovoltaicos: estudo de caso para
Fortaleza/Ce / José Itanor do Couto Rocha Filho. – 2013.
69 f. : il. color., enc. ; 30 cm.
Monografia(graduação) – Universidade Federal do Ceará, Centro de Tecnologia,
Departamento de Engenharia Elétrica, Graduação em Engenharia Elétrica, Fortaleza, 2013.
Orientação: Prof. Dr. Paulo Cesar Marques de Carvalho.
1. Energia solar. 2. Sistemas de energia fotovoltaica. I. Título.
CDD 621.3
A Deus.
Aos meus pais, Itanor e Rogéria.
AGRADECIMENTOS
Em primeiro lugar a Deus, que sempre me ajudou nos momentos mais difíceis e
jamais me abandonou.
À minha família, pelo apoio e compreensão em vários momentos.
Ao meu orientador, o professor Paulo Cesar Marques de Carvalho, pelo apoio no
desenvolvimento deste trabalho, fornecendo sugestões, transmitindo ensinamentos e tirando
dúvidas.
À professora Danielle Alves Barbosa, pela disponibilidade, pelas dúvidas tiradas e
pela valiosa colaboração neste trabalho.
Aos professores do Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Federal
do Ceará, que transmitiram valiosos conhecimentos e experiências ao longo do curso.
Aos meus amigos, pelo incentivo fornecido em todos os momentos.
A todos que participaram deste trabalho, diretamente ou indiretamente.
“Mais vale as lágrimas de um derrotado, do
que a vergonha de nunca ter lutado.”
(Desconhecido)
“O único lugar aonde o sucesso vem antes do
trabalho é no dicionário.” (Albert Einstein)
RESUMO
Visando o desenvolvimento sustentável e preservacionista, existe hoje uma
utilização cada vez maior das fontes de energia renováveis, como a energia solar. Com isso,
se torna cada vez mais importante o desenvolvimento de tecnologias que realizem a
otimização da geração de eletricidade através destas fontes. Entre essas tecnologias estão os
seguidores solares, que fazem com que sejam alcançados ganhos consideráveis na produção
de eletricidade com relativa simplicidade. Um seguidor solar tem como função realizar o
posicionamento da superfície de captação solar de modo que os raios solares incidam sempre
de forma perpendicular na superfície, à medida que o Sol se movimenta ao longo do dia e ao
longo do ano, fazendo com que seja aumentada a energia solar captada. Neste trabalho se
realiza primeiramente um estudo de diferentes aspectos relacionados ao uso de seguimento
solar, como características da radiação solar, movimentos do Sol, cálculos da posição solar e
tipos de seguidores existentes. Também é feita uma revisão bibliográfica de trabalhos,
envolvendo seguimento solar, realizados por pesquisadores ao redor do mundo. Por fim, a
partir de uma série de equações, se faz uma estimativa de quanto seria o ganho, na energia
solar captada, proporcionado pelo uso de seguimento solar azimutal, que consiste no ajuste da
posição da superfície de captação ao longo do dia, para a localidade de Fortaleza/CE. Os
ganhos obtidos para o período de 1 (um) ano foram significativos, sendo igual a 7,4 % em
média anual, e podendo chegar a 11,3 % em média mensal. Esses resultados teóricos
mostram, assim, o potencial de Fortaleza para o uso de seguimento solar.
Palavras-chave: Seguimento solar. Energia solar. Sistemas fotovoltaicos.
ABSTRACT
Aiming at sustainable and preservationist development, exists today an increasing
use of renewable energy sources, such as solar. That is why it becomes increasingly important
to develop technologies that perform optimization of electricity generation through these
sources. Among these technologies are the solar trackers, which make that considerable gains
are achieved in the production of electricity with relative simplicity. A solar tracker has the
function to perform the positioning of a solar capture surface so that the Sun's rays focus
always perpendicular to the surface, as the Sun moves throughout the day and throughout the
year, making an increase in the solar energy captured. In this work is done primarily a study
of various aspects related to the use of solar tracking, such as characteristics of solar radiation,
movements of the Sun, calculations of solar position and types of existing trackers. After, is
also made a literature review of studies involving solar tracking, conducted by researchers
around the world. Finally, from a series of equations, is made an estimate of how much would
be gained, on the solar energy captured, provided by the use of solar azimuth tracking, which
consists in adjusting the position of the pickup surface throughout the day, to the location of
Fortaleza/CE . The gains for the period of 1 (one) year were significant, being equal to 7,4%
on annual average, and may reach 11,3% in monthly average. These theoretical results thus
demonstrate the potential for use of solar tracking in Fortaleza.
Keywords: Solar tracking. Solar energy. Photovoltaic systems.
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 – Ilustração das componentes da radiação solar ao nível do solo ............................. 6
Figura 2.2 – Representação das estações do ano e movimento da Terra em torno do Sol ......... 7
Figura 2.3 – Inclinação do eixo polar em relação ao plano de órbita da Terra .......................... 8
Figura 2.4 – Altura do Sol nos hemisférios em diferentes períodos do ano ............................... 9
Figura 2.5 – Representação de ângulos formados entre um painel fotovoltaico, os eixos
cardeais e o raio incidente do Sol ............................................................................................. 10
Figura 2.6 – Fluxo de elétrons na célula fotovoltaica............................................................... 14
Figura 2.7 – Ilustração de um sistema de geração fotovoltaica no modo autônomo ................ 17
Figura 2.8 – Gráfico das características de corrente versus tensão e potência versus tensão de
um módulo fotovoltaico ........................................................................................................... 18
Figura 2.9 – Efeito causado pela variação da intensidade luminosa nas células ...................... 19
Figura 2.10 – Efeito causado pela variação da temperatura nas células................................... 19
Figura 2.11 – Módulo fotovoltaico sofrendo sombreamento ................................................... 20
Figura 2.12 – Módulo fotovoltaico com diodos by-pass sofrendo sombreamento .................. 20
Figura 2.13 – Sistema com seguimento passivo ....................................................................... 21
Figura 2.14 – Estimativa da energia produzida por um sistema de 1 kWp usando variados
tipos de seguidores em diferentes cidades ................................................................................ 22
Figura 2.15 – Sistema com seguidor de eixo horizontal........................................................... 23
Figura 2.16 – Sistema com seguidor de eixo polar................................................................... 24
Figura 2.17 – Sistema com seguimento de eixo vertical .......................................................... 25
Figura 2.18 – Sistema com seguimento de dois eixos .............................................................. 26
Figura 2.19 – Diagrama funcional de um sistema de seguimento solar ................................... 27
Figura 2.20 – a) Sensor com placa de sombreamento; b) Sensor com base inclinada; c) Sensor
com o uso de colimador ............................................................................................................ 27
Figura 3.1 – Potência de saída do módulo com e sem seguimento .......................................... 30
Figura 3.2 – Radiação solar total em MJ/m2 em função do tempo ........................................... 32
Figura 3.3 – Resultados experimentais usando sensores e software computacional ................ 33
Figura 3.4 – Resultados experimentais usando somente sensores............................................ 33
Figura 3.5 – Visão frontal do arranjo fotovoltaico com seguimento solar de uso terrestre ...... 34
Figura 3.6 – Arranjo fotovoltaico com seguimento solar de uso terrestre visto de cima ......... 35
Figura 3.7 – Esquemático do arranjo fotovoltaico com seguidor de eixo polar ....................... 36
Figura 3.8 – Posições dos módulos do sistema fotovoltaico de manhã e de tarde ................... 37
Figura 3.9 – Sistema de seguimento desenvolvido................................................................... 38
Figura 3.10 – Irradiâncias medidas em um dia sem nuvens ..................................................... 39
Figura 3.11 – Irradiâncias medidas em um dia com tempo instável ........................................ 40
Figura 3.12 – Disposição dos tubos com LDR’s: a) visão de cima; b) visão frontal ............... 41
Figura 3.13 – Evolução das coordenadas solares ao longo do tempo ...................................... 42
Figura 4.1 – Irradiação média horária ao longo do dia 02/07/2003 ......................................... 49
Figura 4.2 – Representação das irradiações médias diárias de cada mês ................................. 50
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 – Perdas na captação da radiação direta em função do ângulo de incidência em
painéis fotovoltaicos ................................................................................................................. 12
Tabela 4.1 – Coeficientes
em função de ........................................................................... 46
Tabela 4.2 – Ganhos de irradiação obtidos e dados referentes a cada dia escolhido ............... 51
SUMÁRIO
CAPÍTULO 1
INTRODUÇÃO ........................................................................................................................ 1
1.1 Justificativa ......................................................................................................................... 2
1.2 Objetivos .............................................................................................................................. 3
1.3 Estrutura do trabalho ........................................................................................................ 3
CAPÍTULO 2
REFERENCIAL TEÓRICO ................................................................................................... 4
2.1 Energia solar ....................................................................................................................... 4
2.1.1 Radiação Solar .......................................................................................................... 5
2.2 Movimento da Terra .......................................................................................................... 7
2.2.1 Declinação solar ........................................................................................................ 8
2.2.2 Posição do Sol............................................................................................................ 9
2.3 Painéis fotovoltaicos ......................................................................................................... 12
2.3.1 Efeito fotovoltaico.................................................................................................... 14
2.3.2 Células fotovoltaicas................................................................................................ 15
2.3.2.1 Silício monocristalino ........................................................................................ 15
2.3.2.2 Silício policristalino .......................................................................................... 15
2.3.2.3 Células de filmes finos ....................................................................................... 15
2.3.3 Sistemas fotovoltaicos.............................................................................................. 16
2.3.4 Características elétricas dos painéis ....................................................................... 17
2.4 Seguidores solares ............................................................................................................. 20
2.4.1 Seguidores passivos ................................................................................................. 21
2.4.2 Seguidores ativos ..................................................................................................... 22
2.4.2.1 Seguidor de eixo horizontal ............................................................................... 23
2.4.2.2 Seguidor de eixo polar....................................................................................... 24
2.4.2.3 Seguidor de eixo vertical ................................................................................... 24
2.4.2.4 Seguidor polar de dois eixos ............................................................................. 25
2.4.2.5 Sistemas de controle dos seguidores ................................................................. 26
2.5 Conclusões do capítulo ..................................................................................................... 28
CAPÍTULO 3
ESTADO DA ARTE DE SISTEMAS DE SEGUIMENTO SOLAR ................................. 29
CAPÍTULO 4
ANÁLISE DOS GANHOS DE CAPTAÇÃO DE IRRADIAÇÃO SOLAR COM O USO
DE SEGUIMENTO SOLAR ................................................................................................. 44
4.1 Metodologia de cálculo das irradiações estimadas ........................................................ 44
4.2 Aplicação da metodologia e resultados ........................................................................... 48
CAPÍTULO 5
CONCLUSÕES....................................................................................................................... 53
REFERÊNCIAS ..................................................................................................................... 55
1
CAPÍTULO 1
INTRODUÇÃO
Com o crescente aumento da população mundial e, consequentemente, do
consumo de energia elétrica no mundo, cada vez mais se torna importante o uso de fontes de
energias renováveis, pois com o passar do tempo haverá cada vez mais dificuldade em se
obter os recursos necessários para a geração de energia por meio das fontes de energia
convencionais esgotáveis, como, por exemplo, os combustíveis fósseis. Além disso, os
combustíveis fósseis são poluentes e não contribuem para a preservação do meio ambiente, o
que é uma crescente preocupação no mundo de hoje. Com isso, a cada dia se torna mais
importante um maior investimento nas fontes de energia limpas e renováveis, como a solar, a
eólica, a hidráulica e a geotérmica, visando um desenvolvimento sustentável e
preservacionista.
Entre as fontes renováveis, uma das que tem crescido bastante é a energia solar,
em especial a energia solar fotovoltaica. Este tipo de geração de eletricidade é uma das que se
mostra mais sustentável, não realizando emissão de gases de efeito estufa ou de gases ácidos e
não sendo necessária a formação de lagos para reservatórios, sendo o desmatamento somente
realizado em grandes instalações, as quais, geralmente, são construídas em áreas desérticas ou
semiáridas (ALVES, 2008).
A modularidade, baixos custos de manutenção e longa vida útil facilitam muito a
instalação de sistemas de captação da energia do Sol em lugares fora do alcance da rede de
energia elétrica. Por isso, a utilização da energia solar é extremamente relevante em
instalações remotas, como comunidades rurais isoladas, possibilitando vários projetos sociais,
agropastoris, de irrigação e comunicações.
Entretanto, o alto custo e a baixa eficiência de equipamentos utilizados para
conversão da energia solar em elétrica estão como alguns obstáculos para uma maior
utilização da energia solar. Porém, com os avanços que tem se verificado nas tecnologias de
aproveitamento desse tipo de energia e o crescente interesse na sua utilização, cada vez mais
tem sido desenvolvidas tecnologias que aumentem o rendimento na geração de energia
elétrica, fazendo com que se torne uma fonte de energia mais atrativa.
