Universidade do Minho
Integração de Fontes de Energia Renováveis em
Instalações
nstalações Eléctricas para uso Doméstico
Doméstico
Guimarães
2009
João Vaz da Silva
Nº 44530
Integração de Fontes de Energia Renováveis em
Instalações Eléctricas para uso Doméstico
Dissertação apresentada ao programa
de Mestrado Integrado em Engenharia
Electrónica Industrial e Computadores
da Universidade do Minho, como
requisito para a obtenção do título de
Mestre em Engenharia Electrónica
Industrial e Computadores.
Campo de conhecimento: Energias
Renováveis.
Orientação: Professor Júlio Martins
Guimarães
2009
Agradecimentos
A conclusão desta dissertação nunca seria possível sem a ajuda de todas as
pessoas que me auxiliaram, quer directa ou indirectamente, com incentivos,
acções, com palavras de apoio ou simplesmente com o silêncio, tão importante
em muitas ocasiões. Por isso agradeço:
À minha esposa Liliana, por me “aturar” durante todas as horas em que me
alheei do mundo real para me imiscuir num outro mundo, tão real quanto este,
mas que ela não domina por completo.
Ao professor Júlio Martins, pela orientação, pela ajuda e pela disponibilidade
que sempre demonstrou.
Ao Eng.º Domingos Gonçalves, Investigador e Engenheiro Electrotécnico do
Departamento de Electrónica Industrial, pelo seu conhecimento e sabedoria,
que muito contribuíram para a conclusão deste texto.
Ao Engenheiro Eusébio Nunes, pela confiança que sempre depositou em mim.
Por fim, ao Sr. Manuel Nunes, pela sua disponibilidade e confiança, por todos
os ensinos que ao longo destes meses sempre me tentou imiscuir, e os quais
tenciono aproveitar ao máximo.
i
Resumo
No âmbito deste trabalho procedeu-se a uma revisão do estado actual, quer a
nível de mercado, quer em termos de desenvolvimentos científicos, das
principais tecnologias na área das energias com especial interesse para
aplicações residenciais e serviços.
Inicialmente fez-se uma avaliação das várias alternativas existentes em termos
de energias renováveis. Em seguida, as energias solar térmica e fotovoltaica
foram estudadas mais pormenorizadamente, uma vez que são tecnologias
especialmente importantes na área da microgeração. No que diz respeito aos
sistemas fotovoltaicos, fez-se uma avaliação dos diferentes métodos de
controlo para seguimento do ponto de máxima potência (MPPT), com destaque
para os algoritmos “Perturbação e Observação” e “IncCond”.
No seguimento do trabalho fez-se uma avaliação da utilização de uma
ferramenta para análise desempenho e projecto de aproveitamentos solares –
o Solterm – em 2 exemplos de aplicação: uma instalação solar térmica e outra
fotovoltaica. Em ambos os casos supôs-se que os sistemas são instalados
numa habitação unifamiliar situada em Braga.
Aproveitando uma instalação fotovoltaica existente da Universidade do Minho
(pólo de Guimarães), desenvolvida no âmbito do projecto SINUS foram ainda
testados diferentes algoritmos de controlo do MPPT, no sentido de tentar
melhorar o rendimento do sistema fotovoltaico.
ii
Abstract
In the context of this work, an overview of the current state, on the market level
and in terms of scientific developments, for the most important technologies
available in the renewable energy sector, with particular interest for residential
applications and services.
At the beginning, a review of the several options in terms of renewable energy
was made. Then, thermal and photovoltaic solar energy have been studied in
more detail, since these technologies are especially important in the area of
microgeneration. In the case of PV systems, an evaluation of different control
methods for maximum power point tracking (MPPT), especially the algorithms
"disturbance and observation" and "IncCond” was made.
Then, an assessment on the use of a tool for performance analysis and design
for solar energy systems – Solterm – in 2 application examples: a photovoltaic
solar thermal system and a PV installation. In both cases it was supposed that
the systems are installed in a dwelling situated in Braga.
Using a photovoltaic installation within the University of the Minho in
Guimarães, developed in the context of the “project SINUS”, different MPPT
control algorithms were tested, in an effort to improve the efficiency of the
photovoltaic system.
iii
Índice
Agradecimentos
Resumo
Abstract
Índice
Índice de Figuras
Índice de Tabelas
Abreviaturas
1
Introdução
1.1
Motivação
1.2
Objectivos do Trabalho
1.3
Estrutura da Dissertação
2
Fontes de Energia Renovável
2.1
Energia Hidroeléctrica
2.2
Energia Eólica
2.3
Energia Solar
2.4
Armazenamento de Energia
2.4.1
Baterias
2.4.2
Pilhas de Combustível
2.4.3
Ultra Condensadores
2.4.4
Volantes de Inércia
3
Energia Solar Térmica
3.1
Componentes de um Sistema Solar Térmico
3.1.1
Colectores Solares Térmicos
3.1.1.1
Colectores sem Cobertura
3.1.1.2
Colectores Planos
3.1.1.3
Colectores Concentradores (CPC)
3.1.1.4
Colectores de Tubos de Vácuo
3.1.2
Depósito de Acumulação
3.1.3
Grupo de Circulação
3.1.4
Regulação Solar
3.2
Tipos de Sistemas Solares
3.2.1
Sistema de Circulação por Termossifão
3.2.2
Sistema de Circulação Forçada
3.3
Legislação e Benefícios Fiscais
4
Energia Solar Fotovoltaica
4.1
Células Solares Fotovoltaicas
4.1.1
Processos de Fabrico
4.1.2
Tipos de Células Fotovoltaicas
4.2
Novas Tecnologias
4.2.1
Projecto Solar Tiles
4.3
Sistemas Solares Fotovoltaicos
4.3.1
Rendimento do Sistema Solar
4.3.2
Modelo Eléctrico de Painel Fotovoltaico
4.3.3
Curvas Características dos Painéis Fotovoltaicos
4.4
Instalação Solar Fotovoltaica
i
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iv
4.4.1
Gerador Fotovoltaico
4.4.2
Conversor CC/CC
4.4.3
Inversor
4.4.4
MPPT
4.4.4.1
Algoritmo “P&O Orientado”
4.4.4.2
Algoritmo “P&O Modificado”
4.4.4.3
Algoritmo “IncCond”
4.5
Conclusões
5
Outras Energias para uso Doméstico
5.1
Mini-Hídricas
5.1.1
Cálculo de uma Mini-Hídrica
5.2
Minieólicas
5.3
Bioenergia
6
Projecto de Aproveitamentos Solares
6.1
Sistemas Solares Térmicos
6.1.1
Kit Doméstico
6.1.2
Sistema com Depósito
6.2
Sistemas Solares Fotovoltaicos
6.2.1
Instalação fotovoltaica em habitação
6.2.2
Implementação do algoritmo MPPT
6.2.2.1
Resultados Experimentais
7
Conclusões
Referências
Anexos
Anexo I
Anexo II
Anexo III
59
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64
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75
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80
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95
95
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111
a
a
b
c
v
Índice de Figuras
Figura 2.1 – Desenvolvimento Eólico em Portugal.
Figura 2.2 – Distribuição percentual da radiação solar incidente.
Figura 2.3 – Níveis de radiação solar anuais, em kWh/m2.
Figura 2.4 – Níveis de radiação solar anuais em Portugal, em horas.
Figura 2.5 – Armazenamento de Energia Eléctrica.
Figura 2.6 – Comparativo Potência vs Energia, [20].
Figura 2.7 – Esquema Ilustrativo de uma bateria, [33].
Figura 2.8 – Comparação Carga/Descarga de Condensadores vs Baterias.
Figura 2.9 – Imagem ilustrativa de uma flywheel, [35].
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12
13
13
16
16
17
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20
Figura 3.1 – Necessidades energéticas para AQS.
Figura 3.2 – Esquema de um sistema solar térmico.
Figura 3.3 – Temperaturas de aquecimento de águas pelos Colectores.
Figura 3.4 – Constituição física de um colector sem cobertura.
Figura 3.5 – Aspecto e constituição de um colector plano.
Figura 3.6 – Colector concentrador parabólico.
Figura 3.7 – Centrais CSP.
Figura 3.8 – Colector de tubos de vácuo.
Figura 3.9 – Depósitos acumuladores e sua constituição.
Figura 3.10 – Ilustração do circuito directo.
Figura 3.11 – Ilustração do circuito indirecto.
Figura 3.12 – Grupo de circulação.
Figura 3.13 – Regulador solar.
Figura 3.14 – Sistema de circulação por termossifão.
Figura 3.15 – Sistema de circulação forçada.
Figura 3.16 – Obstruções permanentes com altura superior a 20º.
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38
Figura 4.1 – Estrutura de uma célula fotovoltaica.
Figura 4.2 – Células de silício monocristalino.
Figura 4.3 – Célula de silício policristalino.
Figura 4.4 – Célula de silício amorfo.
Figura 4.5 – Painel baseado em nanotecnologia.
Figura 4.6 – Diferentes comprimentos de onda das junções.
Figura 4.7 – Utilização das LSC nos painéis solares actuais.
Figura 4.8 – Painel solar fotovoltaico.
Figura 4.9 – Esquema eléctrico de célula solar fotovoltaica.
Figura 4.10 – Esquema eléctrico de painel fotovoltaico.
Figura 4.11 – Curva característica I-V genérica.
Figura 4.12 – Alteração da curva característica I-V com a temperatura.
Figura 4.13 – Alteração da curva característica I-V com a radiação solar.
Figura 4.14 – Curva característica P-V de uma painel solar fotovoltaico.
Figura 4.15 – Alteração da curva característica P-V com a radiação solar.
Figura 4.16 – Alteração da curva característica P-V com a temperatura.
Figura 4.17 – Curva dP⁄dV (pesquisa do MPP).
Figura 4.18 – Possíveis ligações em instalação solar fotovoltaica.
Figura 4.19 – Comparação do ganho de potência entre estruturas.
Figura 4.20 – Esquema de sistema conectado à rede eléctrica.
Figura 4.21 – Sistema fotovoltaico com acoplamento directo.
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vi
Figura 4.22 – Esquema de sistema solar fotovoltaico isolado.
Figura 4.23 – Esquema de um sistema híbrido.
Figura 4.24 – Conversor de potência boost.
Figura 4.25 – Inversor num sistema fotovoltaico.
Figura 4.26 – Esquema eléctrico de um inversor electrónica de potência.
Figura 4.27 – Curvas características de módulo fotovoltaico de 75W.
Figura 4.28 – Esquema possível para o MPPT.
Figura 4.29 – Característica I-V de uma célula solar.
Figura 4.30 – Característica P-V de um painel fotovoltaico.
Figura 4.31 – Fluxograma do algoritmo “P&O Orientado”.
Figura 4.32 – Fluxograma do algoritmo “P&O Modificado”.
Figura 4.33 – Curva característica Tensão vs Corrente, e derivada no MPP.
Figura 4.34 – Igualdade entre condutância incremental e negativo da condutância.
Figura 4.35 – Fluxograma do algoritmo IncCond.
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63
64
64
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72
72
Figura 5.1 – Figura ilustrativa de uma mini-hídrica.
Figura 5.2 – Método do flutuador.
Figura 5.3 – Método para a medição da queda de água.
Figura 5.4 – Figura exemplificativa da instalação de uma minieólica.
Figura 5.5 – Interligação de uma minieólica à rede eléctrica.
Figura 5.6 – Potencial eólico em Portugal.
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80
80
81
Figura 6.1 – Janela “Clima e Local”.
Figura 6.2 – Definições de obstruções do horizonte.
Figura 6.3 – Componentes configuráveis de sistema solar.
Figura 6.4 – Sistema solar de termossifão.
Figura 6.5 – Kit solar da Solahart.
Figura 6.6 – Especificações do kit solar da Solahart.
Figura 6.7 – Escolha do sistema de apoio ao aquecimento AQS.
Figura 6.8 – Configuração da ocupação da habitação.
Figura 6.9 – Análise Energética de um sistema termossifão.
Figura 6.10 – Análise económica do sistema por termossifão.
Figura 6.11 – Análise dos benefícios ambientais.
Figura 6.12 – Colector solar RS 210.
Figura 6.13 – Análise energética sistema circulação forçada.
Figura 6.14 – Análise económica sistema circulação forçada.
Figura 6.15 – Impactos ambientais evitados (sistema circulação forçada).
Figura 6.16 – Painel fotovoltaico SW175, da Solarworld.
Figura 6.17 – Configuração dos módulos fotovoltaicos.
Figura 6.18 – Inversor Fronius IG 40.
Figura 6.19 – Análise energética ao sistema fotovoltaico.
Figura 6.20 – Análise económica do sistema fotovoltaico.
Figura 6.21 – Impactos ambientais evitados.
Figura 6.22 – Sistema fotovoltaico da Universidade do Minho.
Figura 6.23 – Esquema da instalação na Universidade do Minho.
Figura 6.24 – Gráfico Potência vs Temperatura.
Figura 6.25 – Gráfico Potência vs Intensidade Luminosa.
Figura 6.26 – Gráfico Potência vs (Temperatura x Intensidade Luminosa).
Figura 6.27 – Evolução da potência de saída ao longo do dia (kWh).
Figura 6.28 – Característica I-V.
Figura 6.29 – Possíveis pontos de funcionamento (FlagMppt=1).
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102
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vii
Figura 6.30 – Possíveis pontos de funcionamento (FlagMppt=2).
Figura 6.31 – Possíveis pontos de funcionamento (FlagMppt=4).
Figura 6.32 – Possíveis pontos de funcionamento (FlagMppt=5).
Figura 6.33 – Possíveis pontos de funcionamento (FlagMppt=6).
Figura 6.34 – Evolução da potência.
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107
107
108
109
viii
Índice de Tabelas
Tabela 2.1 – Níveis Médios de Radiação Solar Incidente.
11
Tabela 4.1 – Rendimentos das células com base em silício.
Tabela 4.2 – Características de painel fotovoltaico.
Tabela 4.3 – Evolução do sistema e leis de controlo de sistema MPPT.
46
51
68
Tabela 5.1 – Tabela que relaciona diâmetro do tubo com caudal.
77
Tabela 6.1 – Características do módulo fotovoltaico.
Tabela 6.2 – Características do inversor Fronius IG 40.
Tabela 6.3 – Valores da medição de 10 de Março.
Tabela 6.4 – Valores da medição de 23 de Abril.
Tabela 6.5 – Medição de 09 de Julho.
Tabela 6.6 – Medição de 10 de Julho.
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101
101
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ix
Abreviaturas
Sigla
Significado
ADENE
Agência para a Energia
AQS
Água Quente Sanitária
CA
Corrente Alternada
CC
Corrente Contínua
Cp
Coeficiente de Potência
DGGE
Direcção Geral de Energia e Geologia
DM
Marcos Alemães
INETI
Instituto Nacional de Engenharia, Tecnologia e Inovação
K
Kelvin
LSC
Concentrador Luminescente Solar
MPP
Máximo Ponto de Potência
MPPT
Seguidor do Ponto de Máxima Potência
OE
Orçamento de Estado
PIB
Produto Interno Bruto
PR
Performance Ratio
PV
Fotovoltaico (s)
QREN
Quadro de Referência Estratégico Nacional
S
Radiação Solar
STC
Standard Test Conditions
Wp
Watts de Pico
x
Introdução
1 Introdução
1.1 Motivação
A Natureza tem a capacidade de emanar para a superfície terrestre toda a
energia necessária para as aplicações humanas. No entanto, o aproveitamento
das energias da natureza ainda não atingiu valores substanciais, embora a
consciencialização da população em geral indique que valores bastante
significativos podem ser alcançados. Nos dias que correm, os sistemas de
produção de energia de forma renovável ao nível residencial apresentam-se
cada vez mais atractivos, quer pelos benefícios monetários que os mesmos
permitem alcançar, ou pelos impactos ambientais que os mesmos possibilitam
reduzir.
Se o meio industrial e de transportes representam uma importante fatia na
utilização de energia em Portugal, a importância do sector residencial e de
serviços é bastante significativa, com uma cota de utilização de energia a
rondar 30% do total. Deste modo, e atendendo à considerável fatia que os
sectores doméstico e de serviços representam, a utilização de energia limpa e
renovável permite contribuir para uma maior sustentabilidade do planeta. No
entanto, é necessário divulgar correctamente as vantagens das fontes
renováveis, para que a população possa compreender quais as vantagens que
estas lhes podem oferecer, de modo a não suceder o que ocorreu nos anos 80,
com a implementação de sistemas solares térmicos que não apresentavam a
qualidade exigível, contribuindo para o descrédito dos consumidores nas novas
tecnologias para produção de energia.
Uma importante motivação para a realização desta dissertação de mestrado
tem a haver que o facto de este tema se enquadrar no trabalho que, desde há
vários anos, tem sido desenvolvido na Universidade do Minho, mais
concretamente pelo Departamento de Electrónica Industrial (DEI), no ramo das
Energias Renováveis e Qualidade de Energia Eléctrica.
Por fim, a realização deste trabalho também contempla motivações pessoais,
visto que me encontro a realizar um estágio profissional numa empresa de
instalações eléctricas que pretende iniciar actividades na área das energias
renováveis. A minha entrada nesta empresa deveu-se a uma clara aposta nas
1
1
Introdução
energias renováveis por parte administrativa da empresa, com especial
destaque para a energia solar térmica e a energia solar fotovoltaica.
1.2 Objectivos do Trabalho
Este trabalho insere-se na disciplina de dissertação de Mestrado Integrado em
Engenharia Electrónica Industrial e Computadores da Universidade do Minho,
pólo de Guimarães, no ano lectivo de 2008/2009.
Teve como objectivos genéricos uma revisão do estado actual, quer a nível de
mercado, quer em termos de desenvolvimentos científicos, das principais
tecnologias na área das energias com especial interessa para aplicações
residenciais e serviços.
Pretendeu-se concentrar esforços nas energias solar térmica e fotovoltaica
estudando-as mas mais pormenorizadamente, uma vez que são tecnologias
especialmente importantes na área da microgeração. Uma vez que se trata de
uma parte essencial dos sistemas fotovoltaicos, decidiu-se fazer avaliação dos
diferentes métodos de controlo para seguimento do ponto de máxima potência
(MPPT), com destaque para os algoritmos “Perturbação e Observação” e
“IncCond”.
Finalmente, foi também objectivo deste trabalho, introdução de melhorias no
sistema de controlo de uma instalação fotovoltaica existente da Universidade
do Minho (pólo de Guimarães), desenvolvida no âmbito do projecto SINUS, no
que diz respeito aos métodos de seguimento do ponto de máxima potência
(MPPT).
1.3 Estrutura da Dissertação
Este texto encontra-se dividido em sete capítulos distintos.
No Capítulo 1, “Introdução”, é efectuada uma apresentação sucinta do trabalho
desenvolvido, encontrando-se definidos os objectivos e os principais sistemas
em estudo.
No Capítulo 2, “Fontes de Energia Renovável”, apresentam-se as principais
formas de produção de energia, tendo por base energias renováveis. Neste
capítulo é descrito as diferentes formas de captação de energia e os diferentes
2
2
Introdução
tipos de aproveitamentos existentes. São ainda estudados neste capítulo
diferentes formas de armazenamento de energia.
No Capítulo 3, “Energia Solar Térmica”, é apresentado um overview da
tecnologia, bem como dos principais equipamentos utilizados numa instalação
solar térmica. São também analisados os pacotes de equipamentos utilizados
para instalações solares térmicas, também conhecidos como kits solares, que
originam diferentes tipos de sistemas. Por fim, são salientados os diversos
benefícios fiscais e o enquadramento legal onde esta tecnologia se encontra
inserida.
No Capítulo 4, “Energia Solar Fotovoltaica”, a tecnologia é estudada, com
destaque para as diferentes células solares existentes. No que diz respeito às
células solares, são explicados os processos de fabricos mais conhecidos, bem
como novas tecnologias existentes, que prometem revolucionar o mercado
fotovoltaico. Em seguida, analisar-se-ão os sistemas fotovoltaicos, dando-se
especial interesse ao modelo eléctrico do sistema fotovoltaico. Após esta
análise, apresentaram-se as curvas características dos sistemas fotovoltaicos.
Posteriormente, irá se descrever uma instalação solar fotovoltaica, realçandose os vários equipamentos necessários à instalação e as diferentes
classificações dos sistemas. De todos esses equipamentos, será dada maior
atenção ao MPPT e os vários algoritmos de controlo existentes.
Quanto ao Capítulo 5, “Outras Energias para uso Doméstico”, efectua um
estudo das mini e microproduções de energia ao nível doméstico, dando
destaque às mini-hídricas, às minieólicas e à bioenergia. No que diz respeito às
mini-hídricas, e para além das principais definições da tecnologia, é
apresentada a forma de cálculo de uma mini-hídrica, explicando-se todas as
necessárias considerações para um correcto dimensionamento de uma
instalação deste tipo. Quanto às minieólicas, apresenta-se as principais
considerações acerca desta tecnologia. Por fim, são também apresentadas as
considerações sobre a energia da bioamassa.
No Capítulo 6, “Projecto de Aproveitamentos Solares”, são apresentadas
simulações de diferentes tipos de sistemas de produção de energia de forma
renovável. Numa primeira fase, e recorrendo ao software Solterm, irão ser
escolhido e simulados 2 sistemas solares térmicos (um sistema termossifão e
um sistema por circulação forçada) e um sistema fotovoltaico. Numa segunda
fase, será implementado um algoritmo de seguimento do MPP numa instalação
fotovoltaica, sendo analisados os diversos resultados obtidos, quer antes ou
depois da implementação do algoritmo.
3
3
Introdução
Por fim, o Capítulo 7 “Conclusões” analisa os objectivos cumpridos,
concluindo-se acerca da aplicabilidade do trabalho desenvolvido. São ainda
indicados alguns possíveis desenvolvimentos ao trabalho desenvolvido, dando
particular destaque à implementação do seguimento do MPP, tendo em vista a
melhoria do sistema existente.
4
4
Fontes de Energia Renovável
2 Fontes de Energia Renovável
“Energia Renovável” é a energia que deriva de um processo de transformação,
cujo recurso natural, e não poluente, é reabastecido continuamente, [1].