Entre essas tecnologias para se aumentar o rendimento no aproveitamento da
energia solar, estão os seguidores solares. Essa tecnologia consiste em fazer com que a
superfície de captação da energia solar acompanhe o movimento do Sol ao longo do dia, se
2
deslocando de Leste a Oeste no movimento de rotação da Terra, e/ou ao longo do ano, se
deslocando ao longo do eixo Norte-Sul no movimento de translação terrestre. Esse
acompanhamento do Sol faz com que os raios solares incidam mais perpendicularmente na
superfície de captação, o que proporciona que mais energia solar possa ser aproveitada.
A instalação de sistemas de seguimento solar em grandes centrais fotovoltaicas
conectadas à rede vem crescendo, pois esta tecnologia proporciona um aumento significativo
na produção de energia elétrica em relação a um sistema fixo. Também há um aumento na
utilização de seguidores solares em instalações autônomas, pois os custos envolvendo a
eletrônica de controle e mecânica desta tecnologia vem sendo reduzidos devido ao
desenvolvimento de novas tecnologias, que dispensam manutenções caras e altamente
especializadas.
Com os avanços nos estudos na área dos seguidores, pode-se ver que esta
tecnologia pode ser confiável, o que antes, no início dos estudos, era uma preocupação
constante (VÉRAS, 2004). Além disso, se trata de uma tecnologia relativamente simples e
que proporciona aumentos na produção de energia consideráveis em troca de um investimento
relativamente baixo, em comparação com o custo dos painéis fotovoltaicos (CÓRTEZ, 2013).
1.1 Justificativa
Tendo em vista o crescente aumento do consumo de energia elétrica mundial e a
constante preocupação com o meio ambiente, existe hoje uma demanda cada vez maior por
fontes de energia limpas e renováveis, que contribuam para a preservação do meio ambiente,
permitam o desenvolvimento sustentável, e constituam fontes de energias inesgotáveis. Entre
essas fontes renováveis, uma das que apresenta grande potencial de crescimento e constantes
investimentos é a energia solar.
Com isso, resolveu-se realizar o presente trabalho como forma de se analisar uma
solução, o uso de seguimento solar, para se aumentar a eficiência na captação da energia do
Sol em sistemas de aproveitamento desse tipo de energia, o que faz com que esta fonte
energética se torne cada vez mais atrativa.
O interesse nessa tecnologia de seguimento solar se deve ao fato de ser uma
solução que é ainda pouco utilizada no Brasil, e consegue fornecer ganhos significativos na
produção de energia elétrica, em relação a sistemas fixos, com relativa simplicidade e custos
reduzidos.
3
1.2 Objetivos
O presente trabalho tem como objetivos:
a) realizar um estudo de aspectos relacionados à energia solar, como
características da radiação solar, movimento do Sol e cálculo da posição do Sol, assim como
assuntos pertinentes ao uso da energia fotovoltaica e os diferentes tipos de sistemas de
seguimento solar existentes;
b) fazer uma revisão bibliográfica dos diversos sistemas de seguimento solar
desenvolvidos, até o presente momento, por pesquisadores ao redor do mundo;
c) analisar o potencial de utilização de seguimento solar na cidade de
Fortaleza/CE, fazendo uma estimativa de quanto seria o ganho na captação de energia solar
proporcionado pelo uso de seguimento solar em uma superfície de captação nessa cidade ao
longo de 1 (um) ano.
1.3 Estrutura do trabalho
O presente trabalho está estruturado em cinco capítulos, como se segue.
No Capítulo 1 é feita uma introdução ao tema abordado, comentando justificativa,
objetivos e estrutura do trabalho.
O Capítulo 2 apresenta informações relacionadas à radiação solar, posição e
movimento do Sol, além de aspectos importantes da energia fotovoltaica e descrição dos
diferentes tipos de sistemas de seguimento solar existentes.
No capítulo 3 é feita uma revisão bibliográfica de diferentes trabalhos,
envolvendo o uso de seguimento solar, realizados por diversos pesquisadores no mundo.
No capítulo 4 se realiza uma estimativa do ganho na captação de energia solar que
o uso de seguimento solar iria proporcionar em uma superfície de captação na cidade de
Fortaleza/CE.
O capítulo 5 fala das conclusões deste trabalho e sugestões de trabalhos futuros.
4
CAPÍTULO 2
REFERENCIAL TEÓRICO
O presente capítulo tem como intuito fornecer um embasamento teórico para um
melhor entendimento dos demais capítulos deste trabalho. Este capítulo está organizado em
cinco seções distintas.
A primeira seção aborda alguns aspectos gerais da energia solar, como
importância, características e formas de uso, além de comentar sobre a radiação proveniente
do Sol, explicando os tipos de radiação e alguns instrumentos de medição.
A segunda seção comenta sobre a importância de se ter o conhecimento do
movimento do Sol ao longo do dia e durante o ano para um sistema de seguimento solar,
abordando tópicos como a inclinação do eixo da Terra, movimentos de translação e rotação, e
o cálculo de determinados ângulos entre o Sol e o sistema de captação solar.
A terceira seção descreve sobre o aproveitamento elétrico da energia solar com o
uso de painéis fotovoltaicos, comentando vantagens, desvantagens, técnicas de melhoria na
eficiência da conversão da energia solar, e outros tópicos como a forma da conversão da
energia solar em elétrica, tipos de células fotovoltaicas e características elétricas dos painéis.
A quarta seção comenta sobre os sistemas de seguimento solar, abordando
princípios de funcionamento, tipos de seguidores e tipos de sistemas de controle de
seguimento.
A quinta e última seção apresenta as conclusões obtidas com o desenvolvimento
deste capítulo.
2.1 Energia solar
A energia solar pode ser definida como aquela energia proveniente do Sol, seja na
sua forma de calor (energia térmica) ou de luz (energia luminosa). A energia do Sol constitui
a maior fonte de energia presente no nosso planeta, podendo ser considerada inesgotável e
apresentando um grande potencial de utilização em sistemas de captação e conversão em
outra forma de energia, como a energia elétrica através de painéis fotovoltaicos ou a energia
térmica através de coletores planos e concentradores solares.
Quase todas as outras fontes de energia (eólica, biomassa, combustíveis fósseis,
hidráulica e energia dos oceanos) são derivadas direta ou indiretamente da energia do Sol. É a
5
partir da energia do Sol que se dá a evaporação, origem do ciclo das águas, que possibilita o
represamento e a consequente geração de eletricidade por meios hidroelétricos. Petróleo,
carvão e gás natural foram gerados a partir de resíduos de plantas e animais que,
originalmente, obtiveram a energia necessária ao seu desenvolvimento, da radiação solar. A
radiação solar também induz a circulação atmosférica em larga escala, causando os ventos
(CRESESB, 2006).
Anualmente, o Sol fornece cerca de 1,5 x 1018 kWh de energia para a atmosfera
terrestre, o que corresponde a algo em torno de 10.000 vezes o consumo de energia na Terra
durante o mesmo período (CRESESB, 2006). Entretanto, o que não possibilita atualmente um
maior aproveitamento de toda essa energia é o fato de que os equipamentos que realizam a
conversão da energia do Sol em energia elétrica possuem um custo elevado, o que pode
inviabilizar a sua utilização. Porém, como há atualmente um crescente aumento na produção e
utilização destes equipamentos, o preço total das instalações deve diminuir, possibilitando
com que uma maior parte da população possa ser beneficiada.
A energia proveniente do Sol pode ser aproveitada, basicamente, de três formas:
química, elétrica e térmica. Neste trabalho, será feita uma abordagem da conversão elétrica da
energia solar, porém um sistema de seguimento solar pode ser utilizado em basicamente todas
as aplicações que usem a energia do Sol.
2.1.1 Radiação Solar
Nem toda a radiação solar (luz e calor) que atinge as camadas mais externas da
atmosfera terrestre consegue chegar ao nível do solo. A maior parte é refletida de volta ao
espaço ou absorvida pela atmosfera, e somente uma pequena parcela chega à superfície. Esta
parcela pode ser dividida em duas componentes, a componente direta e a componente difusa,
conforme ilustrado na Figura 2.1.
Se a superfície de incidência da radiação solar apresentar alguma inclinação com a
horizontal, haverá mais uma parcela da radiação que será refletida pelo ambiente do entorno
(solo, vegetação, terreno rochoso). Denomina-se de albedo ( ) o índice de reflexão dessas
superfícies.
A irradiância solar pode ser definida como a taxa de energia radiante incidente em
uma superfície por unidade de área desta, em W/m2. Enquanto que a irradiação solar
representa a energia incidente por unidade de área em uma superfície, obtida por integração
da irradiância em um tempo específico, em Wh/m2 ou J/m2 (OLIVEIRA, 2008).
6
Figura 2.1 – Ilustração das componentes da radiação solar ao nível do solo
Fonte: (CRESESB, 2006)
O cálculo para se determinar a irradiação solar I em uma determinada superfície
pode ser feito através de:
Onde Ib representa a irradiação direta do Sol, Id a irradiação difusa, Ir a irradiação
refletida pelo entorno, e
o ângulo de incidência dos raios solares em uma determinada
superfície (MORAES, 2012), que será descrito com mais detalhes posteriormente.
A energia total incidente sobre a superfície terrestre, também denominada de
disponibilidade de radiação solar, apresenta grande variabilidade, pois depende tanto das
condições atmosféricas (nebulosidade, umidade relativa do ar, etc.) quanto da latitude local e
da posição no tempo (hora do dia e dia do ano). Essa radiação luminosa a nível do solo
apresenta potência que varia entre 0 e 1100 W/m2 de superfície horizontal, conforme a
latitude (TESSARO, 2006).
Em um sistema de geração de energia elétrica com painéis fotovoltaicos é
importante se conhecer a quantidade de energia solar disponível num dado local e a duração
dessa disponibilidade. Para a medição dessa energia, de acordo com CRESESB (2006),
existem alguns instrumentos, como:
a) piranômetro: mede a radiação global, com o uso de uma termopilha, possuindo
modelos de primeira (2 % de precisão) e segunda classe (5 % de precisão);
b) actinógrafo: mede a radiação global, com o uso de sensores, sendo considerado
instrumento de terceira classe (15 a 20 % de precisão);
c) pireliômetro: mede a radiação direta;
d) heliógrafo: registra a duração do brilho solar.
7
O Brasil apresenta um bom nível de irradiação solar, principalmente no nordeste
em regiões secas de baixa latitude e no litoral leste, com valores médios anuais entre 1200 e
2400 kWh/m2/ano. Estes valores são superiores à maioria dos países europeus, como
Alemanha (1250 kWh/m2/ano), França (entre 900 e 1650 kWh/m2/ano) e Espanha (entre 1200
e 1850 kWh/m2/ano) (COOPER; MARTINS JUNIOR, 2013).
2.2 Movimento da Terra
Em qualquer sistema de uso da energia solar se torna importante ter o
conhecimento a respeito da movimentação da Terra ao redor do Sol, de modo a sempre
procurar obter o máximo de eficiência na captação dessa energia.
A Terra diariamente gira em torno do seu eixo, no movimento de rotação, e
anualmente descreve uma trajetória elíptica ao redor do Sol, no movimento de translação,
como ilustrado na Figura 2.2. Esses movimentos, aliados a outros fatores, como a latitude
local, faz com que haja uma variação do ângulo de incidência dos raios solares sobre a
superfície terrestre ao longo dos dias e durante o dia, ocasionando uma variação na quantidade
de energia captada pelo sistema de uso da energia solar. Esta característica induz, conforme o
caso, à seleção de um sistema apropriado de armazenamento da energia resultante do processo
de conversão.
Figura 2.2 - Representação das estações do ano e movimento da Terra em torno do Sol
Fonte: (ANEEL, 2002) (adaptado)
8
2.2.1 Declinação solar
O eixo polar da Terra possui uma inclinação de 23,45° em relação à normal do
plano da órbita terrestre (VÉRAS, 2004), como ilustrado na Figura 2.3. Essa inclinação do
eixo polar causa uma variação da trajetória do Sol entre o norte e o sul no decorrer do ano,
ocasionando uma variação do ângulo de incidência dos seus raios em relação ao plano do
equador. Esse ângulo é denominado de declinação e é representado pela letra . Por exemplo,
um observador na linha do equador da Terra vê o Sol entre os dias 21 de março e 23 de
setembro sempre ao norte, enquanto que, em todos os outros dias do ano, ele vê ao sul.
Figura 2.3 – Inclinação do eixo polar em relação ao plano de órbita da Terra
Fonte: (VÉRAS, 2004)
Segundo Oliveira (2008), essa declinação pode ser calculada para cada dia do ano
por:
Onde nd é o número do dia no ano.