A geração de energia através de fontes renováveis é considerada como uma
componente muito importante no que diz respeito ao futuro da produção de
energia eléctrica a nível mundial. No entanto, o consumo eléctrico aumenta de
ano para ano, especulando-se que daqui a 20 anos possa consumir-se mais
50% de energia do que nos dias que correm, [80]. Assim sendo, a actual
geração de energia eléctrica não se apresenta suficiente para as necessidades
humanas durante as próximas duas décadas. Com tais condicionantes,
depara-se com a necessidade de se continuar a recorrer a fontes de energia
não renováveis, poluentes ou potencialmente perigosas, tais como são o
petróleo, o urânio ou o carvão, entre outras.
No que diz respeito ao panorama nacional, Portugal importa cerca de 90% da
energia que consome, sendo grande parte dessa importação de energia de
origem endógena, [2]. Além do mais, Portugal afigura-se como um dos países
europeus que apresenta um valor de intensidade energética (relação entre a
energia consumida e o PIB) mais elevado, ou seja, o nosso país consome
demasiada energia em relação à riqueza gerada.
Como principais razões desta situação podem-se indicar as seguintes:
• Mau aproveitamento e desperdício de energia em geral;
• Não utilização sistemática de energias renováveis;
• Pouca eficiência energética;
• Deficiente qualidade na construção de edifícios;
• Deficiente planeamento da rede de transportes públicos;
• Deficiente parque de veículos de transporte;
• Utilização excessiva de veículos particulares em detrimento do
transporte colectivo.
A era das energias abundantes e baratas, mas poluentes, encontra-se
definitivamente esgotada. Tal facto obriga a uma necessária e urgente
implementação de medidas que permitam combater e inverter a actual situação
energética, sob pena de a factura energética nacional continuar a absorver
grande parte da riqueza gerada e, em simultâneo, provocar um retrocesso
5
5
Fontes de Energia Renovável
irremediável da qualidade de vida dos portugueses. Como dado demonstrativo,
no ano de 2004 Portugal importou 4,5 mil milhões de euros de petróleo, valor
que viu ser aumentado nos anos que se seguiram devido aos constantes
aumentos da cotação do crude nos mercados internacionais. Estes valores têm
de ser considerados incomportáveis para a frágil economia nacional, ainda
para mais quando a meta proposta pelo protocolo de Quioto – 2012, − se
aproxima a passos largos, e que determina, devido à má prestação nacional
em matéria de emissões de gases com efeito de estufa para a atmosfera, que o
excesso de emissões terão de ser pagas.
Até 2010, a Comunidade Europeia propõe um aumento da produção de energia
eléctrica com base em fontes renováveis, sendo que a cota proposta assenta
nos 12%, valor bem mais interessante do que os 6% actuais. No que diz
respeito a Portugal, e no mesmo período, a mesma directiva aponta para que
45% (valor revisto dos 39% iniciais), [25], da energia produzida em território
nacional tenha por base fontes renováveis, encontrando-se nesta fatia a
energia produzida nas centrais hidroeléctricas. No entanto, e visto que
dispomos de variados recursos naturais que podem ser aproveitados, tais
como o sol, os mares, os rios ou os ventos, a dependência de energia de
origem fóssil e os impactos que esta produz podem ser atenuados caso
Portugal utilize o que a natureza tem para lhe oferecer. Deste modo, e de
acordo com o crescimento do consumo energético português, torna-se
necessário instalar mais 3.500 MW de novos centros produtores baseados em
fontes de energia alternativas, para que a meta dos 45% de produção nacional
de energia seja atingida.
As principais formas de produção de energia, partindo de fontes renováveis,
são:
• Energia Hidroeléctrica;
• Energia Eólica;
• Energia Solar.
Nos próximos pontos vai-se abordar cada uma destas formas de produção de
energia, dando especial relevo às microgerações para uso doméstico.
2.1 Energia Hidroeléctrica
A energia hidroeléctrica é actualmente a principal fonte de energia renovável.
Para ser possível efectuar-se o aproveitamento hídrico torna-se necessário
edificar-se empreendimentos, normalmente de grandes dimensões, os quais se
6
6
Fontes de Energia Renovável
denominam de barragens hidroeléctricas. Através destes empreendimentos é
possível produzir grandes quantidades de energia eléctrica.
Na conversão hídrica, a energia eléctrica disponibilizada resulta da
transformação da energia potencial da água em energia cinética, quando uma
massa de água se desloca para uma cota inferior. A energia potencial
disponível pode ser descrita pela seguinte equação, [26]:
= ∙∙ℎ
(2.1)
Na equação (2.1), m é a massa de água deslocada, g a aceleração da
gravidade (≈ 9,8 m/s2), e h a diferença de cotas.
O princípio de funcionamento de um sistema hidroeléctrico baseia-se na
conversão da energia cinética da água em energia cinética de rotação através
de uma turbina hidráulica, que por sua vez acciona um gerador que produz
energia eléctrica. Tendo em atenção todas as perdas – tubagens, turbina e
gerador, − o rendimento de uma central hidroeléctrica situa-se em torno dos
80%.
No que diz respeito à disponibilidade anual do recurso hídrico, esta depende da
quantidade de água disponível para turbinar, realçando-se como factores
determinantes o tipo de bacia hidrográfica ou a pluviosidade.
Em termos de albufeira, a barragem de Alqueva é a maior de Portugal,
constituindo o maior lago artificial da Europa, com uma área de 250 km2. Em
termos de produção de energia eléctrica, a maior barragem nacional situa-se
no Alto do Lindoso, Ponte de Lima, com uma potência total instalada de
630 MW (contra os 259,2 MW da barragem do Alqueva), o que origina uma
produção, em ano médio, de 948 GWh de energia eléctrica, [26, 27].
As centrais hidroeléctricas podem ser classificadas, quanto à potência instalada
em:
• Grandes Centrais Hidroeléctricas;
• Pequenas Centrais Hidroeléctricas: potência instalada inferior a 10 MW;
• Mini-Hídricas: potência instalada inferior a 2 MW;
• Micro-Hídricas: potência instalada inferior a 0,5 MW.
Em relação às vantagens e desvantagens da energia hidroeléctrica, estas são:
Vantagens:
• Energia limpa: não se queimam combustíveis para se produzir energia;
• Retenção de água a nível regional que pode ser utilizada, se potável,
para fins variados (rega, turismo, por exemplo);
7
7
Fontes de Energia Renovável
•
•
•
Possível regulação do fluxo de inundações de um rio;
Baixo custo de produção, se excluído o custo de construção;
Vida longa: os empreendimentos atingem facilmente 50 a 100 anos;
Desvantagens
• Alteração dos Ecossistemas: a construção de centreis hidroeléctricas
origina albufeiras, de maiores ou menores dimensões, que podem
originar o alagamento de terras e o deslocamento das populações
ribeirinhas;
• Efeito de Estufa: árvores submersas geram gases tóxicos.
2.2 Energia Eólica
Aproveitar a incidência de vento numa estrutura apropriada é o princípio básico
que é explorado para a produção de energia eléctrica a partir da energia eólica.
Esta forma renovável de produção de energia é bastante utilizada em países
onde o vento abunda, sendo este tipo de aproveitamento também muito
utilizado em Portugal.
A formação de vento fica a dever-se ao deslocamento de massas de ar devido
às diferenças de pressão atmosférica entre duas regiões distintas. A
intensidade do vento é influenciada, entre outras coisas, pela superfície ou
rugosidade da superfície terrestre. Quanto às diferenças de pressão, estas têm
origem térmica, estando directamente relacionadas com a radiação solar e os
processos de aquecimento das massas de ar.
1% a 2% da energia proveniente do sol, cerca de 1,74x1014 kWh, [28], é
convertida em energia cinética dos ventos, valor bastante superior a outro tipo
de energias alternativas, como p. ex., a energia convertida em biomassa
(0,011%).
A energia eólica é desde há muito aproveitada através de aeromotores para,
p. ex., accionar bombas para extracção de água em poços, mas, nos dias de
hoje, é sobretudo utilizada para produzir energia eléctrica com recurso a
aerogeradores.
Um aerogerador é constituído por uma turbina eólica acoplada a um gerador
eléctrico. A quantidade de energia que é transferida do vento para o rotor da
turbina eólica depende de vários factores, tais como a densidade do ar (quanto
mais pesado ou denso o ar for, maior será a quantidade de energia transferida
para a turbina, a área de varrimento (área da circunferência desenhada pelas
8
8
Fontes de Energia Renovável
pás da turbina) e pela direcção e velocidade do vento. Este último factor é
extremamente variável no tempo, dependendo ainda de diversos factores, tais
como a rugosidade do terreno, a presença de obstáculos, fenómenos de
turbulência, entre outros.
A intensidade e a direcção do vento são dos factores mais importantes para o
aproveitamento eólico. A potência associada à energia cinética do vento, ao
atravessar uma superfície S, é dada por, [19, 28]:
= ∙ ∙ ∙ (2.2)
Na equação (2.2), é a densidade do ar (1,225 Kg/m3 ao nível do mar e à
temperatura de 15ºC), e é a velocidade do vento (m/s).
No entanto, a potência do vento não é inteiramente aproveitada pelo
aerogerador. Deste modo, para o cálculo da potência é introduzido um
coeficiente de potência , que é uma medida da fracção da potência que é
aproveitada, [19].
= ∙ ∙ ∙ ∙ (2.3)
Introduzido pela Teoria de Betz, o coeficiente caracteriza o nível de
rendimento de uma turbina eólica. O limite de Betz indica que apenas é
recuperado um máximo de cerca de 59% da energia do vento, para os
melhores geradores eólicos, pelo que o máximo teórico de é de
aproximadamente 0,59. Um valor típico para é de 0,4, [19].
De acordo com uma estimativa divulgada pela Direcção Geral de Energia e
Geologia (DGGE), [29], cerca de 4% do consumo final de electricidade provém
da produção de energia eléctrica com origem eólica. No entanto, e de acordo
com essa mesma estimativa, é espectável que até 2010 a produção de energia
com origem eólica represente 15% do total nacional de energia produzida.
A instalação de parques eólicos em Portugal teve o seu início no ano de 1988,
em Santa Maria, Açores, tendo atingido um crescendo exponencial nos últimos
anos. Como dados exemplificativos, [28], atendamos aos gráficos da figura 2.1.
O gráfico da esquerda indica o número de geradores, parques e a potência
eólica instalada nos últimos anos, enquanto que o gráfico da direita indica os
distritos portugueses com maior potência eólica instalada.
9
9
Fontes de Energia Renovável
Figura 2.1 – Desenvolvimento Eólico em Portugal.
A nível mundial, existem turbinas cuja potência pode alcançar os 5 MW e
alturas superiores a 128 metros. Quanto ao nosso país, existem parques
eólicos cuja potência combinada ultrapassa os 50 MW. Se em Portugal a
produção de energia eléctrica com origem eólica representa 6% do total da
energia produzida (dados de 2007), [28], em países como a Dinamarca cerca
de 23% da energia eléctrica consumida provém deste tipo de produção
energética.
O aproveitamento eólico pode ser classificado de diversas formas, tais como:
• Quanto à Dimensão:
o Grandes Eólicas;
o Minieólias: Potências até 50 kW;
o Microeólicas: Potências até 0,5 kWh.
• Quanto à utilização:
o Onshore: utilização em terra;
o Offshore: utilização no mar.
• Quanto ao Tipo de Turbina:
o Turbinas de Eixo Horizontal: usualmente utilizadas no topo dos
montes;
o Turbinas de Eixo Vertical: usualmente utilizadas em planícies.
Em relação às vantagens e desvantagens da energia eólica, estas são:
Vantagens
• Diminuição da dependência energética do petróleo;
• Contribui para uma forte diminuição das emissões poluentes;
• Distribuição da riqueza em zonas carenciadas: acrescenta valor a áreas
em que o desenvolvimento económico não apresenta quaisquer
perspectivas.
10
10
Fontes de Energia Renovável
Desvantagens
• Imprevisibilidade na produção de energia: a intensidade do vento não é
uma certeza, nem tão pouco constante;
• Não garantem a potência necessária: não dispensa a instalação de outro
tipo de centrais.
2.3 Energia Solar
O Sol é a fonte de vida e a origem das mais diversas formas de energia que o
homem tem utilizado desde os primórdios da sua existência. Tendo uma
duração de vida estimada em 5 biliões de anos, o Sol é considerada uma fonte
de energia inesgotável, capaz de poder suprimir todas as necessidades
energéticas, quando o desenvolvimento tecnológico o permitir, e caso
consigamos compreender e aprender como aproveitar a sua luz de forma
racional.
À energia emitida pelo Sol dá-se o nome de “Radiação Solar”. Sabendo-se que
a superfície do Sol é capaz de atingir temperaturas na ordem dos 6000 K, a
energia que é irradiada para o espaço para atingir a Terra tem uma intensidade
aproximada de 1373 W/m2, [30].
A energia recebida através da radiação solar emanada pelo Sol para a
atmosfera terrestre, num dia de céu limpo, é de aproximadamente 1000 W/m2,
o que corresponde, em termos anuais, a 1,74x1014 kWh, [30], de energia. A
radiação solar média incidente sobre o sistema Terra/Atmosfera reparte-se do
seguinte modo (tabela 2.1):
Percentagem
Média
Descrição dos Níveis de Radiação
19%
Perdida por absorção das moléculas de oxigénio e ozono da
radiação ultravioleta na estratosfera, incluindo as nuvens. Aqui, a
temperatura cresce com a altitude.
6%
Perdida por difusão da luz solar de menor comprimento de onda (os
azuis e os violetas. Esta difusão é a responsável pelo azul do céu.
24%
Perdida por reflexão, sendo que 20% é nas nuvens, e 4% na
superfície. A razão entre a energia luminosa reflectida e a energia
total que é perdida pelo planeta é de 30% (24% + 6%)
51%
Radiação Solar absorvida pela superfície terrestre.
Tabela 2.1 – Níveis Médios de Radiação Solar Incidente.
11
11
Fontes de Energia Renovável
Os valores apresentados na tabela 2.1 podem ser complementados com a
figura 2.2, [31],, sendo que a mesma ilustra as diferentes formas de radiação
incidentes sobre a superfície terrestre.
Figura 2.2 – Distribuição percentual da radiação solar incidente.
É de referir que, mesmo em dias nublados, a radiação solar disponível é cerca
de 30% da energia emanada pelo Sol que atinge a superfície terrestre em dia
de céu limpo. De uma forma genérica, considera-se
se a existência de três
componentes de radiação solar, [30],, que em seguida se enumeram:
• Radiação Directa:
Directa: radiação que atinge a superfície, oriunda
directamente do Sol. Representa cerca de 70% do total da radiação
emanada;
• Radiação Difusa:: radiação desviada pelas nuvens e poeiras suspensas.
Representa cerca de 28% do total da radiação;
• Radiação Reflectida:
Reflectida: radiação que atinge a superfície terrestre, após
ter sido reflectida por uma outra superfície. Representa cerca de 2% do
total da radiação emanada.
emanada
Portugal é dos países europeus, depois de Grécia e Espanha, que maior
exposição solar recebe anualmente, com valores a rondar os
1650 150 kWh/m2, reunindo desta forma excelentes condições para o
aproveitamento
o da energia solar (figura 2.3).
2.3
12
12
Fontes de Energia Renovável
2
Figura 2.3 – Níveis de radiação solar anuais, em kWh/m .
Em termos de horas, o número médio anual de exposição solar em Portugal
varia entre as 2300 horas, região Norte, e as 3000 horas, região do Algarve. Na
figura 2.4, [32], pode-se constatar os níveis de horas médias de exposição
solar nacional:
Figura 2.4 – Níveis de radiação solar anuais em Portugal, em horas.
Em termos energéticos, a exposição solar tem sido mal aproveitada em
Portugal, com um total estimado de 100.000 m2, em 2008, [30], de colectores
13
13
Fontes de Energia Renovável
solares térmicos, números claramente inferiores aos que alguns países
europeu apresentam, mesmo com condições solares inferiores. Um bom
exemplo disso é a Alemanha, cuja exposição solar, em horas, varia entre 1200
e 1700 horas, e cujo aproveitamento solar é claramente superior ao português.
Os principais entraves para o desenvolvimento desta área nos últimos anos,
justificativa para um aproveitamento tão baixo da energia solar, foram o
elevado investimento inicial, a insuficiência de incentivos e a carência de
regulamentação ou normas de qualidade para o sector. Outro dos entraves ao
desenvolvimento da energia solar, e em especial à energia solar térmica, devese ao descrédito quase absoluto neste tipo de equipamentos em Portugal,
originado pela ambição desmedida de alguns comerciantes oportunistas da
década de 80, com péssimas instalações, numa altura em que existia alguma
euforia nesta área de negócio.
Embora o sol seja a maior fonte de energia disponível na Terra, nem toda a
energia irradiada é passível de ser aproveitada directamente pelo homem. Para
que tal possa acontecer, é necessário utilizar tecnologias que efectuem a
conversão da energia do Sol em outras formas de energia. De grosso modo,
pode afirmar-se que existem basicamente duas formas de aproveitamento da
energia solar: o “Aproveitamento Solar Passivo” e o “Aproveitamento Solar
Activo”.
• Aproveitamento Solar Passivo: é aquele que resulta do
aproveitamento directo da incidência franca da radiação solar nos
objectos para aquecimento, não requerendo para tal nenhum dispositivo
de captação solar. Como exemplo desse tipo de aproveitamento refirase o que resulta dos cuidados com arquitectura dos edifícios,
nomeadamente, com os materiais utilizados na sua construção, na sua
orientação, na utilização correcta dos espaços vidrados tendo em vista
maximizar a radiação que passa para o interior, etc. Em Portugal, e
contrariamente ao que acontece em países com climas extremos, as
necessidades de aquecimento (Inverno), e de arrefecimento (Verão)
tendem a ser muito menores, e menores ainda seriam se a arquitectura
e a construção das habitações tornassem o comportamento dos edifícios
apropriados ao clima, efectuando desta forma um melhor
aproveitamento solar passivo.
• Aproveitamento Solar Activo: resulta na conversão directa da radiação
solar em outras formas de energia, tais como o calor (aproveitamento
solar térmico), ou energia eléctrica (energia solar fotovoltaica). Para tal
são necessários equipamentos especiais, tais como convectores solares
no caso da energia solar térmica e painéis fotovoltaicos no caso da
energia solar fotovoltaica.
14
14
Fontes de Energia Renovável
Se a energia solar pode ser aproveitada de duas formas distintas, a sua
conversão pode ser efectuada de duas formas: “Solar Térmica” e “Solar
Fotovoltaica”.
• Energia Solar Térmica: consiste na conversão da radiação solar em
calor, ou energia térmica. Este tipo de energia recorre a colectores
solares térmicos, podendo ser utilizada para aquecimento de águas
sanitárias, para refrigeração ou simplesmente para ser armazenada, e
utilizada à posteriori.
• Energia Solar Fotovoltaica: resulta da conversão da radiação solar em
energia eléctrica, recorrendo a painéis solares fotovoltaicos para
efectuar essa conversão. Com a possibilidade de instalação poder
ocorrer nos mais variados locais, podendo ir desde habitações a locais
remotos, ligados ou não à rede eléctrica, esta tecnologia é uma mais
valia na produção de energia eléctrica de forma renovável.
As energias solar térmica e fotovoltaica são objecto de um estudo mais
detalhado nos capítulos 3 e 4.
Em relação às vantagens e desvantagens da energia solar, estas são:
Vantagens
• Energia não poluente na sua utilização: apenas existe poluição no
fabrico dos equipamentos;
• Manutenção reduzida;
• Ideal em locais remotos ou de difícil acesso: a capacidade de instalação
de sistemas solares, associado à cada vez maior rentabilidade dos
mesmos, não obriga a enormes investimentos em linhas de transmissão.
Desvantagens
• Energia consumida na produção: é possível que a energia consumida na
produção seja mais elevada que a energia gerada pelo sistema, [3];
• Elevado preço: os preços praticados ainda são muito elevados em
comparação com outros meios de energia;
• Variação da energia produzida: a energia produzida varia de acordo com
as condições atmosféricas, sendo que à noite não existe produção de
energia;
2.4 Armazenamento de Energia
As necessidades de energia eléctrica não são constantes ao longo do tempo. O
excesso de produção em alturas de pouca procura pode ser aproveitado para
15
15
Fontes de Energia Renovável
carregar dispositivos de armazenamento de energia, contribuindo para o
fornecimento de energia em alturas de elevada procura. O armazenamento de
energia permite melhorar o rendimento e a fiabilidade do sistema eléctrico,
reduzindo as necessidades em termos de reservas para garantir os picos
potência e permitindo uma melhor utilização da produção. É especialmente
importante quando associado à geração distribuída e às fontes renováveis,
devido às características intermitentes da produção, [20].
Figura 2.5 – Armazenamento de Energia Eléctrica.
O armazenamento da energia produzida durante o dia sempre foi um problema
para a energia solar, visto que se tornava extremamente caro, ou mesmo
inviável para grande parte das aplicações conhecidas. Como vivemos numa
época em que a energia se apresenta essencial para qualquer processo
produtivo, apresentou-se inevitável desenvolver novos métodos de
armazenamento de energia que sejam, simultaneamente, eficientes, amigos do
ambiente e ao mesmo tempo rentáveis.
São diversos os tipos de tecnologias existentes no armazenamento de energia,
indo desde Baterias, Células de Combustível (Fuel Cells), Volantes de Inércia
(Flywells), Super/Ultracondensadores, entre outros, com diferentes tipos de
potências e energias armazenadas.
Figura 2.6 – Comparativo Potência vs Energia, [20].
16
16
Fontes de Energia Renovável
2.4.1 Baterias
As baterias são ainda hoje os armazenadores de energia mais utilizados. São
acumuladores electroquímicos que produzem energia eléctrica através de
processos electroquímicos. Quanto ao rendimento das mesmas, este não se
apresenta o ideal, visto que existe dissipação de calor durante o processo de
carga e descarga das mesmas.