Como exemplo, calculando o valor de
ano, logo sendo
para o dia 1 de março, que é o 60° dia do
=60, obtém-se o valor de -8,29°. Citando como exemplo a latitude da
cidade do Recife/PE, que é –8,05°, com latitudes ao norte sendo positivas e ao sul sendo
negativas por convenção (VÉRAS, 2004), quer dizer que no dia 1 de março de cada ano o Sol
estará aproximadamente acima desta cidade, ou seja, ao meio dia deste dia, um objeto
qualquer estará acima da própria sombra.
9
Com o intuito de obter um maior aproveitamento da radiação solar, deve-se
ajustar a inclinação de painéis e coletores solares de acordo com a latitude local e o período
do ano, de modo que esses equipamentos estejam sempre recebendo a maior quantidade de
energia possível no momento. No Hemisfério Sul, por exemplo, deve-se orientar o sistema de
captação solar para o Norte com um ângulo de inclinação similar ao da latitude local
(ANEEL, 2002). O declive do painel, em condições ideais, deveria ser superior à latitude do
local no Inverno e inferior no Verão, como se pode ver na Figura 2.4.
Figura 2.4 – Altura do Sol nos hemisférios em diferentes períodos do ano
Fonte: (CORTEZ, 2013) (adaptado)
Devido à declinação solar e aos movimentos de rotação e translação, em trajetória
elíptica, da Terra, a duração do dia, ou período de visibilidade do Sol durante cada dia, varia
conforme região e período do ano, entre 0 hora e 24 horas. Essa variação é mais intensa nas
regiões polares e nos períodos de solstício (21 de Junho e 21 de Dezembro) e menos intensa
em regiões próximas à linha do equador e nos períodos de equinócio (23 de Setembro e 21 de
Março).
2.2.2 Posição do Sol
No projeto de qualquer sistema de seguimento solar é de suma importância saber
a posição do Sol durante o dia e ao longo do ano. Para a determinação dessa posição, faz-se
uso de determinados ângulos formados entre um painel fotovoltaico instalado no hemisfério
Sul, o raio incidente do Sol e os eixos cardeais Norte-Sul e Leste-Oeste. A Figura 2.5 ilustra
esses ângulos.
10
A partir da Figura 2.5, tem-se que (RIBEIRO; PRADO; GONÇALVES, 2012):
a) : ângulo de altitude, ou altura, solar formado entre a projeção P-Q do raio
incidente do Sol no plano horizontal formado pelos eixos cardeais e a reta Y-P do próprio raio
incidente, no sentido horário;
b)
: ângulo de zênite, ou ângulo zenital, formado entre a reta Y-P do raio
incidente do Sol e a reta normal (zênite) ao plano horizontal dos eixos cardeais, no sentido
horário;
c)
: ângulo de Azimute solar formado entre o eixo Norte-Sul e a projeção P-Q
do raio incidente do Sol, no sentido horário, sendo positivo em direção ao Leste e negativo em
direção ao Oeste;
d)
: ângulo de Azimute da superfície formado entre a projeção P-U na
horizontal da reta normal ao painel e o eixo Norte-Sul, no sentido horário;
e) : ângulo de Azimute formado pela soma de aw com as;
f)
: ângulo de incidência formado entre o raio incidente e a reta normal à
superfície do painel, no sentido horário;
g) : ângulo de inclinação do painel em relação ao plano horizontal;
Figura 2.5 – Representação de ângulos formados entre um painel fotovoltaico, os eixos cardeais e o raio
incidente do Sol
Fonte: (RIBEIRO; PRADO; GONÇALVES, 2012) (adaptado)
A posição do Sol pode ser obtida a partir dos valores dos ângulos de Azimute
da altura do Sol . O ângulo da altura solar
pode ser obtido por (2.3) (OLIVEIRA, 2008).
e
11
Onde
representa a latitude local e w o ângulo horário, que é o ângulo do Sol em
relação ao meio dia.
O ângulo horário w começa a ser contado a partir do meio dia, ou seja, às 12 horas
tem seu valor igual a zero, com valores positivos à tarde e negativos pela manhã. O ângulo
horário pode ser obtido através de (VÉRAS, 2004):
Onde Tdia indica o tamanho do dia (24 horas = 86.400 segundos) e t é a hora solar
expressa em fração de horas com início às 12 horas (t=0 ao meio-dia).
Como exemplo, calculando o valor de w para as 14 horas, sendo t=2 horas,
obtém-se que w=30°.
O ângulo zenital
corresponde ao ângulo que é necessário corrigir no painel para
este formar um ângulo de 90° com o raio solar incidente (CORTEZ, 2013). Quanto maior for
o ângulo de Zênite, menor será a radiação solar incidente sobre determinada superfície
(MORAES, 2012). Este ângulo pode ser obtido através de qualquer uma das seguintes
equações (OLIVEIRA, 2008):
Outro ângulo importante é o ângulo de Azimute solar
, que pode ser calculado
através de (OLIVEIRA, 2008):
O ângulo de incidência
é um parâmetro importante na determinação da
quantidade de radiação direta que está incidindo sobre o painel, pois como visto em (2.1),
quanto maior for esse ângulo menor será a radiação solar direta colhida pelo sistema. A
12
Tabela 2.1 mostra as perdas percentuais na captação da radiação direta envolvendo
determinados ângulos de incidência. Esse ângulo de incidência pode ser obtido, de forma
simplificada, por meio de (2.8) (OLIVEIRA, 2008).
Tabela 2.1 – Perdas na captação da radiação direta em função do ângulo de incidência em painéis fotovoltaicos
Fonte: (MORAES, 2012)
A partir do conhecimento desses ângulos anteriormente citados, pode-se ter uma
melhor noção da posição do Sol durante o dia e ao longo do ano e, assim, pode-se fazer o
projeto de um sistema de seguimento solar de maneira mais eficiente, de modo que os raios
solares sempre incidam no sistema de captação solar com um ângulo que maximize a
produção de energia elétrica ou térmica a partir da energia do Sol.
2.3 Painéis fotovoltaicos
A principal forma de geração de energia elétrica através da energia do Sol se dá
pelo uso de painéis fotovoltaicos, o que será o alvo de maior interesse neste trabalho.
Atualmente este tipo de geração encontra-se como uma boa solução para os
problemas ambientais, como já citado anteriormente, apresentando um balanço positivo entre
as vantagens e as desvantagens (RIBEIRO; PRADO; GONÇALVES, 2012). Como vantagens
deste tipo de tecnologia pode-se citar:
a) fonte de energia limpa, renovável e inesgotável, com impactos ambientais
mínimos, não havendo emissão de poluentes;
b) os painéis fotovoltaicos são de fácil instalação e manutenção e são constituídos
de módulos interconectáveis, tornando-se ideal para a produção doméstica;
13
c) tecnologia que pode ser utilizada em aplicações tanto de baixa como de alta
potência;
d) a vida útil dos painéis pode ser superior a 30 anos.
Entre as desvantagens desse tipo de geração, tem-se:
a) a captação da energia incidente depende de fatores como tempo, clima e
orientação do painel em relação ao Sol;
b) o custo de implementação e de produção de energia é elevado, quando
comparado com outras fontes de energia;
c) a eficiência dos painéis fotovoltaicos é baixa;
Tendo em vista a minimização destas desvantagens, de forma que a geração
fotovoltaica possa se tornar cada vez mais uma solução mais atrativa e competitiva, faz-se uso
de determinados medidas, como (RIBEIRO; PRADO; GONÇALVES, 2012):
a) maximizar a transferência de energia do painel para a carga: faz-se uso da
técnica de procura de ponto de máxima potência da característica tensão versus corrente do
painel de modo a garantir o casamento de impedância entre o painel e a carga, diminuindo
assim a perda de rendimento causada por essa característica do painel;
b) aumentar a eficiência das células fotovoltaicas: sendo os painéis fotovoltaicos
constituídos de células fotovoltaicas, uma melhora no rendimento dos painéis ocorre com um
aumento na eficiência das células. Por isso, constantemente têm sido feitas pesquisas em
busca de materiais que promovam essa eficiência, com uma tendência para a redução de preço
dos painéis devido ao aumento da escala de produção e das novas tecnologias de materiais e
fabricação. Neste trabalho, na seção que trata de células fotovoltaicas, serão dados mais
detalhes acerca da eficiência de alguns tipos de células;
c) aumentar a captação da energia incidente no painel: a radiação solar incidente
em um painel pode ser maximizada através da instalação de equipamentos seguidores solares,
que têm como objetivo procurar manter o painel sempre perpendicular aos raios solares
incidentes. Será nessa técnica que será dado maior enfoque neste trabalho.
Agora de modo a entender como se dá essa geração de energia elétrica a partir da
radiação solar, deve-se analisar um pouco os efeitos dessa radiação sobre certos materiais, os
semicondutores. Entre esses efeitos, destaca-se o termoelétrico e o fotovoltaico.
O efeito termoelétrico ocorre com o surgimento de uma diferença de potencial
provocada pela junção de dois metais, quando essa junção encontra-se numa temperatura
maior que a temperatura nas outras extremidades dos fios. Apesar de ser muito usado na
14
construção de medidores de temperatura, apresenta desvantagens como o alto custo dos
materiais e a baixa eficiência (ANEEL, 2002).
Neste trabalho iremos focar nosso estudo no efeito fotovoltaico, que é a base para
o funcionamento dos painéis fotovoltaicos.
2.3.1 Efeito fotovoltaico
O efeito fotovoltaico é produzido em materiais semicondutores, denominados de
células solares ou fotovoltaicas, constituídos da dopagem de um material semicondutor, na
maioria das vezes o silício, com determinados elementos, geralmente o boro e o fósforo
(BRAGA, 2008).
No processo de dopagem do silício, o silício dopado com fósforo é denominado
de silício tipo N (negativamente carregado) e o silício dopado com boro é chamado de silício
tipo P (positivamente carregado). Eles são colocados juntos para compor a célula, fazendo que
haja a criação de uma junção pn no gap de energia no silício e formando um campo elétrico
que impede que elétrons do silício tipo N migrem para o tipo P. Essa neutralidade elétrica é
rompida no momento que fótons, presentes na radiação solar, com energia superior ao gap
incidirem nessa junção, onde o campo elétrico seja diferente de zero, havendo assim uma
excitação dos elétrons presentes neste material e, consequentemente, o surgimento de uma
corrente através da junção. (BRAGA, 2008).
Com essa movimentação de cargas ocorrerá o surgimento de uma diferença de
potencial nas extremidades do silício, que, ao serem conectadas por um fio externo, fará com
que circule uma corrente elétrica contínua através desse fio, como ilustrado na Figura 2.9.
Essa é a base do funcionamento de uma célula fotovoltaica (CRESESB, 2006).
Figura 2.6 – Fluxo de elétrons na célula fotovoltaica
Fonte: (VÉRAS, 2004) (adaptado)
15
2.3.2 Células fotovoltaicas
Uma célula fotovoltaica pode ser fabricada usando diversos tipos de
semicondutores, porém na maioria das vezes é utilizado o silício, pois tem se mostrado o mais
confiável e o mais barato para a maioria das aplicações de energia solar (VÉRAS, 2004). O
silício pode ser classificado de acordo com a sua estrutura molecular em monocristalino,
policristalino ou silício amorfo, sendo este último constituinte de uma célula de filme fino
(CRESESB, 2006).
2.3.2.1 Silício monocristalino
As células de silício monocristalino são mais usadas comercialmente, com um
bom grau de eficiência, chegando até 15% para uso comercial e 18% em células feitas em
laboratório, comparada às células de silício policristalino e silício amorfo. Elas também
apresentam um processo de construção relativamente simples (TIRADENTES, 2007).
2.3.2.2 Silício policristalino
Em comparação com a célula de silício monocristalino, a célula de silício
policristalino apresenta um processo de fabricação menos rigoroso e uma eficiência um pouco
inferior, chegando à faixa de 12,5%. No entanto, apresenta como vantagem um menor custo
de fabricação (TIRADENTES, 2007).
2.3.2.3 Células de filmes finos
As células de filmes finos são construídas tendo como base o silício amorfo, que
diferentemente de células com silício mono e policristalino apresenta um alto grau de
desordem na estrutura dos átomos, e outros elementos semicondutores, tais como Arseneto de
Gálio, por exemplo. Este tipo de célula se diferencia das demais por apresentar uma menor
espessura na lâmina do material semicondutor usado na sua construção. As células de filmes
finos apresentam uma baixa eficiência, cerca de 8% a 9% em escala comercial, mas possuem
um baixo custo de fabricação aliado ao fato de possuírem características mecânicas
favoráveis, como a flexibilidade, leveza e semitransparência. (COOPER; MARTINS
JUNIOR, 2013).