São vários os tipos de baterias existentes no mercado, sendo que dentre elas
se destacam as seguintes:
• Chumbo/Óxido de Chumbo (Chumbo/Ácido): muito utilizadas na
indústria automóvel, na alimentação dos sistemas de arranque,
iluminação ou ignição;
• Cádmio/Óxido de Níquel (Níquel/Cádmio): apresentam correntes
eléctricas muito altas, potencial quase constante, capacidade de operar
a baixas temperaturas e vida útil longa. No entanto, o custo de produção
destas baterias é bastante superior ao das baterias de chumbo/ácido;
• Hidretos Metálicos/Óxido de Níquel;
• Iões de Lítio: muito utilizadas em equipamentos electrónicos portáteis,
devido à capacidade de recarga das mesmas, ou à sua capacidade de
carga. Tem o dobro da capacidade de carga das baterias de Níquel.
Figura 2.7 – Esquema Ilustrativo de uma bateria, [33].
Em termos de vantagens e desvantagens das baterias, temos:
Vantagens
• Custo: as baterias ácidas são as que apresentam menor custo por hora
do watt;
• Durabilidade e segurança do produto: tecnologia já há muito tempo
conhecida e desenvolvida;
• Baixos custos de manutenção.
17
17
Fontes de Energia Renovável
Desvantagens
• Problemas ambientais: os materiais empregues na fabricação das
baterias são propícios a causar problemas ambientais;
• Ciclo de vida das baterias: ainda não são muito elevados, com especial
destaque para as baterias ácidas (curtos) e para as baterias de
Níquel/Cádmio ou Hidretos Metálicos de Níquel (médios);
• Limitado número de ciclos de descarga;
• Densidade de energia não muito elevada
2.4.2 Pilhas de Combustível
Um outro tipo de armazenadores são as pilhas de combustível, também
conhecidas por fuel cells.
Neste tipo de equipamentos, a energia eléctrica é armazenada em
reservatórios de hidrogénio, podendo ser recuperada através de um processo
electroquímico. A vida útil das pilhas de combustível varia entre 5 a 10 anos.
Em termos de vantagens e desvantagens das pilhas de combustível, temos:
Vantagens
• Valores reduzidos de emissões de gases para a atmosfera, quer de CO2
ou de NOx (Óxido de Azoto), devido à maior eficiência no processo de
produção;
• Calor libertado pode ser aproveitado para produção de energia;
• Sistemas podem ser usados como fonte de energia principal, ou de
backup;
• Autonomia: depende da quantidade de hidrogénio/combustível que é
possível armazenar;
• Reduzidos custos de manutenção.
Desvantagens
• Custo elevado;
• Ausência de rede de distribuição de hidrogénio, especialmente em
relação aos transportes;
• Tempo de vida relativamente baixo, embora superior ao das baterias.
2.4.3 Ultra Condensadores
18
18
Fontes de Energia Renovável
Bastante diferentes das baterias, mas com semelhantes
desempenhados, encontram-se os ultracondensadores.
papéis
Os ultracondensadores são dispositivos electrónicos que cobrem uma gama de
aplicações entre os condensadores convencionais e as baterias. Tal como as
baterias, são também capazes de armazenar energia, e de a devolver em
seguida. No entanto, a energia sob a forma de um campo eléctrico, ao invés
das baterias, onde ocorrem transformações químicas na carga e descarga das
mesmas.
A energia capaz de ser armazenada num ultra condensador é dada pela
expressão (2.4):
= ∙ ∙ (2.4)
Com a capacidade do condensador e a tensão de funcionamento.
Quanto à capacidade de energia possível de ser armazenada num
ultracondensador, actualmente esta encontra-se na casa dos 50 Wh/Kg. Uma
comparação entre a carga e a descarga dos condensadores e das baterias
pode ser vista na figura 2.9, [34]:
Figura 2.8 – Comparação Carga/Descarga de Condensadores vs Baterias.
Em termos de vantagens e desvantagens dos ultracondensadores, temos:
Vantagens
• Elevada corrente e potência que fornecem;
• Número de ciclos de cargas e descargas muito elevado;
• Rendimento elevado: a rondar os 90% e os 95%;
• Manutenção reduzida;
• Fabricação não utiliza materiais tóxicos;
• Utilização de materiais mais baratos.
19
19
Fontes de Energia Renovável
Desvantagens
ensão eléctrica produzidos relativamente baixos;
• Valores de tensão
• Auto-descarregam
descarregam-se mais rapidamente que as baterias.
2.4.4 Volantes de Inércia
nércia, ou flywheels, armazenam energia
gia cinética numa massa
Os volantes de inércia,
que roda a grande velocidade. Os equipamentos mais recentes utilizam rotores
de materiais compósitos (fibra de carbono) e rodam em câmaras de vácuo,
para que o atrito seja mínimo. O motor eléctrico que faz rodar o cilindro permite
também produzir electricidade nas desacelerações. Para se calcular a energia
cinética
ética armazenada pela massa do volante de inércia,
inércia, recorre-se
recorre
à seguinte
expressão:
" = ∙ ∙ #
(2.5)
Onde é o momento de inércia do volante e # a velocidade de rotação do
mesmo. Para se calcular o momento de inércia , temos a seguinte expressão:
= ! ∙ ∙ $
(2.6)
Onde ! é a constante de inércia do volante, estando esta dependente da sua
geometria, a massa, e $ o raio.
Figura 2.9
2. – Imagem ilustrativa de uma flywheel, [35].
Em termos de vantagens e desvantagens dos volantes de inércia, temos:
Vantagens
• Reduzida dimensão;
20
20
Fontes de Energia Renovável
•
•
•
•
•
•
Tempos de carga muito rápidos;
Elevadas potências instantâneas: as potências/correntes apenas se
encontram limitadas à secção dos condutores do estátor;
Tempos de vida elevados;
Sistema não poluente;
Equipamentos muito robustos e de baixa manutenção;
Rendimentos elevados: a rondar os 90% a 95%.
Desvantagens
• Pouca resistência a choques mecânicos intensos;
• Tensão de saída com grandes variações de amplitude e frequência;
• Custo elevado:
• Perdem potência rapidamente (comparado com baterias).
21
21
Energia Solar Térmica
3 Energia Solar Térmica
A energia solar térmica aproveita a energia do Sol para aquecimento de águas,
apresentando um elevado potencial, quer ao nível residencial − com o
aquecimento de águas quentes sanitárias (AQS) ou o aquecimento de piscinas,
− quer ao nível industrial.
Obtida através da transformação directa e eficiente da radiação solar em
aquecimento de águas, a energia solar térmica utiliza colectores solares
térmicos, cujo principal objectivo é o da conversão dos raios solares em calor.
Para além da transformação da radiação solar em calor, o conjunto solar
térmico tem ainda como intuito o de armazenar adequadamente a água
aquecida, bem como de a fornecer convenientemente, quer em temperatura ou
em pressão. Para que tal seja possível, são utilizados depósitos termicamente
isolados, sendo a partir destes retirada a água quente para utilização.
As primeiras utilizações residenciais de painéis solares para aquecimento de
águas data de 1890, na Califórnia, Estados Unidos. O recurso a esta tecnologia
deveu-se aos maiores benefícios que estes sistemas apresentavam em relação
a outros sistemas, tais como o carvão ou a madeira, para além de
apresentarem custos bem mais apetecíveis. Pouco depois, por volta de 1897,
cerca de 30% das habitações de Pasadena, cidade próxima de Los Angeles,
encontravam-se já equipadas com painéis solares, sendo que pessoas de
muitos outros estados dos Estados Unidos se renderam a esta tecnologia, tais
os progressos e melhorias introduzidas. No entanto, por volta de 1920, os
sistemas solares foram substituídos por equipamentos que usavam
combustíveis fósseis, depois da descoberta de depósitos subterrâneos de
petróleo e gás natural, o que tornou o preço desta matéria-prima bem mais
acessível.
Sabendo que mais de 20% da energia utilizada nas habitações dos
portugueses se deve exclusivamente ao aquecimento de águas sanitárias,
correspondendo a aproximadamente a 5% da energia primária consumida no
nosso país, o recurso à tecnologia solar térmica começa a tornar-se cada vez
mais atractiva. Em instalações ao nível residencial, o recurso a um sistema
solar térmico permite reduzir até 80% dos custos existentes com o
aquecimento de água sanitárias.
22
22
Energia Solar Térmica
Figura 3.1
3. – Necessidades energéticas para AQS.
Como se pode constatar através da figura 3.1, grande parte das necessidades
energéticas para aquecimento de águas quentes
q
sanitárias são suprimidas
supri
com
o recurso a sistemas solares térmicos, sendo mesmo que nos meses de Verão
(Julho e Agosto) a energia fornecida pelos sistemas solares é superior às
necessidades para aquecimento das AQS. Em termos médios, um sistema
solar térmico suprime 70% das necessidades energéticas para aquecimento
das AQS.
Quando as águas sanitárias são aquecidas electricamente, o custo de
aquecimento das mesmas pode ser facilmente calculado.
calculado. Para tal, atenda-se
atenda
às seguintes considerações:
• Em termos médios, um banho de água corrida de 10 minutos gasta 90
litros de água;
• A quantidade de calor
c
(Q)) necessária para aquecer uma massa de água
(m), é dada por:
' = ∙ % ∙ *+, - + .
%/0
(3.1)
com % o calor específico da água (1
( cal/gºC), e +,, as temperaturas finais e
iniciais, respectivamente. Sabendo que 1 litro de água equivale a 1 kg, ou seja,
90 litros de água
gua equivalem a uma massa de 90 kg.. Usualmente é considerada
a temperatura inicial de 20ºC, sendo que a temperatura final pretendida para
pa
um banho quente, no acumulador, ronda os 70ºC.
Com os dados anteriormente referidos aplicados à equação (3.1),
(3.1) pode-se
afirmar que, para um banho médio de 10 minutos, é necessário uma
quantidade de calor de 4,5
4 3 106 %/0. No entanto, e para se calcular o custo de
um banho, é necessário efectuarem-se
efectuarem se algumas conversões, tais como as se
descrevem nas seguintes equações:
'() = ' ∙ 4,186
9:;0<=
(3.2)
23
23
Energia Solar Térmica
>
?@ABC
;=+: = ,63D
E 3 €)""GG
€
(3.3)
Com €)""GG a ser o custo do kWh, sendo este de 0,1272€, [36], para o
aquecimento eléctrico da água para um banho com duração de 10 minutos
gastar-se-ia 0,67€. Por outro lado, o recurso a um bom sistema solar térmico
possibilita reduzir drasticamente o custo com aquecimento de águas sanitárias,
podendo essa redução atingir os 70%, ou seja, no exemplo anterior a
poupança atingiria 0,47€ por banho.
De um modo geral, a produção de águas quentes, recorrendo a sistemas
térmicos, tem como aplicações mais comuns as que em seguida se enumeram:
• Produção de águas quentes sanitárias em habitações, individuais ou
colectivas;
• Na saúde, tal como em hospitais, clínicas, lares, entre outros;
• No turismo, quer em hotéis ou parques de campismo;
• No desporto, para aquecimento de águas em piscinas ou ginásios;
• Na indústria, com a produção de vapor para produção de electricidade
ou água quente;
• Dessalinização e destoxificação de águas.