16
2.3.3 Sistemas fotovoltaicos
Um sistema fotovoltaico pode ser definido como o conjunto de dispositivos e
equipamentos responsáveis por fazer a conversão da energia incidente do Sol em energia
elétrica pronta para uso.
Um sistema fotovoltaico é constituído basicamente pelos seguintes componentes
(TIRADENTES, 2007):
a) módulos ou painéis fotovoltaicos: conjunto de células fotovoltaicas
responsáveis pela captação da radiação solar;
b) banco de baterias: responsável pelo armazenamento de parte da energia gerada;
c) controlador de carga: dispositivo com função de evitar sobrecarga ou descarga
excessiva das baterias;
d) inversor: responsável pela conversão da corrente contínua fornecida pelos
módulos fotovoltaicos em corrente alternada.
Um sistema fotovoltaico pode ser classificado de acordo com a sua configuração
em três tipos (CRESESB, 2006):
a) sistemas isolados ou autônomos: não possuem conexão com a rede elétrica e
podem ou não possuir dispositivo para armazenamento da energia gerada pelos módulos. Essa
energia pode ser armazenada em baterias, para uso posterior quando a incidência da radiação
solar for menor ou não existir, como de noite ou em períodos com nebulosidade. Juntamente
com o banco de baterias usa-se um dispositivo controlador de carga, com função de evitar
danos à bateria devido a sobrecargas ou descargas excessivas, e um inversor, para converter a
corrente contínua em alternada. Um exemplo desse tipo de sistema é mostrado na Figura 2.7.
A energia gerada pelos módulos fotovoltaicos também pode ser armazenada na forma de
energia gravitacional para bombeamento de água em tanques de sistemas de abastecimento. A
energia fornecida pelos módulos também pode ser usada diretamente sem nenhum dispositivo
para armazenamento, como é no caso em sistemas de irrigação, onde toda água bombeada é
consumida ou acumulada em reservatórios;
b) sistemas híbridos: nesse tipo existem também outras fontes de geração de
energia interligadas, como geradores eólicos, a gás e diesel, para suprir a demanda em
horários de menor geração de energia por parte dos módulos fotovoltaicos. Faz-se uso de uma
unidade de controle e condicionamento de potência para garantir o máximo de eficiência na
entrega de energia para o usuário. São usados em sistemas de médio e grande porte. Por
trabalhar com cargas de corrente alternada, também usa-se nesses sistemas um inversor;
17
c) sistemas conectados à rede: constituídos de vários painéis fotovoltaicos ligados
diretamente à rede elétrica de grande porte, sem unidade de armazenamento, atuando como
fonte complementar de geração de energia. Todo o sistema é conectado a inversores, que
devem atender requisitos de qualidade e segurança, e em seguida ligado diretamente à rede
elétrica. Constitui a mais importante aplicação de módulos fotovoltaicos a nível mundial.
Figura 2.7 – Ilustração de um sistema de geração fotovoltaica no modo autônomo
Fonte: (ANEEL, 2002) (adaptado)
2.3.4 Características elétricas dos painéis
Devido à baixa tensão e corrente fornecida por uma célula fotovoltaica, se faz
necessário o uso de um conjunto dessas células em módulos ou painéis fotovoltaicos, de
modo que assim haja um aumento no valor dessas grandezas ao se juntarem células em série
(aumento de tensão) ou paralelo (aumento de corrente), dependendo dos valores de tensão e
corrente desejados.
A Figura 2.8 ilustra um exemplo de característica corrente versus tensão e
potência versus tensão de um módulo fotovoltaico.
A partir da Figura 2.8, os principais parâmetros que devem ser analisados em um
módulo fotovoltaico são os seguintes (CRESESB, 2006):
a) VOC (tensão de circuito aberto): valor de tensão de saída do módulo sem
nenhuma carga conectada (circuito aberto). Maior valor de tensão fornecida pelo módulo;
b) ISC (corrente de curto-circuito): valor de corrente de saída do módulo quando os
terminais de saída são curto-circuitados. Maior valor de corrente fornecida pelo módulo;
c) PM (ponto de máxima potência): valor da máxima potência que o módulo pode
fornecer;
d) IM (corrente de máxima potência): valor de corrente para o qual há a produção
da máxima potência pelo módulo;
18
e) VM (tensão de máxima potência): valor de tensão para o qual há a produção da
máxima potência pelo módulo.
Figura 2.8 – Gráfico das características de corrente versus tensão e potência versus tensão de um módulo
fotovoltaico
Fonte: (OLIVEIRA, 2008)
Outro parâmetro importante, que não está presente em algumas folhas de dados de
equipamentos, é a eficiência (n) do módulo fotovoltaico, que representa a taxa de
aproveitamento na conversão da energia solar em elétrica. Este parâmetro pode ser obtido por
(TESSARO, 2006):
Onde Ap indica a área do módulo em m2, obtida a partir das dimensões fornecidas
na folha de dados do fabricante, e I indica a irradiância solar incidente sobre o módulo, em
W/m2.
Os principais fatores que influenciam nas características elétricas de um módulo
fotovoltaico são a intensidade luminosa e a temperatura das células do módulo. A corrente
fornecida pelo módulo é diretamente proporcional à intensidade luminosa, conforme pode-se
observar pela Figura 2.9. Enquanto que o aumento da temperatura das células faz com que
haja uma redução no rendimento do módulo, reduzindo assim os valores dos pontos de
19
máxima potência da característica elétrica do módulo, como ilustrado na Figura 2.10
(CRESESB, 2006).
Figura 2.9 – Efeito causado pela variação da intensidade luminosa nas células
Fonte: (CRESESB, 2006)
Quando for feita a instalação de painéis fotovoltaicos, deve-se tomar cuidado
também com relação ao sombreamento que pode acontecer na superfície do painel em
determinado instante. Esse sombreamento pode acontecer quando há perdas de orientação em
sistemas que utilizam seguidores solares e quando não é respeitada a distância mínima entre
as strings, ou filas, de painéis.
Figura 2.10 – Efeito causado pela variação da temperatura nas células
Fonte: (CRESESB, 2006)
20
As células fotovoltaicas que estão sofrendo o sombreamento passam a se
comportar como uma barreira à passagem de corrente elétrica, como ilustrado na Figura 2.11,
o que ocasiona perdas na eficiência dos módulos e pode causar aquecimento na parte
sombreada, com consequentes danos ou a destruição do módulo. Uma solução para este
problema é a instalação de diodos by-pass, como mostrado na Figura 2.12, que fornecem um
caminho alternativo de circulação da corrente no módulo (CORTEZ, 2013).
Figura 2.11 – Módulo fotovoltaico sofrendo sombreamento
Fonte: (CORTEZ, 2013) (adaptado)
Figura 2.12 – Módulo fotovoltaico com diodos by-pass sofrendo sombreamento
Fonte: (CORTEZ, 2013) (adaptado)
2.4 Seguidores solares
Como visto anteriormente, a eficiência das células e dos painéis fotovoltaicos é
baixa. Este fato, aliado a outros fatores, como alto custo de instalação destes sistemas
fotovoltaicos comparado a outras fontes de energia, contribuem para uma maior desmotivação
no uso desse tipo de geração de energia elétrica. Com isso, para que a geração fotovoltaica se
torne mais atrativa, se faz necessário o uso de técnicas para que a eficiência dos painéis possa
ser aumentada. Uma das técnicas existentes consiste no uso de seguidores solares.
Os seguidores solares, também conhecidos como rastreadores, têm como objetivo
aumentar a captação da radiação solar pelo painel fotovoltaico ao procurar sempre manter o
21
plano do painel perpendicular à radiação solar incidente, situação mais favorável para o
aproveitamento da energia incidente. Um sistema de seguimento solar pode ser utilizado em
basicamente todas as aplicações que usem energia solar, ou seja, tanto em painéis
fotovoltaicos como em coletores planos e concentradores solares.
Em alguns casos, um sistema de seguidores solares, apesar de incrementar em
cerca de 20% o preço total de um sistema de geração fotovoltaica de energia, pode vir a
aumentar em algo em torno de 40% as receitas geradas. Os seguidores fotovoltaicos também
geralmente apresentam um baixo custo de manutenção (GIL et al., 2009).
Existem diversos tipos de seguidores solares, que variam em relação a custo,
complexidade e funções, além de apresentar funcionamento com diferentes números de eixos
e fornecerem diversos graus de precisão.
Com relação ao tipo de seguimento, os seguidores solares podem ser divididos em
passivos ou ativos.
2.4.1 Seguidores passivos
Esse tipo de seguidor, como mostrado na Figura 2.13, é composto por dois
cilindros nas extremidades leste e oeste do módulo solar, contendo na maioria das vezes um
líquido denominado de Freon (CORTEZ, 2013), e um tubo de interligação entre estes, de
modo a permitir a passagem do líquido de um para o outro. O seu funcionamento se baseia na
ação da gravidade, onde o líquido presente no cilindro que está recebendo a luz do sol
(quando os raios solares não estão incidindo em um ângulo de 90° com o módulo) aquece e
passa para a forma gasosa, se expandindo e se deslocando para o outro cilindro, aonde irá se
condensar e provocar o movimento do sistema ao deslocar o centro de gravidade do mesmo.
Figura 2.13 – Sistema com seguimento passivo
Fonte: (VÉRAS, 2004)
22
Um seguidor passivo é mais adequado em altas temperaturas (ABOUZEID, 2001)
e só pode ser utilizado em locais onde a variação térmica seja suficiente para provocar a
expansão do gás. Possui como desvantagens o fato de apresentar uma baixa precisão e sofrer
distúrbios com a influência de ventos e com a falta parcial da radiação solar, como em dias
nublados (CLIFFORD; EASTWOOD, 2004). Apresenta vantagens como a simplicidade e a
não necessidade de outros mecanismos, como motores, para o seu funcionamento.
2.4.2 Seguidores ativos
Os seguidores ativos são caracterizados por possuírem diferentes tipos de
seguimento solar. Eles possuem um sistema de controle de seguimento com sensores,
controladores e dispositivos atuadores, como motores, que permitem que se faça o seguimento
solar de forma ativa (CORTEZ, 2013).
Um seguidor ativo pode ser classificado, basicamente, de acordo com o tipo de
movimento eixo realizado, em (CORTEZ, 2013):
a) seguidor de eixo horizontal;
b) seguidor de eixo polar;
c) seguidor de eixo vertical;
d) seguidor polar de dois eixos.
A Figura 2.14 ilustra uma comparação da energia produzida por diferentes tipos
de seguidores em diferentes locais.
Figura 2.14 – Estimativa da energia produzida por um sistema de 1 kWp usando variados tipos de seguidores em
diferentes cidades
Fonte: (CORTEZ, 2013) (adaptado)
23
A seguir serão descritos com mais detalhes cada um desses tipos de seguidores e
as formas possíveis de controle de seguimento.
2.4.2.1 Seguidor de eixo horizontal
Neste tipo de seguidor os painéis fotovoltaicos são montados em cima de um eixo
em forma de um tubo horizontal, apoiado em suportes, como ilustrado na Figura 2.15. Esse
tubo pode ser paralelo ao eixo Norte-Sul ou ao eixo Leste-Oeste, girando sobre seu eixo de
forma a acompanhar o movimento do Sol ao longo do dia, no caso de eixo Norte-Sul, ou ao
longo do ano, no caso de eixo Leste-Oeste (OLIVEIRA, 2008).
Quando o eixo do painel for paralelo ao eixo Leste-Oeste, o sistema pode
funcionar sem um sistema automático de seguimento, operando conforme uma série de
posições fixas pré-estabelecidas anteriormente à instalação (CORTEZ, 2013). São utilizados
frequentemente em concentradores solares com espelhos cilíndricos-parabólicos (OLIVEIRA,
2008).
Figura 2.15 – Sistema com seguidor de eixo horizontal
Fonte: (MORAES, 2012)
O seguidor de eixo horizontal apresenta como vantagens o baixo custo de
instalação, simplicidade, robustez e pouca necessidade de manutenção. Além disso, este tipo
de sistema permite a montagem de vários painéis sobre o mesmo eixo, com a necessidade de
somente um sistema de controle para cada eixo, aumentando assim a eficiência do conjunto
(MORAES, 2002).
Entre as desvantagens deste tipo de sistema de seguimento, tem-se que há uma
restrição de utilização em estações com dias curtos, por não apresentar um ganho importante
24
(OLIVEIRA, 2008), e a sua eficiência não ser tão grande como a dos outros tipos de
seguidores (CORTEZ, 2013).
2.4.2.2 Seguidor de eixo polar
Este tipo de seguidor apresenta um eixo inclinado, geralmente em um valor igual
à latitude local, orientado na direção norte-sul e paralelo à superfície do coletor solar. Esse
eixo será o eixo de rotação para o seguidor. A inclinação desse eixo tem como objetivo fazer
com que o coletor esteja perpendicular à radiação solar nos equinócios da Primavera e
Outono, com um pequeno erro ocorrendo nos demais dias do ano (CORTEZ, 2013).