Tal como referido nos pontos anteriores, os sistemas solares térmicos não são
usados exclusivamente para aquecimento das AQS. Existem outras
possibilidades, tais como as áreas que em seguida se enumeram:
• Aproveitamento a baixa temperatura (+ < 90º): aplica-se
essencialmente ao aquecimento das AQS;
• Aproveitamento a média temperatura (+ < 300º): a principal
aplicação ocorre nas indústrias;
• Aproveitamento a altas temperaturas (+ > 500º): utilização baseia-se
essencialmente na produção de electricidade, por conversão térmica.
As vantagens e desvantagens da energia solar térmica, estas são:
Vantagens
• Abundância de períodos de Sol existente em Portugal;
• Após recuperação do investimento inicial (estimado em 4 a 8 anos),
produção de água quente sem custos, o que se traduz numa significativa
poupança energética e económica no aquecimento de águas;
• Longevidade do sistema (aproximadamente 20 anos);
• Tecnologia fiável;
• Manutenção barata;
• A tecnologia solar térmica é amiga do ambiente.
24
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Energia Solar Térmica
Desvantagens
• Produção de água quente dependente das condições atmosféricas;
• Primeiro investimento elevado;
• Amortização um pouco demorada (pode ir até 8 anos).
3.1 Componentes de um Sistema Solar Térmico
Um sistema solar térmico é geralmente constituído pelos seguintes
componentes principais, (figura 3.2, [32]):
• Colector solar;
• Depósito de acumulação;
• Grupo de circulação;
• Regulação solar.
Figura 3.2 – Esquema de um sistema solar térmico.
A produção de águas quentes apenas ocorre quando existe radiação solar
suficiente. Quando tal não acontece, é necessário recorrer a sistemas de apoio
ao aquecimento de águas, tais como a resistência eléctrica, a caldeira, entre
outros. Para que melhor possa ser compreendida a constituição de um sistema
solar térmico, atenda-se aos pontos que se seguem.
3.1.1 Colectores Solares Térmicos
Os colectores solares são o elemento chave de um sistema solar térmico.
Essencialmente são compostos por uma placa metálica enegrecida, sobre a
qual se encontram fixos tubos de cobre, sendo no interior destes que circula o
líquido solar, usualmente uma mistura de água com glicol (15% a 30%). O
conjunto é embutido numa caixa metálica, que na sua face mais visível possui
25
25
Energia Solar Térmica
um vidro absorsor, cuja missão é a de permitir a passagem da radiação solar e
a de minimizar as perdas de calor para o exterior.
Devido à extrema importância que os colectores solares têm no conjunto
“sistema solar térmico”,
érmico”, é primordial escolher um bom colector para que a
rentabilidade do conjunto seja a mais elevada possível. Assim sendo, os
principais critérios a considerar na escolha do
d colector solar são:
• Custo;
• Produção energética (selectividade) à temperatura de funcionamento;
• Durabilidade e qualidade;
• Possibilidade de integração arquitectónica.
São diversos os tipos de colectores solares térmicos existentes no mercado,
diferindo na protecção térmica que utilizam, na utilização para que estão
destinados, ou mesmo nas diferentes temperaturas de utilização. Os principais
tipos de painéis solares comercializados são:
são
• Colector sem
em Cobertura:
Cobertura utilização primordial onde a temperatura
requerida não é muito elevada (p. ex. aquecimento de piscinas);
• Colector Plano:: os mais utilizados, maioritariamente em habitações;
• Colector Concentrador (CPC):: utilizados em aplicações que requerem
temperaturas de águas elevadas;
eleva
• Colector de Tubos de Vácuo (Colector Tubular):
): são os que
apresentam menores perdas térmicas
térmicas e o rendimento mais elevado.
A figura 3.3 mostra a temperatura de aquecimento de águas nos diferentes
tipos de painéis solares. Esta temperatura de aquecimento
aquecimento é dada pela
diferença de temperaturas, entre a atingível pelo colector e a ambiente, onde o
colector se encontre instalado.
Figura 3.3 – Temperaturas de aquecimento de águas pelos Colectores.
A escolha do tipo de colector a utilizar varia com a aplicação pretendida,
embora as considerações de natureza económica sejam as que mais pesam na
escolha dos equipamentos. No entanto, existem outras considerações a se
26
26
Energia Solar Térmica
terem em conta, tais como o rendimento, a protecção
protecção térmica, a utilização ou a
temperatura que se deseja atingir.
3.1.1.1 Colectores sem Cobertura
Os colectores solares
olares sem cobertura têm a sua primordial utilização em
aplicações que não requerem temperaturas muito elevadas, como é o caso do
aquecimento de piscinas, cujas temperaturas de aquecimento rondam, em
média, os 25ºC. São constituídos
onstituídos normalmente por tubos de metal, ou plástico,
plástico
pintados de negro, no interior dos quais circula o fluido térmico (como tem
utilização em circuito directo, o fluído térmico é, usualmente, a água de
consumo). Este
ste tipo de colectores tem
m como principal característica a
inexistência de isolamento adicional
adicion dos tubos.
As vantagens dos colectores
olectores sem coberturas,
oberturas, estas vão desde a boa captação
da radiação solar, a simplicidade de construção ou o custo (são os mais
baratos de todos os tipos de colectores solares). As desvantagens têm a ver
com o ganho de temperatura
peratura reduzido (no
( máximo entre 20ºC e 30ºC acima da
temperatura ambiente), e as perdas térmicas (mais acentuadas em zonas
ventosas).
A constituição física deste tipo de colectores solares é ilustrada pela
pel figura 3.4,
[37]:
Figura 3.4 – Constituição física de um colector sem cobertura.
obertura.
3.1.1.2 Colectores Planos
Os colectores solares
olares planos têm a sua principal utilização no aquecimento
de águas quentes sanitárias em habitações, embora também possam ser
utilizados para aquecimento de habitações, ainda que em menor escala,
escala e com
resultados pouco satisfatórios.
satisfatórios A temperatura típica atingida com este tipo de
27
27
Energia Solar Térmica
olector ronda os 70ºC acima da temperatura ambiente. A composição deste
colector
tipo de colectores assenta nos
n seguintes componentes:
• Caixa isoladora: plana, isolada, em alumínio, sendo que em três das
suas faces se encontra enegrecida, de forma a maximizar
aximizar a absorção de
energia;
• Cobertura da caixa:
caixa em vidro, transparente à radiação visível e opaca à
radiação infravermelha longínqua;
• Tubagem:: encontram-se
encontram
fixa à caixa isoladora,, com configuração em
serpentina ou tubos dispostos em paralelo, sendo no interior desta
dest que
circula o fluído térmico,
térmico, normalmente o glicol. Este fluído recebe o calor
absorvido pela caixa e tubagem através de um processo de condução;
• Isolamento:: as paredes exteriores da caixa do colector devem ser
isoladas recorrendo a um material
mater térmico, (p.
p. ex. lã de vidro),
vidro de forma
a diminuir as perdas por condução.
caixa isolante + vidro transparente”
transparente tem como principal objectivo
O conjunto “caixa
provocar o efeito de estufa, o que permite aumentar o rendimento do colector,
reduzindo as perdas de calor. Um outro objectivo deste conjunto centra-se
centra
na
estanquicidade, impedindo a entrada de materiais nocivos ao equipamento, tais
como água das chuvas, materiais sólidos, poeiras, entre outros. O aspecto e
constituição de um colector
olector plano pode ser visto na figura 3.5, [37]:
[37
Figura 3.5
5 – Aspecto e constituição de um colector plano.
3.1.1.3 Colectores Concentradores (CPC)
Os colectores concentradores apresentam como principal diferença para um
colector plano a geometria do absorsor. A área absorsora é constituída por
duas alhetas unidas a um tubo, sendo estas colocadas sobre uma superfície
parabólica reflectora (figura 3.6).
3.6) Quando o Sol incide nas alhetas,
hetas, os raios são
reflectidos para os tubos, o que faz com que aqueça o fluído térmico de
transporte.
28
28
Energia Solar Térmica
A superfície reflectora deve ser muito bem conseguida para que alcance uma
boa eficiência energética.
energética A maximização do rendimento é um aspecto
importante neste tipo de colectores, de forma a serem
m competitivos,
competitivos visto que
apresentam custos superiores relativamente aos colectores solares planos.
Como sistemas mais simples temos os concentradores parabólicos, cuja forma
form
é cilíndrica e alongada, permitindo concentrar a radiação solar incidente antes
de esta chegar ao absorsor.
absor or. São usualmente constituídos por uma encurvada
superfície espelhada, cuja função é encaminhar os raios solares para um tubo
de absorção, (figura 3.6, [37]).
Figu 3.6 – Colector concentrador parabólico.
Figura
De forma a se aproveitar esta tecnologia, encontra-se
encontra se em estudo a construção
de centrais solares térmicas,
térmicas também denominadas de CSP, para produção de
energia eléctrica (figura 3.7).
Figura 3.7 – Centrais CSP.
O princípio de funcionamento destas novas centrais solares baseia-se
baseia
na
recepção do calor dos raios solares por parte de colectores térmicos,
térmico sendo
estes reflectidos por espelhos e captados por uma torre receptora. O calor é
29
29
Energia Solar Térmica
usado para aquecer um fluído, normalmente sal liquefeito, sendo este
transportado até reservatórios a altas temperaturas, onde permanece. Para
geração de electricidade, o fluído é conduzido até um gerador, sendo as pás
das turbinas movimentadas devido ao vapor que o fluído emana. De forma a se
alcançar o melhor ângulo de captação da luz do Sol e do calor da radiação
solar, o conjunto de espelhos é móvel. Com um funcionamento idêntico ao das
centrais termoeléctricas, a simplicidade de fabrico das células e a não
produção de poluição atmosférica tornam este tipo de centrais bastante
apetecível.
3.1.1.4 Colectores de Tubos de Vácuo
Graças ao seu elevado rendimento, a instalação de colectores de tubos de
vácuo em locais onde a radiação solar é baixa é a ideal. Este tipo de
colectores possui poucas perdas, permitindo atingir temperaturas superiores a
120ºC no interior dos tubos.
São geralmente compostos por tubos de vidro transparente (tubos de vácuo),
que no seu interior contêm tubos metálicos, usualmente de cobre enegrecido. A
colocação do absorsor no interior do tubo deve ser efectuada com um cuidado
extra, de forma a ser aspirado todo o ar entre os dois componentes. Tal medida
assegura uma hermeticidade perfeita e durável.
Quanto ao funcionamento destes sistemas, baseiam-se na absorção da
radiação solar e difusa, aproveitando da melhor forma a colocação do tubo de
cobre enegrecido no interior do tubo de vácuo. Devido à sua forma cilíndrica,
os raios solares incidem na perpendicular ao tubo, eliminando o efeito de
reflexão. É no interior do tubo enegrecido circula o líquido solar, que vaporiza
com o calor. A colocação destes tubos de cobre enegrecidos no interior dos
tubos de vácuo apresenta-se estratégico, de forma a minimizar as perdas
térmicas para o exterior, sendo que no interior destes a pressão do ar é muito
reduzida, impedindo a troca de calor por convecção. Quando aquecido, o
liquido solar sobe até ao ponto mais alto do tubo, local onde se encontra
colocado o condensador. A água fria passa pelos vários condensadores do
colector solar, de forma a absorverem o calor que lhes é fornecido, produzindose desta forma a água quente. O aspecto e a constituição do colector solar de
tubo de vácuo pode ser observado na figura 3.8, [37].
30
30
Energia Solar Térmica
Figura 3.8
3. – Colector de tubos de vácuo.
3.1.2 Depósito de Acumulação
O depósito acumulador
cumulador (figura 3.9, [38]) é também um elemento importante
nos sistemas solares térmicos.
érmicos. A sua principal função é a de armazenar e
manter a água aquecida pelo colector solar, até que a mesma seja necessária
para consumo.
Figura 3.9
9 – Depósitos acumuladores e sua constituição.
Os depósitos acumuladores são normalmente construídos com materiais como
aço vitrificado ou aço esmaltado, enquanto que os isolamentos que os
o
constituem baseiam-se
se em materiais como o poliuterano (possui propriedades
excelentes para evitar perdas térmicas). No interior destes depósitos
encontramos permutadores de calor, ou serpentinas, tubos metálicos
atravessados pelo fluído solar, que transferem o seu calor para as águas do
depósito acumulador. A utilização de depósitos acumuladores com duas
serpentinas é mais vantajosa, embora mais dispendiosa, visto permitirem
manter
ter uma temperatura de água ligeiramente
li
superior. Tal diferença de
31
31
Energia Solar Térmica
temperatura é justificável com a utilização das serpentinas em diferentes níveis
no depósito, com a serpentina colocada na parte superior do depósito a
minimizar o arrefecimento das águas.
A ligação entre o colector e o depósito acumulador é feita através de um
circuito hidráulico que pode apresentar as seguintes configurações:
• Circuito Directo (figura 3.10, [37]):: o fluído solar que circula entre os
colectores solares e o depósito solar é a própria água de consumo.
Neste tipo de sistemas, os depósitos solares
solares apresentam uma
constituição interior mais simples, dispensando, por exemplo, a
colocação de serpentinas.
Figura 3.10
3. – Ilustração do circuito directo.
•
Circuito Indirecto:
Indirecto: entre o colector solar e o depósito acumulador
circula o fluído térmico, normalmente o glicol, sendo essa circulação em
circuito fechado e com permuta térmica para o circuito de consumo
(secundário) num permutador de calor interior ao depósito, (figura 3.11,
[37]):
Figura 3.11
3. – Ilustração do circuito indirecto.
Um dos principais problemas inerentes aos depósitos acumuladores centra-se
centra
na bactéria da legionela, mortal em muitos casos. Visto que esta bactéria se
adapta a locais onde existam águas frias e paradas, é necessário que os
depósitos acumuladores apresentem
apresentem formas de a combater, tal como a
eliminação das zonas frias do acumulador, por choque térmico. Uma outra
32
32
Energia Solar Térmica
possibilidade para evitar o alojamento deste tipo de bactéria é a renovação da
água existente no interior do acumulador após períodos longos de não
utilização das águas sanitárias, recorrendo para o efeito a uma torneira de
esgoto existente na parte inferior do depósito.
3.1.3 Grupo de Circulação
O grupo de circulação (figura 3.12, [38]) é o responsável pela circulação da
água entre o colector e o depósito acumulador, sendo essencial para o bom
funcionamento do sistema. Tipicamente, o grupo de circulação é composto pela
válvula de esfera com termómetro, pela válvula de enchimento, pela bomba de
circulação, pelo regulador de caudal, pelo caudalímetro e pela válvula antiretorno. Visto que todo o sistema se encontra num único bloco, a manutenção
do mesmo encontra-se minimizada, bem como os custos iniciais de instalação.
Figura 3.12 – Grupo de circulação.
O grupo de circulação não é utilizado em todas os sistemas solares, tal como
mais adiante se vai poder perceber. No entanto, os sistemas que utilizam o
grupo de circulação apresentam melhores rendimentos.
3.1.4 Regulação Solar
Os sistemas de regulação solar possibilitam gerir a temperatura de água
quente proveniente do painel solar em função da temperatura de conforto
desejada pelo utilizador final. A utilização deste tipo de equipamentos permite
garantir a estabilidade da temperatura de água pretendida, podendo misturar
água fria sempre que necessário, ou accionar o sistema de apoio. São
essencialmente compostos por válvulas misturadoras termostáticas, que
permitem accionar ou bloquear os sistemas de apoio, mediante a temperatura
pretendida (figura 3.13, [38]).
33
33
Energia Solar Térmica
Figura 3.13 – Regulador solar.
3.2 Tipos de Sistemas Solares
Quando se trata de sistemas solares térmicos para aquecimento de águas
quentes sanitárias, são dois os principais tipos de sistemas utilizados:
utilizados sistemas
de circulação natural, ou termossifão, e os sistemas por circulação
irculação forçada.
3.2.1 Sistema de Circulação por Termossifão
Os sistemas de circulação
irculação natural, ou termossifão,, têm como característica
principal a colocação do depósito acumulador na parte superior do painel solar
térmico. As águas sanitárias são aquecidas com o recurso a um permutador de
calor, por um líquido solar que circula em circuito fechado entre o painel solar e
o depósito acumulador.
O princípio de funcionamento deste tipo de sistemas é bastante simples,
baseando-se
se na alteração da densidade do líquido solar em circulação,
provocada pelas diferentes temperaturas no circuito de ida e retorno.
Concretamente,, águas a temperaturas diferentes apresentam diferentes
densidades, sendo que quanto maior a sua temperatura,
temperatura, menor a sua
densidade. Deste modo, quando a água se encontra aquecida desloca-se
desloca
para
a parte superior do reservatório, empurrando a água com temperatura inferior
para o local onde anteriormente se encontrava. Este ciclo repete-se
repete
sempre
que as diferenças
enças de temperatura o obrigarem. Para que tal princípio seja
válido, um dos requisitos básicos deste tipo de sistemas é a colocação do
depósito acumulador na parte superior da painel solar.
34
34
Energia Solar Térmica
Os sistemas de circulação por termossifão são basicamente constituídos
consti
pelo
colector solar, pelo depósito acumulador, por um vaso de expansão e por
outros pequenos acessórios, essenciais ao bom funcionamento de todo o
sistema solar (figura 3.14
4, [32, 38]).
Figura 3.14
3. – Sistema de circulação por termossifão.
As vantagens/desvantagens
desvantagens dos sistemas por termossifão, temos:
Vantagens
• Simplicidade de projecto:
projecto: apenas é necessário uma tomada de água
junto do sistema solar térmico;
térmico
• Simplicidade de construção;
• Reduzidos custos com a instalação e funcionamento (o sistema não
requer nenhum controlador).
Desvantagens
• Rendimento não é muito elevado (em parte devido à colocação do
depósito);
• Problemas de integração
ntegração arquitectónica.
arquitectónica
3.2.2 Sistema de Circulação Forçada
Mais complexos que os sistemas por termossifão,
ermossifão, os sistemas por circulação
forçada apresentam-se
se mais vantajoso, sobretudo quando os níveis de
radiação são mais baixos.
Na sua constituição (figura 3.15,
3.1 [32, 38]), os sistemas por circulação
irculação forçada
são formados pelo colector
olector solar, pelo depósito acumulador,
cumulador, por uma bomba de
circulação, controlo diferencial,
iferencial, vaso de expansão
xpansão entre outros pequenos
acessórios. A utilização de uma bomba circuladora mostra-se
mostra se necessária para
se efectuar a circulação
culação do fluído,
fluído sendo controlada por um sistema automático
35
35
Energia Solar Térmica
que a activa quando a diferença de temperatura entre o colector e o
reservatório é superior ao definido.
definido
Figura 3.15
3. – Sistema de circulação forçada.
Os sistemas por circulação forçada, temos apresentam as seguintes
vantagens/desvantagens:
Vantagens
• Maior rendimento (comparado com sistema por termossifão);
ermossifão);
• Integração arquitectónica.
Desvantagens
• Custos mais elevados;
• Complexidade do sistema.
3.3 Legislação e Benefícios Fiscais
Ciente de que as questões ambientais têm cada vez maior impacto mundial, o
Parlamento Europeu e do Conselho aprovaram a directiva
irectiva nº2002/91/CE, de 16
de Dezembro de 2002, relativa ao desempenho energético dos edifícios. Esta
directiva estabelece a obrigatoriedade dos estados membros
embros da União
Europeia implementarem um sistema
sistema de certificação energética em todos os
novos edifícios. Na sequência da mesma directiva,
irectiva, o desempenho energético
dos edifícios em Portugal apresentou uma nova legislação, publicada
pub
a 4 de
Abril de 2006, que visa regulamentar o sector da construção
onstrução civil, pode ser
consultada através dos seguintes Decretos-Lei e Portarias:
• RCCTE – “Regulamento
Regulamento das Características do Comportamento Térmico
dos Edifícios”,, com o DL 80/2006;
• RSECE – “Regulamento
Regulamento dos Sistemas Energéticos de Climatização em
Edifícios”,, com o DL 79/2006;
36
36
Energia Solar Térmica
•
SCE – “Sistema Nacional de Certificação Energética”, com o
DL 78/2006;
Os principais objectivos desta nova legislação visam o estabelecimento de
requisitos de qualidade para novos edifícios de habitação e de serviços sem
sistemas de climatização, designadamente ao nível das características do
envolvente (paredes, coberturas, pavimentos e envidraçados).
A aplicação desta nova legislação tem como intuito os seguintes pontos:
• Limitar perdas térmicas, melhorando a eficiência energética;
• Limitar o consumo energético dos edifícios habitacionais, incentivando a
introdução de sistemas eficientes e fontes de energia renovável;
• Atribuição da certificação energética, com controlo e verificação da
instalação.
A nova legislação determina a obrigatoriedade da instalação de colectores
solares térmicos, [Anexo I], e não apenas a sua pré-instalação, em toda e
qualquer nova construção, valorizando ainda a utilização de outras fontes de
energia renovável na determinação do desempenho energético do edifício. É
ainda obrigatório a instalação de sistemas solares térmicos em remodelações,
desde que o valor da remodelação seja superior a 25% do valor do imóvel. No
entanto existem excepções, nomeadamente em situações onde existam
obstruções permanentes com altura superior a 20º (figura 3.16). É no entanto
possível substituir os sistemas solares térmicos por outro tipo de sistemas,
desde que as tecnologias de substituição sejam igualmente tenham a ver com
fontes de energia renovável, e desde que captem uma quantidade de energia
idêntica à energia captada pelos colectores solares. Deste lote de tecnologias
de substituição ficam desde logo excluídas as bombas de calor, painéis
termodinâmicos ou outros sistemas equivalentes, sendo estes sempre
considerados como sistemas de apoio aos colectores solares térmicos. Por fim,
é de se salientar que o controlo e a verificação das instalações ficam a cargo
da SCE, através da ADENE – Agência para a Energia, − que assegura a
aplicação regulamentar. No que diz respeito à supervisão, esta será da
responsabilidade da DGGE – Direcção Geral de Energia e Geologia, − e do IA
– Instituto do Ambiente.