O seguidor de eixo polar é relativamente simples e faz com que haja um aumento
na eficiência do sistema (CORTEZ, 2013). Devido ao ajuste angular do eixo, este tipo de
seguidor apresenta maior rendimento do que o seguidor de eixo horizontal. Na Figura 2.16
pode-se ver um exemplo de montagem com esse tipo de seguidor.
Figura 2.16 – Sistema com seguidor de eixo polar
Fonte: (MORAES, 2012)
2.4.2.3 Seguidor de eixo vertical
Também denominado de seguidor azimutal, o seguidor de eixo vertical,
representado na Figura 2.17, apresenta um eixo fixo vertical à superfície terrestre e paralelo
ao zênite, por onde o painel irá rotacionar ao longo do dia, acompanhando o Sol de Leste a
Oeste de acordo com o ângulo de azimute, de modo a procurar manter o ângulo de azimute do
Sol igual ao ângulo de azimute da superfície. O ângulo de inclinação do painel é obtido de
25
acordo com a latitude local e é ajustado manualmente de acordo a estação do ano
(OLIVEIRA, 2008).
Figura 2.17 – Sistema com seguimento de eixo vertical
Fonte: (MORAES, 2012)
Este tipo de seguidor apresenta montagem mecânica e elétrica simples e de baixo
custo, com manutenção também de baixo custo e robustez, apresentando menos 7% de
radiação coletada que um seguidor de dois eixos e mais 4% que um seguidor de eixo polar
(CORTEZ, 2013), e possuem bom desempenho em latitudes e estações do ano onde os dias
são longos (OLIVEIRA, 2008).
2.4.2.4 Seguidor polar de dois eixos
Este tipo de seguidor, como mostrado na Figura 2.18, apresenta um poste vertical
que vai permitir o movimento no eixo Leste-Oeste, procurando manter o azimute de
superfície igual ao azimute do Sol, e um poste horizontal, ao qual está presa a armação onde o
painel vai ser montado (CORTEZ, 2013), que permite o movimento no eixo Norte-Sul,
procurando manter a constante correção da inclinação do painel em relação ao Sol, de modo
que o ângulo de inclinação do painel seja complementar ao ângulo da altura solar. Com a
movimentação nesses dois eixos é maximizado o aproveitamento da radiação direta incidente
no painel ao minimizar o ângulo de incidência dos raios solares (OLIVEIRA, 2008).
As principais desvantagens deste tipo de seguidor consistem no grande esforço a
que está sujeito o sistema, devido ao seu elevado peso, e a sua complexidade mecânica, em
relação aos outros seguidores anteriormente citados (CORTEZ, 2013).
Até hoje são o tipo de seguidor mais comum, sendo usados principalmente em
parques solares ou instalações de grande porte, mas podendo ser usados também em sistemas
26
de menor capacidade, com um menor número de coletores. Esta versatilidade é uma das suas
grandes vantagens (GIL et al., 2009).
Figura 2.18 – Sistema com seguimento de dois eixos
Fonte: (CORTEZ, 2013)
2.4.2.5 Sistemas de controle dos seguidores
Existem diversos tipos de controle de seguimento possíveis. Pode se fazer um
controle em malha aberta, com algoritmos de cálculo da posição do Sol, ou em malha
fechada, com o uso de sensores, ou de forma mista, com o uso de sensores e algoritmos
(CORTEZ, 2013). Em uma configuração mais completa, um sistema de seguimento pode ser
composto, como ilustrado na Figura 2.19, por (RIBEIRO; PRADO; GONÇALVES, 2012):
a) aquisição: responsável por fornecer os dados de latitude e longitude do local e
por disponibilizar dados relativos à posição do Sol e a hora solar para a inicialização da
orientação do painel fotovoltaico;
b) sensores: têm como função detectar a posição do Sol durante o dia, sem a
necessidade das coordenadas solares e a hora solar, podendo ser fotosensores de tipos como:
LDR (do inglês Light Dependent Resistor), também denominado de fotoresistor ou resistor
dependente de luz; fototransistor; fotodiodo; ou até mesmo células fotovoltaicas;
c) controlador: circuito elétrico com ou sem a presença de microcontroladores,
onde são processados os sinais vindos dos sensores de acordo com a lógica de controle ou
programação (quando se faz uso de microcontroladores) e de onde saem os sinais de comando
para os atuadores;
27
d) acionador ou atuador: tem como função realizar a movimentação do sistema a
partir dos sinais vindos do controlador, sendo geralmente utilizados motores de corrente
contínua.
Figura 2.19 – Diagrama funcional de um sistema de seguimento solar
Fonte: (RIBEIRO; PRADO; GONÇALVES, 2012)
Quando o controle se dá com o uso de sensores, geralmente se utiliza um sensor
para cada eixo de seguimento. Os sensores usados normalmente são compostos por pelo
menos um par de fotosensores, que produzem diferentes níveis de corrente quando não estão
alinhados com o Sol. Entre esses sensores é utilizado um obstáculo, de forma que quando o
Sol encontrar-se perpendicular a superfície dos sensores haverá igual incidência de radiação
solar em cada um dos sensores, e caso contrário, o controlador irá promover a movimentação
do mecanismo atuador, ou acionador, de forma que a incidência do Sol em cada sensor se
torne igual. Em alguns casos, os sensores são usados em superfícies inclinadas, de forma a
aumentar a sensibilidade aos raios solares, ou com o auxílio de uma placa de sombreamento
para determinar a posição do Sol (MOUSAZADEH et al., 2009), como mostrados na Figura
2.20.
Figura 2.20 – a) Sensor com placa de sombreamento; b) Sensor com base inclinada; c) Sensor com o uso de
colimador
Fonte: (MOUSAZADEH et al., 2009) (adaptado)
28
Como desvantagens desse tipo de controle com sensores, tem-se que, para se
determinar de forma precisa a posição do Sol, os fotosensores utilizados têm de ser iguais de
forma a fornecer leituras idênticas um ao outro. Outra desvantagem consiste na ocorrência de
efeitos que promovem a imprecisão nos sensores, como o efeito semicondutor de
envelhecimento e o fato de se acumular lixo na superfície de proteção do sensor (CORTEZ,
2013). Os seguidores com este tipo de controle são de alta precisão e complexos, possuindo
um alto custo e uma menor confiabilidade, sendo usados na maioria das vezes em sistemas de
concentração solar (MOUSAZADEH et al., 2009).
2.5 Conclusões do capítulo
O objetivo principal deste capítulo foi fornecer uma base de conhecimento teórico
sobre geração fotovoltaica e seguidores solares para uma melhor compreensão dos assuntos
que serão abordados nos capítulos posteriores deste trabalho.
O ponto principal foi a apresentação de variados tipos de seguidores solares e
sistemas de controle de seguimento, sendo descritos princípios de funcionamento, vantagens,
desvantagens e aplicações, de modo que possa ser feita uma melhor comparação entre os
diferentes tipos de sistemas de seguimento existentes.
Também foi importante se obter conhecimentos sobre os sistemas fotovoltaicos,
como funcionamento, características elétricas e fatores que influenciam essas características,
de modo a se ter uma melhor compreensão daquilo com o que deve ser analisado em um
sistema de seguimento solar fotovoltaico.
29
CAPÍTULO 3
ESTADO DA ARTE DE SISTEMAS DE SEGUIMENTO SOLAR
Diversos pesquisadores desenvolvem trabalhos envolvendo
sistemas de
seguimento solar, como estudos, projetos e construções, com testes, ensaios e simulações de
diferentes tipos de sistemas. Estes trabalhos abordam as diferentes formas de uso de
seguidores solares, como na conversão fotovoltaica, no aproveitamento térmico, no uso em
sistemas de concentração, ou em aparelhos de medição solar.
Para o desenvolvimento do presente capítulo realizou-se uma pesquisa e análise
de diversos tipos de trabalhos com seguidores solares existentes até o presente momento.
Como forma de se apresentar as variadas formas possíveis de controle, construção e
implementação de sistemas de seguimento solar, a seguir são descritos alguns desses
trabalhos. Nessa descrição são detalhadas características, princípio de funcionamento e
resultados obtidos com os sistemas.
Al-Mohamad (2004) desenvolveu um sistema de seguimento solar de um eixo
em um módulo fotovoltaico com o uso de controlador lógico programável (CLP), de forma
que o mesmo realizasse o controle da movimentação do módulo e o monitoramento da
quantidade de energia fornecida pelo painel ao longo do dia.
Como sensores foram usados dois fotoresistores, que possuem um valor de
resistência inversamente proporcional à quantidade de radiação solar incidente, com uma
barreira entre eles de modo a promover sombra em um dos sensores. Os dois sinais de saída
dessa unidade foram ligados às entradas analógicas do CLP, onde é feita uma comparação
desses dois sinais e são fornecidos os sinais para acionar um motor cc, responsável pela
movimentação do módulo fotovoltaico. No CLP existem dois botões que permitem o
comando manual do sistema. Também foi utilizada uma fonte chaveada, que proporciona um
aumento na eficiência e menores perdas, para alimentar o CLP e o motor cc.
Para o CLP, um programa próprio para coletar, controlar e monitorar os dados foi
desenvolvido usando um software especial. O sistema também pode ser conectado, via porta
serial RS232, a um computador, onde com o auxílio de um programa especial pode se fazer o
monitoramento do sistema.
O sistema de seguimento realiza o seguimento solar em um ângulo de 120° de
Leste a Oeste e retorna a sua posição inicial ao final do dia, quando a radiação solar incidente
for bastante pequena.
30
Comparado com um sistema fixo, o sistema fotovoltaico com seguimento
desenvolvido apresentou no começo do dia, de 6:00 até 10:00, e no final, de 15:00 até 17:00,
um aumento de cerca de 40% na energia fornecida, com valores entre 2% e 4% durante o
restante do dia, como pode ser visto na Figura 3.1. O aumento médio dessa energia fornecida
durante todo o dia foi maior que 20%, em comparação com um sistema fotovoltaico fixo.
Figura 3.1 – Potência de saída do módulo com e sem seguimento
Fonte: (AL-MOHAMAD, 2004) (adaptado)
O autor comenta que, apesar do custo e complexidade maiores de um sistema
fotovoltaico com seguimento através de CLP em comparação com um sistema fixo, esta
alternativa pode se tornar mais atrativa em aplicações onde haja a presença de vários módulos
fotovoltaicos, já que o CLP controlaria todos os módulos ao mesmo tempo e mais potência
iria ser gerada.
Abdallah (2004) analisou os efeitos de quatro diferentes tipos de sistemas de
seguimento solar na característica corrente-tensão e na geração de energia elétrica de um
painel fotovoltaico em comparação com um sistema fixo. Utilizou-se sistemas de seguimento
de dois eixos, de um eixo vertical, de um eixo leste-oeste e um eixo norte-sul.
Os sistemas eram baseados na ação de um CLP, onde foram armazenadas
instruções para implementar as diferentes funções usadas para controlar os atuadores (um
motor cc para os seguimentos de um eixo e dois motores cc para o seguimento em dois eixos),
que promovem a movimentação do painel de modo que o mesmo esteja perpendicular aos
raios solares incidentes, a partir dos valores desejados da posição do painel calculados
31
anteriormente e inseridos no CLP. Os motores atuam intermitentemente, funcionando por
poucos segundos e parando por aproximadamente 10 minutos. A energia consumida pelo
sistema de controle e os motores foi inferior a 2% da energia economizada pelo sistema de
seguimento.
Um potenciômetro foi conectado aos terminais de saída dos módulos fotovoltaicos
para variar a característica corrente-tensão dos mesmos. A área abaixo das curvas de correntetensão do sistema foi maior utilizando qualquer um dos tipos de seguimento em relação
àquela sem uso de seguimento, o que representa uma maior potência gerada.
Houve uma melhora na energia coletada diariamente pelo painel de 43,87% para o
seguimento de dois eixos, de 37,53% para o seguimento de um eixo vertical, de 34,43% para
o seguimento de um eixo leste-oeste e de 15,29% para o de um eixo norte-sul, em comparação
com um sistema fixo inclinado 32° ao Sul, sendo 32° o valor da latitude do local da instalação
do sistema.
Abdallah e Nijmeh (2004) projetaram e construíram um sistema eletromecânico
de seguimento solar de dois eixos em que o movimento da superfície de seguimento solar era
controlado por um algoritmo de controle em malha aberta implementado usando um CLP.
Para a movimentação do sistema usou-se um sistema eletromecânico simples,
reduzindo custos, necessidades de manutenção e possibilidades de falhas. Foram usados dois
motores, um ac e outro cc, com engrenagens, um para controlar a movimentação da superfície
de seguimento através do eixo Norte-Sul, ajustando a inclinação da mesma, e outro para
rotacionar a superfície através do eixo vertical, de modo a ajustar o ângulo de azimute da
superfície. Foram instalados dois piranômetros na superfície de seguimento, que foram
conectados ao CLP, e em seguida o CLP conectado a um computador.
As horas do dia foram divididas em quatro intervalos idênticos, onde a velocidade
(graus/segundo) dos motores iria ser determinada em cada intervalo. A programação do CLP
foi baseada na análise dos ângulos solares, calculados por um software computacional, e nos
cálculos das velocidades dos motores. O CLP controla o ajuste intermitente de posição do
sistema realizado pelos motores. O uso intermitente dos motores simplifica o funcionamento
do sistema sem grandes perdas na potência. O consumo de energia elétrica dos motores e do
sistema de controle não ultrapassa 3% da energia economizada pelo sistema de seguimento.
Constatou-se que o método de controle usado funciona bem em todas as
condições climáticas, exceto na presença de nuvens. A Figura 3.2 mostra a radiação medida
pelo sistema com seguimento de dois eixos e um sistema fixo em um determinado dia. O uso
do sistema de seguimento resultou em um aumento de 41,34 % na quantidade de energia
32
coletada diariamente em comparação com um sistema fixo inclinado 32° ao Sul, sendo a
latitude do local de instalação igual a 32°.
Figura 3.2 – Radiação solar total em MJ/m2 em função do tempo
Fonte: (ABDALLAH; NIJMEH, 2004) (adaptado)
Bakos (2006) implementou, em um coletor solar parabólico, um sistema de
seguimento de dois eixos baseado na combinação de fotoresistores convencionais e um
método de controle computacional usando um determinado software.
Foram usados dois fotoresistores e um circuito para realizar a comparação dos
valores das resistências dos mesmos, de modo que enquanto esses valores de resistência não
fossem iguais, o circuito de comparação enviaria sinais para um sistema de movimento
eletromecânico do coletor, com o intuito de movimentar o coletor de modo a fazer com que os
fotoresistores estivessem recebendo a mesma quantidade de radiação solar e, assim, devido à
configuração do sistema, o coletor estivesse perpendicular ao Sol. Os sensores são utilizados
somente quando um determinado nível de radiação solar incidente é atingido. O sistema
eletromecânico de movimento consistia de quatro relés, que são acionados através de um
circuito eletrônico e conectados a dois motores ac com o intuito de promover o movimento do
coletor solar nas quatro direções, e dois circuitos eletrônicos, um conectado aos sensores e o
outro conectado a um computador através da sua porta paralela.
O software no computador teve seu código escrito em linguagem de programação
Visual C++ e permite a operação manual do sistema, além de disponibilizar uma
representação gráfica da posição do coletor solar e calcular o horário em que o Sol nasce e se
põe.
33
O sistema é de fácil instalação e operação, com pouca necessidade de manutenção
e funcionando bem em todas as condições climáticas, exceto na presença de nuvens por
longos períodos.
Para medição da radiação captada foram instalados dois piranômetros, um no
centro do espelho parabólico e outro em uma superfície fixa inclinada 40° ao Sul. As Figuras
3.3 e 3.4 mostram a radiação medida pelos piranômetros em dois dias distintos, sendo no
primeiro dia usados tantos os sensores como o software computacional no seguimento solar e
no segundo dia usados somente os sensores. De forma a facilitar a comparação entre as
medições de cada piranômetro, os resultados foram normalizados, onde a máxima radiação
medida foi de 1010 W/m2. Nesses dias, a partir de um determinado horário (região indicada
com uma seta nas Figuras 3.3 e 3.4), a radiação solar sofreu um decréscimo devido ao
surgimento de nuvens e chuva.
Figura 3.3 – Resultados experimentais usando sensores e software computacional
Fonte: (BAKOS, 2006) (adaptado)
Figura 3.4 – Resultados experimentais usando somente sensores
Fonte: (BAKOS, 2006) (adaptado)
34
Como pode ser visto nas Figuras 3.3 e 3.4, o sistema de seguimento sem o uso do
software, somente com os sensores, apresentou uma queda acentuada na eficiência.
Tendo sido realizados outros experimentos, em condições climáticas normais,
alcançou-se um ganho de 46,46% na energia captada pelo sistema, em comparação com um
sistema fixo inclinado 40° ao Sul.
Poulek e Libra (2000) desenvolveram um seguidor solar muito simples e com
grande confiabilidade, ao não necessitar usar componentes caros e pouco confiáveis como
baterias e circuitos eletrônicos de acionamento. Foram usados arranjos fotovoltaicos de dupla
face e células fotovoltaicas auxiliares de dupla face, ambos conectados ao mesmo eixo como
mostrado na Figura 3.5. As células de dupla face são fixas ao eixo e aproximadamente
perpendiculares à reta normal ao plano dos arranjos. Estas células servem tanto para o
sensoriamento do Sol como para o provimento de energia para a movimentação do arranjo,
feita através de um motor cc de imãs permanentes conectado diretamente às células de dupla
face.
Figura 3.5 – Visão frontal do arranjo fotovoltaico com seguimento solar de uso terrestre
Fonte: (POULEK; LIBRA, 2000) (adaptado)
À medida que o Sol se move, o ângulo de incidência , mostrado na Figura 3.6,
dos raios solares nas células auxiliares aumenta até que a potência do motor seja suficiente
para mover o arranjo. Então, o ângulo de incidência começa a decrescer até que a potência do
motor esteja abaixo do mínimo necessário para mover o arranjo. O uso das células auxiliares
em conjunto com o arranjo permite que haja um seguimento solar de qualquer posição, ou
seja, permite que o ângulo de seguimento seja de 360°, enquanto que seguidores semelhantes
35
a esse, mas com células de face única, como desenvolvido por Poulek e Libra (1998),
possuem esse ângulo de seguimento igual a 120°.
Figura 3.6 – Arranjo fotovoltaico com seguimento solar de uso terrestre visto de cima
Fonte: (POULEK; LIBRA, 2000) (adaptado)
Este tipo de seguidor pode ser usado tanto na Terra como no espaço. Sua
simplicidade e confiabilidade se aproximam daquelas presentes no seguidor passivo com
Freon, mas com a vantagem de ser mais eficiente e poder trabalhar em baixas temperaturas,
inferiores a 40°C.
Concluiu-se que o arranjo pode tolerar um desvio angular de
5° sem perdas na
energia coletada e o seguidor consegue coletar mais que 95% da energia coletada por um
seguidor ideal.
Poulek e Libra (1998) também desenvolveram um seguidor solar semelhante ao
descrito acima, sendo que neste caso as células auxiliares de dupla face foram instaladas com
um ângulo de 20° entre a reta normal ao plano dos painéis e foi usado um motor cc reversível.
O ângulo de rastreamento obtido foi aproximadamente 120° e o conjunto fotovoltaico poderia
ser montado tanto em um eixo móvel horizontal norte-sul ou em um eixo inclinado, como
mostrado na Figura 3.7.
O seguidor conseguiu coletar sempre mais que 95% da energia coletada por um
seguidor ideal.
Abouzeid (2001) construiu um sistema de seguimento polar com um motor de
passo, dispensando o uso de complicados sistemas de engrenagens de determinados motores,
que são usados para um posicionamento mais preciso do painel fotovoltaico. O motor de
passo possui uma precisão de passo de 7,5° e é alimentado por uma fonte cc através de um
36
conversor, cujas chaves são controladas por um circuito de controle baseado em uma série de
sequências de chaveamento pré-definidas para diferentes situações de operação.
Figura 3.7 – Esquemático do arranjo fotovoltaico com seguidor de eixo polar
Fonte: (POULEK; LIBRA, 1998) (adaptado)
A estrutura do arranjo fotovoltaico com seguidor se assemelha àquela mostrada na
Figura 3.7, com a diferença de que no lugar das células de dupla face foram instaladas duas
células fotovoltaicas nos dois lados de uma placa fixa ao eixo de rastreamento. Estas células
possuem a função de fazer o sensoriamento solar e fornecer sinais para o circuito de controle,
de modo a fazer o correto posicionamento do painel. As células são dispostas de forma que
quando os raios solares incidentes não forem perpendiculares à superfície, uma das células, a
que está recebendo a radiação solar, enviará um sinal maior que a outra célula, o que
produzirá um sinal de erro na entrada de um comparador, que acionará o circuito de controle
de modo a mover o motor na direção dos raios solares.
O sistema pode trabalhar em passos de 15° ou 7,5° e pode funcionar sem qualquer
tipo de supervisão, sendo aplicável em sistemas isolados em áreas remotas.
Karimov et al. (2005) implementaram um sistema de seguimento fotovoltaico
com montagem polar, em que dois pares de módulos fotovoltaicos foram conectados a um
rotor e instalados em uma base de sustentação piramidal com um ângulo
pode variar de 160° a 175°, entre os módulos de cada par.
(Figura 3.8), que
37
Figura 3.8 – Posições dos módulos do sistema fotovoltaico de manhã e de tarde
Fonte: (KARIMOV et al., 2005) (adaptado)
Um motor cc, responsável pela movimentação do arranjo, tem sua alimentação
feita pelos módulos fotovoltaicos através de um circuito similar a uma ponte de Wheatstone.
A angulação entre os módulos, como mostrado na Figura 3.8, permite que, quando o arranjo
encontrar-se desalinhado com o Sol, haja o surgimento de uma diferença de potencial entre as
tensões geradas pelos módulos, o que aciona diretamente o motor na direção de ajuste do
arranjo. A área total dos módulos foi cerca de 1,26 m2.
O ângulo de rastreio é de 120° com uma precisão de cerca de 10°, exceto quando
a radiação difusa for predominante, o que diminui essa precisão. A inclinação dos módulos
em relação ao plano horizontal pode ser ajustada para cada estação do ano em um ângulo de
34°
11°.
O sistema apresentou uma baixa resistência ao vento e se mostrou um sistema de
conversão de energia eficiente, econômico e confiável. Obteve-se maior eficiência no arranjo
quando havia um ângulo de 170° entre os módulos de cada par e constatou-se que o sistema
com seguimento coletou 30 % mais energia do que um sistema fixo, estando ambos os
sistemas com uma inclinação de 45° em relação ao plano horizontal.
Oliveira (2007) desenvolveu em sua dissertação de mestrado um protótipo de
seguidor polar simples e de baixo custo. O sistema de controle e o motor não necessitam de
baterias para o seu funcionamento, sendo sua alimentação feita através dos próprios módulos
fotovoltaicos.
38
O sistema eletrônico de controle era composto por:
a) sensor de alinhamento: formado por dois LDR’s, um de referência e outro
denominado de TRK, e um obstáculo entre eles, de modo que quando o arranjo fotovoltaico
encontrar-se desalinhado com o Sol, haveria sombra em TRK, o que geraria um sinal de
diferença na entrada de um comparador, que por sua vez acionaria um motor cc no sentido de
rotação Leste-Oeste, de modo a realinhar o arranjo com o Sol;
b) circuito de retorno: responsável por retornar o arranjo para a posição inicial no
começo de um dia, quando a geração de energia pelo arranjo for suficiente para a sua
movimentação, no sentido Oeste-Leste, já que o motor somente gira em um sentido de
rotação, Leste-Oeste;
c) lógica de controle: implementada através de portas lógicas e botões de
comando manual, que recebe os sinais vindos do sensor de alinhamento e do circuito de
retorno;
d) circuito de acionamento: responsável pela ligação entre a lógica de controle e o
motor cc;
e) chaves fim de curso: usadas para limitar o movimento do arranjo, definindo os
ângulos máximos de inclinação para Leste e Oeste.
A estrutura mecânica era baseada em um contra-peso, uma caixa de redução e um
carretel, que enrola e desenrola um cabo de aço que realiza a movimentação do arranjo. Na
Figura 3.9 é mostrado o protótipo desenvolvido.
Figura 3.9 – Sistema de seguimento desenvolvido
Fonte: (OLIVEIRA, 2007)
39
O sistema segue o Sol ao longo do dia enquanto houver a predominância de
radiação direta. Quando a radiação difusa prevalecer, o sistema permanece parado, já que
nessa situação a maior parte da radiação chega ao arranjo em todas as direções e de maneira
praticamente uniforme, o que pode adiantar o arranjo em relação ao Sol.
O custo do seguidor montado foi cerca de 66 % menor do que seria se o mesmo
fosse um modelo de fábrica com características semelhantes.
O ângulo de rastreio foi de 140°, com erros máximos de 1° no seguimento do Sol
em dias com predominância da radiação direta, com valores maiores de erro em dias
nublados.
Foram instalados piranômetros, no sistema com seguimento e em um sistema fixo,
para medição das irradiâncias incidentes nos planos de cada sistema e da irradiância difusa
incidente no plano horizontal. Observou-se um ganho máximo de
31 %, em um dia sem
nuvens (Figura 3.10), e mínimo de 15 %, em um dia com tempo instável alternando entre
períodos de céu aberto e nublado (Figura 3.11). Sendo que o ganho observado pelo sistema
fotovoltaico pode ser ainda maior, pois havia árvores e construções próximas ao local da
instalação do sistema que influenciaram algumas medições no período inicial e final dos dias.
Figura 3.10 – Irradiâncias medidas em um dia sem nuvens
Fonte: (OLIVEIRA, 2007) (adaptado)
40
Figura 3.11 – Irradiâncias medidas em um dia com tempo instável
Fonte: (OLIVEIRA, 2007) (adaptado)
Pelas Figuras 3.10 e 3.11, pode-se perceber que no começo do dia a irradiância do
sistema com seguimento é inferior àquela do sistema fixo devido ao fato de o arranjo móvel
não ter voltado ainda à sua posição inicial. Também nota-se que quando a maior parte da
radiação presente é de origem difusa, o sistema com seguimento praticamente não apresenta
ganho em relação ao sistema fixo, como era de se esperar, já que o seguidor solar é projetado
de forma a aumentar a captação da radiação direta.
Bingol, Altintas e Oner (2006) desenvolveram e testaram um sistema de
seguimento solar de dois eixos baseado na ação de um microcontrolador, LDR’s (resistores
dependentes de luz) e dois motores de passo.
Foram usados dois pares de LDR’s (S1 e S2 posicionados na direção Leste-Oeste
para a correção do ângulo de azimute, e S3 e S4 posicionados na direção Norte-Sul para a
correção da inclinação do painel com o plano horizontal), dispostos em dois pares de tubos
cilíndricos separados por um ângulo de 90° entre cada tubo de cada par e por ângulo de 45°
com a superfície do painel fotovoltaico, como mostrado na Figura 3.12.
O microcontrolador recebe os sinais vindos dos sensores e faz uma comparação se
a diferença entre os valores das tensões dos sensores de cada par, S1 com S2 e S3 com S4, é
maior do que um valor de tolerância, o que caso confirmado faz com que o microcontrolador
envie sinais de comando, passando por um registrador de deslocamento de 8 (oito) bits, para a
atuação dos motores, de modo a manter o painel na posição ideal. Os motores de passo são
alimentados por uma fonte de 9 V e possuem uma precisão de passo de 1,8°.
41
Figura 3.12 – Disposição dos tubos com LDR’s: a) visão de cima; b) visão frontal
Fonte: (BINGOL; ALTINTAS; ONER, 2006) (adaptado)
O sistema permite que, através da porta serial RS232, seja possível a supervisão
da posição do painel por um sistema de monitoramento em um computador.
Através de testes com o painel com seguimento solar e um painel fixo, pode-se
verificar que o painel com seguimento apresentou uma temperatura média diária maior 9°C
em relação ao painel fixo, o que mostra que uma maior densidade de luz é recebida pelo
painel com seguimento.
Uma desvantagem desse sistema de seguimento é que ele é afetado por variações
climáticas, como chuvas e nuvens, podendo realizar o seguimento do Sol de forma errada
nessas condições.
Rubio et al. (2007) realizaram uma análise do projeto e da implementação de um
tipo de controle híbrido de um sistema de seguimento solar de dois eixos. Essa estratégia de
controle híbrida consistia na combinação de uma estratégia de controle em malha aberta
baseada em modelos do movimento do Sol, e uma estratégia de controle em malha fechada
com controle eletro-óptico através de sensores.
A estratégia de controle em malha aberta consiste no cálculo da posição do Sol
usando o algoritmo PSA, desenvolvido por Blanco-Muriel et al. (2001). Na estratégia de
controle em malha fechada, a potência instantânea gerada pelo arranjo fotovoltaico é medida
por um sensor, que emite um sinal proporcional a essa potência na entrada de um
microcontrolador, como forma de se verificar se o sistema está realizando o seguimento do
Sol de forma correta e também para que possa ser determinada a posição exata do Sol, pois
durante o movimento do arranjo, poderia se considerar que a posição do Sol corresponderia ao
ponto no qual a potência gerada pelo arranjo fosse máxima.
Os autores implementaram uma estratégia de controle PI (proporcional e integral),
para cada coordenada solar independentemente, de modo a reduzir a zero o erro na estimação
da posição do Sol.
42
Tendo em vista a economia de energia, o sistema não realiza o seguimento solar
continuamente com a mesma precisão, sendo os motores acionados somente quando o erro de
seguimento for maior do que um valor de tolerância e quando a radiação solar for grande o
suficiente para produção de energia elétrica pelo sistema, atuando de forma a “esperar” o Sol.
O algoritmo de controle leva em conta os diferentes tipos de erros que podem acontecer em
um sistema de seguimento de baixo custo, como problemas com a estrutura mecânica e erros
de tempo e localização.
De modo a tornar o sistema autônomo, um modo de procura do Sol foi
implementado para quando o erro de seguimento fosse maior do que um valor previamente
estabelecido e a radiação solar fosse grande o suficiente para a produção de energia pelo
arranjo. Esse modo de operação é necessário para quando houver alguma interferência
externa, como, por exemplo, a presença de nuvens por longos períodos de tempo.
Por meio de uma porta serial, uma aplicação SCADA (controle supervisório e
aquisição de dados) em um computador realiza o monitoramento e a supervisão do arranjo
fotovoltaico.
Mesmo quando o cálculo da posição solar obteve grandes erros, o controle PI
conseguiu reduzir a praticamente zero o erro na estimação da evolução da altura solar e do
ângulo de azimute do Sol ao longo do tempo, como pode ser visto na Figura 3.13, onde SEq
consiste nos valores calculados pelo algoritmo PSA, SMv o real movimento do Sol e CEq a
evolução obtida após a ação do controle PI.
Figura 3.13 – Evolução das coordenadas solares ao longo do tempo
Fonte: (RUBIO et al., 2007) (adaptado)
43
Como conclusão, a potência elétrica usando a estratégia de controle híbrida foi
maior 55 % do que aquela com o uso somente da estratégia de controle em malha aberta.
Conclusões:
No presente capítulo foram apresentados trabalhos, envolvendo seguidores
solares, desenvolvidos até o presente momento, com o objetivo de fornecer uma visão de
diferentes formas de controle do seguimento do Sol, mostrando os diferentes componentes
que podem fazer parte de um sistema de seguimento, e também de verificar características de
desempenho e funcionamento dos seguidores, assim como resultados obtidos com os mesmos.
Na apresentação dos trabalhos pôde-se verificar que o controle de um seguidor
solar pode ser feito através de algoritmos de cálculo dos ângulos solares em softwares
computacionais, ou através de células fotovoltaicas de dupla face ou conjuntos de módulos
fotovoltaicos com uma inclinação entre si, ou através de sensores eletro-ópticos, como
fotoresistores, em conjunto com dispositivos controladores, como CLP’s, microcontroladores
ou circuitos com portas lógicas.
Entre os diferentes componentes de um sistema de seguimento solar, verifica-se
que os atuadores podem ser motores de corrente contínua, de corrente alternada ou motores de
passo. Em alguns trabalhos também se fez uso de circuitos de retorno, com a função de
retornar o arranjo à posição inicial ao final do dia, e chaves fim de curso, que limitavam a
angulação máxima da superfície de seguimento.
Através da análise desses trabalhos pôde-se ter um melhor conhecimento a cerca
do ganho de energia captada fornecido pelos seguidores solares. Por meio de gráficos
verificou-se que o maior ganho proporcionado pelos seguidores solares é durante o começo e
o final do dia, e que quando a maior parte da radiação presente é de origem difusa, o ganho do
seguidor se torna praticamente nulo. Viu-se que ao longo do dia o ganho de energia captada
pode variar de 0 a 100%, com valores de ganhos diários na faixa de 30 a 40% em áreas com
tempo estável e por volta de 20% em locais com tempo instável com a presença de nuvens.
Além disso, observou-se que os seguidores não precisam apontar diretamente para o Sol para
serem efetivos, com pequenas perdas percentuais no ganho para variações de até 10°.
Em alguns trabalhos verificou-se a preocupação com a questão do consumo de
energia elétrica do seguidor solar, o que deve ser sempre levado em conta no projeto de um
sistema de seguimento, de forma que esse consumo seja sempre mantido em uma pequena
fração da eletricidade adicional disponibilizada pelo sistema de seguimento. Normalmente
encontra-se esse consumo com valores entre 2 e 3% da eletricidade adicionada pelo seguidor.
44
CAPÍTULO 4
ANÁLISE DOS GANHOS DE CAPTAÇÃO DE IRRADIAÇÃO SOLAR COM O USO
DE SEGUIMENTO SOLAR
No presente capítulo é feita uma análise dos ganhos de captação de irradiação
solar proporcionados com o uso de sistemas de seguimento solar. É feita uma comparação
entre a irradiação solar incidente no plano horizontal e a irradiação estimada captada por uma
superfície de captação, por exemplo, um painel fotovoltaico, com inclinação em relação à
horizontal de 15° ao Norte e por um painel com a mesma inclinação e com correção do
ângulo de azimute, na cidade de Fortaleza/CE.
4.1 Metodologia de cálculo das irradiações estimadas
A seguir é descrita a metodologia usada para o cálculo, a partir de dados de
irradiação solar incidentes no plano horizontal, da irradiação estimada que iria incidir em um
sistema de captação solar fixo com determinada inclinação em relação à horizontal e em um
sistema com seguimento com a mesma inclinação, onde houvesse a correção do ângulo de
azimute.
De acordo com Oliveira (2008), para se obter uma estimativa da irradiância
incidente em uma superfície inclinada com ou sem movimento de correção de azimute, a
partir de dados de radiação global sobre uma superfície horizontal, devem-se seguir os
seguintes passos:
1) Calcular a irradiância extraterrestre incidente em uma superfície horizontal
,
em um tempo específico, por meio de:
Onde
é a constante solar, com valor igual a 1367 W/m2,
é o fator de
correção de excentricidade, onde a excentricidade da órbita planetária é a causa da variação da
distância da Terra ao Sol, e
e
os ângulos horários, em radianos, obtidos por (2.4), que
definem, respectivamente, o final e o início do intervalo de tempo considerado. Como já
45
citado anteriormente no capítulo 2,
por (2.2).
representa a latitude local e
a declinação solar, obtida
pode ser calculado de forma simplificada por meio de:
Sendo
o número do dia do ano, como já citado anteriormente no capítulo 2.
2) Obter o valor de
através de:
Onde corresponde à irradiação global horizontal diária em média horária.
3) Achar o valor de
por meio de:
4) Encontrar o valor da irradiação difusa diária em média horária
5) Calcular a irradiação direta diária em média horária
através de:
por:
6) Encontrar o valor da irradiação difusa para uma superfície inclinada
de:
através
46
Como já comentado anteriormente no capítulo 2,
inclinação da superfície de seguimento com a horizontal,
solares na superfície de seguimento, obtido por (2.8),
(2.5) ou (2.6).
e
representa o ângulo de
o ângulo de incidência dos raios
o ângulo de zênite calculado por
são coeficientes que podem ser obtidos por meio de:
Os coeficientes
são determinados pela Tabela 4.2.
Tabela 4.1 – Coeficientes
em função de
Fonte: (OLIVEIRA, 2008)
O parâmetro
corresponde ao parâmetro de transparência (claridade) e
parâmetro de brilho, sendo obtidos por meio de:
ao
47
A variável
significa massa de ar e
a irradiação extraterrestre normal. Esses
valores podem ser encontrados por:
O valor de , ângulo da altura solar, pode ser encontrado por meio de (2.3), como
já comentado.
7) Calcular o valor da irradiação direta para uma superfície inclinada fixa
através de:
8) Calcular o valor da irradiação direta para uma superfície inclinada em
movimento
através de:
Onde, neste caso, o ângulo de incidência é calculado com o ângulo de azimute
igual a zero.
9) Obter a componente refletida da irradiação
Onde, como já citado anteriormente,
superfície. Será adotado o valor de
valor de
por:
representa o índice de reflexão da
igual a 0,25, pois a maioria dos pesquisadores usa o
entre 0,20 e 0,25, já que um grande número de superfícies possui o índice de
reflexão nessa faixa de valores.
48
10) Somar as componentes da irradiação e obter a irradiação total sobre uma
superfície inclinada em movimento
ou fixa
:
4.2 Aplicação da metodologia e resultados
Aplicou-se a metodologia descrita na seção anterior em determinados dados de
irradiação solar global incidente no plano horizontal coletados no período de 1 (um) ano, entre
Abril de 2003 e Março de 2004, por um piranômetro instalado no Laboratório de Energias
Alternativas (LEA) da Universidade Federal do Ceará (UFC). As medições foram realizados a
cada 10 minutos no horário de 05:00 até 18:00 de cada dia dentro desse período. Para cada
mês, escolheu-se o dia do mês em que a irradiação total, a partir de médias horárias, no
período de 5:00 até 18:00, fosse a mais próxima possível da irradiação total diária média do
mês, para que assim 1 (um) dia pudesse representar o mês (dia característico do mês). Então,
aplicou-se a metodologia da seção anterior para 12 dias, 1 (um) para cada mês, do ano,
fazendo as seguintes considerações:
a) o valor de latitude
utilizado foi o da cidade de Fortaleza/CE, -3,75° (MAPS
OF WORLD, 2013), onde está situado o LEA;
b) como a cidade de Fortaleza se situa no hemisfério Sul, para que uma maior
energia solar possa ser captada, deve-se inclinar a superfície de captação para o Norte, como
já comentado anteriormente. A metodologia de cálculo descrita baseia-se na hipótese que o
painel estaria voltado para o Sul. Então, usou-se o valor de
igual a 180°, considerando
também que a superfície estaria direcionada exatamente para o Norte, com um ângulo de
valor zero entre a projeção no eixo horizontal da reta normal ao plano do painel e o eixo
Norte-Sul;
c) considerou como inclinação
o valor atual da inclinação em relação à
horizontal de um painel fotovoltaico instalado no LEA, 15°. Esse valor foi definido como
forma de evitar acúmulo de poeira e água da chuva no painel, o que proporciona perdas na
geração de energia elétrica pelo mesmo.
49
Com isso, através de planilhas de cálculo, no software Microsoft Excel,
desenvolvidas para aplicação desta metodologia, na Figura 4.1 tem-se a representação da
irradiação solar incidente em cada tipo de superfície de captação solar, seja ela horizontal,
inclinada fixa ou inclinada com seguimento, ao longo do dia selecionado no mês de julho de
2003.
Figura 4.1 – Irradiação média horária ao longo do dia 02/07/2003
Fonte: Autoria própria
Ao analisar-se a Figura 4.1 percebe-se, como esperado, que a superfície inclinada
com seguimento apresentou valores maiores de irradiação, em comparação com a superfície
inclinada fixa, principalmente no período inicial do dia. No período final do dia, isso não
aconteceu devido ao surgimento de nuvens no céu, o que proporcionou uma diminuição da
irradiação direta incidente.
Na Figura 4.2, tem-se os resultados obtidos de irradiação total ao longo do dia
selecionado de cada mês, a partir das médias de irradiação a cada hora, incidente nos planos
horizontal, inclinado fixo e inclinado com seguimento. Pode-se ver que principalmente nos
meses de janeiro e fevereiro a irradiação medida teve valores menores, devido a grande
presença de nuvens no céu ao longo do dia. Nos meses de agosto, setembro e outubro
verificou-se os maiores valores de irradiação medida, pois nestes meses o tempo era na
maioria das vezes estável, com céu limpo. Maiores comentários acerca da Figura 4.2 serão
feitos posteriormente, quando for apresentada a Tabela 4.2, que fornece um maior
detalhamento de dados dessa figura.
50
Figura 4.2 – Representação das irradiações médias diárias de cada mês
Fonte: Autoria própria
Os ganhos de irradiação incidente obtidos com a superfície inclinada fixa em
relação à superfície horizontal e com a superfície inclinada com seguimento, em relação à
superfície horizontal e à inclinada fixa, estão representados na Tabela 4.2. De modo a analisar
os efeitos proporcionados pela inclinação da superfície de captação solar e o uso de
seguimento solar de correção de azimute na captação de irradiação, acrescentou-se na Tabela
4.2 os valores da declinação solar
do dia selecionado de cada mês e da fração difusa da
irradiação total, em média diária, para esses mesmos 12 dias característicos.
Primeiramente analisando-se os ganhos obtidos com a inclinação da superfície de
captação solar, pode-se perceber que, como a latitude da cidade de Fortaleza é igual a -3,75° e
a superfície de captação solar está voltada para o Norte, quando a declinação solar apresentou
valores mais elevados positivamente, nos meses de maio, junho e julho, os ganhos obtidos
com a superfície inclinada foram maiores, pois nesses meses o Sol se situava mais ao Norte da
superfície e consequentemente, com a inclinação de 15° da superfície, o ângulo de incidência
dos raios solares na mesma era menor. Foram obtidos menores ganhos, chegando a valores
negativos, com a superfície inclinada nos meses de novembro, dezembro e janeiro, já que
nesses meses a declinação solar apresentava valores mais elevados negativamente, fazendo
com que o Sol se situasse ao Sul da superfície de captação e diminuindo a incidência de raios
solares na mesma.
Fazendo uma análise dos ganhos proporcionados com o uso de seguimento solar,
verificando o ganho da superfície inclinada com seguimento em relação à superfície inclinada
fixa, pode-se notar, como esperado, que esse ganho está relacionado com a fração difusa da
51
irradiação total incidente. Quando esta fração se aproximava de 1 (um), o que representava
menos irradiação direta incidindo na superfície, o ganho se tornava menor, enquanto que
quando esta fração apresentava valores menores, indicando uma menor participação de
irradiação difusa na irradiação total, com uma consequente maior incidência de irradiação
direta, o ganho era maior. Isso se deve porque o seguimento solar proporciona ganho somente
sobre a irradiação direta incidente na superfície, ao se tentar sempre minimizar o ângulo de
incidência presente na equação (2.1).
Tabela 4.2 – Ganhos de irradiação obtidos e dados referentes a cada dia escolhido
Abril
(24/04/2003)
Maio
(29/05/2003)
Junho
(09/06/2003)
Julho
(02/07/2003)
Agosto
(28/08/2003)
Setembro
(12/09/2003)
Outubro
(15/10/2003)
Novembro
(17/11/2003)
Dezembro
(09/12/2003)
Janeiro
(25/01/2004)
Fevereiro
(13/02/2004)
Março
(01/03/2004)
Média anual
Inclinada
fixa /
Horizontal
(%)
Inclinada
com
seguimento /
Horizontal
(%)
Inclinada
com
seguimento /
Inclinada
fixa (%)
Declinação
solar do
dia (°)
Fração
difusa da
irradiação
total (kd)
em média
diária
5,31
13,65
7,92
12,55
0,686
13,71
23,68
8,77
21,56
0,410
14,35
24,33
8,73
22,91
0,452
14,22
23,06
7,74
23,07
0,388
5,31
17,18
11,27
9,33
0,357
1,39
10,68
9,16
3,53
0,462
-4,45
5,97
10,90
-9,49
0,642
-7,81
0,89
9,44
-19,53
0,778
-7,91
-1,53
6,93
-22,95
0,863
-5,64
-3,50
2,28
-19,30
0,946
-4,79
-3,03
1,84
-14,00
0,956
-3,67
-0,45
3,34
-7,98
0,881
1,67
9,24
7,36
-
-
Fonte: Autoria própria
Com a análise dos resultados, pode-se ver que o ganho proporcionado com a
inclinação de 15° ao Norte da superfície de captação em média anual foi pequeno. Esse ganho
poderia ser melhorado se nos meses em que o Sol se situasse ao Sul da superfície, ou seja,
quando a declinação solar fosse maior negativamente do que o valor da latitude, -3,75°, a
52
superfície inclinada fosse voltada para o Sul, o que faria com que a incidência dos raios
solares na mesma fosse maior.
Como para cada dia do ano há um valor de declinação solar diferente, para cada
período do ano existe um valor de inclinação da superfície de captação que faz com que o
ângulo de incidência dos raios solares na mesma seja menor. Devido a isso, de modo a
aumentar a captação de irradiação pela superfície, poderia se realizar a mudança do valor de
inclinação da mesma para cada mês do ano, onde em cada mês esse valor de inclinação seria
aquele que proporcionasse maiores ganhos, através das estimativas de irradiação fornecidas
pela metodologia proposta.
Apesar do fato de que, nos meses de janeiro, fevereiro e março, o ganho
proporcionado pelo uso de seguimento ter sido pequeno, nos demais meses verificou-se um
ganho importante, fazendo com que o uso de seguimento solar se torne uma boa solução para
se aumentar a captação da irradiação solar pelo sistema fotovoltaico, e consequentemente
aumentar a quantidade de energia elétrica gerada pelo mesmo.
Para se ter uma melhor noção do potencial de uso de seguimento solar na cidade
de Fortaleza, é aconselhável realizar mais medições em outros anos, para assim se ter uma
melhor dimensão da quantidade de dias em que o aparecimento de nuvens no céu ao longo do
dia e ao longo do ano na cidade afetaria diretamente o ganho de um sistema de seguimento.
53
CAPÍTULO 5
CONCLUSÕES
Com a realização do presente trabalho foi possível constatar que o uso de sistema
de seguimento solar pode ser uma boa solução quando se deseja aumentar a eficiência na
captação de energia solar por parte de um sistema fotovoltaico, pois muitas vezes com
mecanismos e dispositivos simples, e pequenos investimentos, se consegue obter ganhos
consideráveis na energia solar captada pelo sistema. Com o crescente investimento nessa área
fotovoltaica e o aumento na sua utilização como fonte de energia, se torna cada vez mais
importante o desenvolvimento deste tipo de tecnologia de aumento de eficiência do sistema.
Também houve um melhor entendimento de alguns aspectos importantes
relacionados ao uso de seguimento solar, como características da radiação solar, movimentos
do Sol, cálculo da posição solar, tipos de seguidores existentes e tipos de sistemas de controle
de seguimento possíveis. Além disso, conseguiu-se ter um melhor entendimento de assuntos
pertinentes ao uso da energia fotovoltaica, como a forma de conversão da energia, tipos de
células fotovoltaicas e características elétricas dos painéis fotovoltaicos.
Realizando a revisão bibliográfica, pôde-se ver a diversidade de formas em que
pode ser constituído um sistema de seguimento e as diferentes maneiras de se realizar o
acompanhamento do Sol, vendo que resultados consideráveis foram obtidos com o uso desta
tecnologia por diversos pesquisadores em diferentes países ao redor do mundo.
A partir de dados de irradiação global incidente no plano horizontal no
Laboratório de Energias Alternativas da Universidade Federal do Ceará ao longo de 1 (um)
ano, no período de Abril de 2003 a Março de 2004, tendo sido utilizada uma metodologia de
cálculo para se obter uma estimativa de quanto seria o ganho na energia solar captada por uma
superfície de captação solar por meio da inclinação da superfície com relação a horizontal e
por meio do uso de seguimento solar azimutal, pôde-se ver que um ganho importante pode ser
alcançado com o uso do seguimento azimutal, cerca de 7,4% em média anual em relação a
uma superfície fixa, principalmente quando não há a presença de nuvens no céu, onde esse
ganho pode chegar a 11,3% em média mensal e 26% no período inicial do dia, e que um
pequeno ganho, 1,7% em média anual, pode ser obtido ao se inclinar 15° ao Norte a
superfície.
Observou-se que pode se aumentar ainda mais o ganho na captação solar, em
relação a uma superfície horizontal, ao se realizar a mudança da inclinação da superfície de
54
captação para cada época do ano. Também se constatou que os ganhos com o uso de
seguimento não foram maiores devido à ocorrência de meses no ano em que a presença de
nuvens no céu era constante, tendo em vista que o ganho de um sistema de seguimento está
relacionado com a presença de nuvens no céu durante o dia.
Para se ter uma melhor noção do potencial para uso de seguimento solar na cidade
de Fortaleza, deveria se realizar mais medições de irradiação em outros anos, para que assim
se tivesse um maior precisão sobre as condições climáticas da cidade ao longo do ano, e se
estudar o ganho que a variação da inclinação da superfície de captação em cada época do ano
iria proporcionar. Apesar disso, através dos resultados teóricos obtidos, pode-se dizer que a
cidade apresenta um bom potencial para o uso desta tecnologia.
Como possíveis trabalhos futuros que podem ser realizados nesta área de estudo,
pode-se citar os seguintes:
a) fazer um estudo de qual inclinação da superfície de captação solar
proporcionaria maiores ganhos na captação da irradiação solar para cada mês do ano, para que
assim ajustando-se mensalmente a inclinação da superfície, maiores ganhos fossem obtidos;
b) coletar dados de irradiação solar no plano horizontal em outros anos na cidade
de Fortaleza, e aplicar neles a metodologia proposta, para que assim possa se fazer uma
melhor avaliação dos ganhos proporcionados com o uso de sistemas de seguimento nessa
cidade;
c) desenvolver um sistema de seguimento solar no LEA, e analisar o custo desse
sistema, para que, em conjunto com valores de ganho de geração de energia elétrica e
consumo de energia elétrica pelo sistema de seguimento, se possa fazer uma avaliação se o
uso de seguimento solar é uma solução atrativa financeiramente.
55
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