37
37
Energia Solar Térmica
Figura 3.16 – Obstruções permanentes com altura superior a 20º.
Para promover a utilização de sistemas
sistemas solares térmicos, o governo português
p
apresenta incentivos fiscais que visam ir de encontro com o utilizador final
deste tipo de produtos. Deste modo, a aquisição de equipamentos certificados
para energias renováveis, quer para empresas quer para particulares,
apresentam benefícios vários
vá
[Anexo II], e os quais se enumeram:
• IRS – Imposto sobre Rendimento Singular (30% ou valor até 796€);
796
• IRC – Imposto sobre o Rendimento Colectivo;
Colectivo
• IVA – Imposto de Valor Acrescentado;
Acrescentado
• IMI – Imposto Municipal sobre Imóveis.
Imóveis
38
38
Energia Solar Fotovoltaica
4 Energia Solar Fotovoltaica
Quando em 1839 o físico francês Edmund Becquerel expôs à luz duas placas
metálicas mergulhadas num electrólito, tendo originado uma pequena diferença
de potencial, pela primeira vez o efeito fotovoltaico pôde ser observado. Mais
tarde, em 1877, W. G. Adams e R. E. Day construíram a primeira célula solar,
baseando-se em dois eléctrodos de selénio, que produziam uma corrente
eléctrica quando expostos à luz. No entanto, a eficiência destes primeiros
sistemas solares mostrou-se bastante reduzida, na ordem dos 0,5%, pelo que a
descoberta não teve, de imediato, grandes desenvolvimentos.
Para que o desenvolvimento de células solares se tornasse realmente
interessante foi necessária uma completa compreensão dos materiais
semicondutores, e em especial do silício. Em 1954, D. M. Chapin e os seus
colaboradores do Bell Laboratory, com sede nos EUA, publicaram o primeiro
artigo sobre células solares de silício, patenteando nessa altura uma célula
solar com uma eficiência de 6%, uma área de 2 cm2 e uma potência eléctrica
gerada de 5 mW. Deu-se assim início a uma nova era no que diz respeito à
tecnologia solar.
O desenvolvimento de sistemas solares fotovoltaicos a grande escala teve
como objectivo alimentar unidades autónomas para aplicações espaciais, em
particular para satélites artificiais terrestres do programa espacial norteamericano. Actualmente os sistemas solares fotovoltaicos já são utilizados nas
mais variadas aplicações, destacando-se a instalação em locais onde o acesso
à produção clássica de energia é demasiado dispendiosa, ou em locais onde
são exigidos sistemas silenciosos e não poluidores, para além de fornecerem
energia a praticamente todos os satélites de comunicações, defesa ou
pesquisa científica.
O mercado alvo da “electricidade solar” vem-se alterando bastante ao longo da
história da energia solar. Durante muitos anos foram os países do denominado
“terceiro mundo” que a indústria de painéis solares via como mercado
preferencial, tendo como base os dois mil milhões de pessoas sem acesso a
electricidade por se encontrarem demasiado afastados das centrais eléctricas
convencionais. Esse afastamento das centrais convencionais acarretaria custos
incomportáveis para estados pobres e sem recursos. A concretização do
objectivo “terceiro mundo” traduziu-se, de uma certa forma, num fracasso na
medida em que os painéis instalados apresentavam fraca qualidade,
39
39
Energia Solar Fotovoltaica
rapidamente se avariavam, sendo posteriormente abandonados. Há ainda a
referir que a instalação destes mesmos sistemas solares não foi conduzida
pelos estados locais, mas por organizações de ajuda e solidariedade
internacional, sem grandes recursos financeiros para a aquisição dos painéis.
Nos últimos anos a indústria solar foi-se apercebendo que as oportunidades de
negócio se encontravam nos países ricos, muitas vezes nos próprios países
produtores, tais como a Alemanha, os Estados Unidos da América ou o Japão.
Os preços dos sistemas fotovoltaicos continuam a ser o principal entrave à
utilização em massa desta tecnologia. Para que o preço dos equipamentos
deixe de ser um entrave à sua instalação, existem algumas opções que podem
ser consideradas, tal como o aumento do investimento e o esforço no
desenvolvimento tecnológico, ou o estímulo ao aumento de produção. Tanto
uma como a outra solução originariam uma redução do preço marginal do watt
produzido, quer recorrendo a novas tecnologias ou permanecendo com as
tecnologias actuais (baseadas no silício).
Existem duas formas distintas para um aumento de produção a grande escala:
industrialmente, a construção de megafábricas, ou governamentalmente, com a
criação de incentivos apropriados. Existem dois casos modelo no que diz
respeito à iniciativa dos governos, sendo disso exemplos o Japão, com o seu
programa dos 70.000 telhados, e a Alemanha, com a sua “Lei das Energias
Renováveis”.
No caso japonês, o programa de incentivo solar existe desde o ano de 1994,
sendo baseado na redução fiscal e na atribuição de subsídios, que atingem
valores de 50%, para a instalação de sistemas solares em edifícios públicos, e
33% para instalações privadas. Entre os anos de 1996 e 1998 foram investidos
457 milhões de dólares no Japão, valor bem superior ao investimento realizado
conjuntamente nos Estados Unidos da América (185 milhões), Alemanha (105
milhões), Itália (36 milhões) e França (24 milhões), [4]. Como resultado desta
política, o aumento da produção, devido ao aumento da procura e ao
investimento na indústria, passou dos 15 MW em 1993 para os 127 MW em
2001, o que representava, à altura, 44% da produção mundial.
O caso alemão é um pouco diferente, e mais recente. Tudo se iniciou em 1999,
com o programa dos 100.000 telhados, que consistia num empréstimo a 0% de
juros durante 10 anos. Mais tarde, em Maio de 2000, foi aprovada a “Lei das
Energias Renováveis”, sendo que a mesma determinava uma tarifa garantida
de 0.99 DM/kWh no preço de venda da electricidade solar aos distribuidores
regionais. A publicação desta lei originou um disparo na procura dos painéis
solares, visto que a electricidade solar deixou de ser um investimento
40
40
Energia Solar Fotovoltaica
puramente energético, para passar a ser um investimento de capital. O
excesso de boa vontade por parte da classe política fez com que duas
semanas após a entrada em vigor da lei, o número de candidaturas
ultrapassasse todas as expectativas relativas ao ano de 2000, quer em termos
de produção de energia, quer de orçamentação do programa. Para que se
pudesse satisfazer esta procura desmedida, foi necessário recalcular alguns
dos critérios para os empréstimos a 0% de juros.
As aplicações dos sistemas solares fotovoltaicos podem variar desde sistemas
isolados com poucos kWp de potência, e com o recurso a sistemas de
armazenamento em baterias, até centrais que incluam milhares de painéis
solares, com potências na ordem de alguns MWp. No entanto, é especialmente
interessante a utilização de painéis solares fotovoltaicos em aplicações de
pequena e média dimensão, ao nível de residências ou edifícios industriais. De
um modo geral, pode-se dizer que os sistemas solares fotovoltaicos são
utilizados essencialmente nas seguintes situações:
• Electrificação rural, em sistemas individuais ou minirrede, onde o acesso
à rede pública de distribuição de eléctrica se apresenta demasiado
dispendiosa;
• Sistemas ligados à rede: Centrais fotovoltaicas (potência superior a
100 kWp) ou em “Telhados fotovoltaicos” (potência até 110 kWp);
• Sistemas de telecomunicações: retransmissores de TV, telemóveis e
rádio;
• Parquímetros;
• Telefones SOS nas auto-estradas;
• Sinalização nas estradas: sinais de aviso de perigo, entre outros;
• Sinalização marítima: bóias, faróis;
• Sinalização ferroviária: passagens de nível;
• Dessalinização: osmose inversa;
• Aplicações de micropotência, tais como relógios ou calculadoras;
• Candeeiros PV, lanternas, vedações eléctricas;
• Bombagem de águas e irrigação;
• Microgeração de energia em habitações.
Além das aplicações anteriormente descritas, existem ainda outras que
merecem ser realçadas. Os consumidores dos denominados países ricos
podem optar pela instalação de painéis simplesmente pela consciencialização
ecológica, dispondo-se a pagar a electricidade mais cara desde que a mesma
provenha de fontes limpas e renováveis, ou seguindo o conceito BIPV
(“Building Integrated Photo Voltaic”), também conhecido como gestão integrada
de energia em edifícios. Este conceito tem como principais seguidores
empresas que percebem que uma boa estratégia de marketing passa por uma
41
41
Energia Solar Fotovoltaica
imagem “verde” da empresa, uma imagem de preocupação para com o meio
ambiente.
Uma das grandes vantagens destes sistemas solares é que podem ser
utilizados em locais remotos, onde não haja recurso à rede eléctrica, ou em
locais que proporcionem ligação à rede eléctrica, podendo neste caso
vender-se a energia produzida pelo sistema solar ao distribuidor de energia.
Quanto aos factores de motivação para a utilização de painéis solares
fotovoltaicos, estes são diversos, tais como:
• Consciencialização sobre o meio ambiente ou ecológico;
• Conservação dos recursos naturais finitos, tais como o petróleo, carvão,
entre outros;
• Independência energética;
• Rentabilidade económica;
• Redução da vulnerabilidade energética ao fornecimento de
combustíveis;
• Protecção contra eventuais aumentos do preço dos combustíveis;
• Incremento do valor de revenda das habitações.
Para além dos factores de motivação mencionados anteriormente, a
“electricidade solar” pode contribuir muito significativamente para se cumprir os
esforços necessários dos países mais desenvolvidos em relação aos
compromissos assumidos pela União Europeia na conferência de Quioto,
realizada em 1997, onde os estados membros se comprometeram a reduzir em
8%, tendo por base nas emissões em 1990, as emissões de gases de efeito de
estufa até 2008-2012.
4.1 Células Solares Fotovoltaicas
Um equipamento fotovoltaico é constituído por várias células fotovoltaicas,
sendo cada uma delas o elemento base da instalação solar. A função base das
células fotovoltaicas é a da conversão da energia solar em energia eléctrica
que depois é disponibilizada para consumo.
A conversão directa da potência da radiação solar em potência eléctrica
(corrente contínua) é denominada por “efeito fotovoltaico”. Esse efeito ocorre
numa célula construída a partir de matérias semicondutoras, constituídas por
duas camadas distintas: uma camada fina de material do tipo N e uma outra
camada com maior espessura de material do tipo P (figura 4.1).
42
42
Energia Solar Fotovoltaica
Figura 4.1 – Estrutura de uma célula fotovoltaica.
Separadamente, as camadas são electricamente neutras. Ao unirem-se
formam uma junção P-N (semelhante à de um díodo semicondutor). Quando a
radiação solar incide sobre a célula, os fotões chocam com os electrões da
estrutura de silício, fornecendo-lhes energia e transformando-os em
condutores. Ao atingirem a região da junção, os portadores de carga geram um
gradiente de tensão, sendo acelerados por um campo eléctrico que origina a
circulação de uma corrente eléctrica através de um circuito exterior que liga a
camada negativa à camada positiva.
Uma célula fotovoltaica não tem capacidade de armazenar energia eléctrica,
apenas mantém o fluxo eléctrico de electrões no circuito eléctrico enquanto
houver incidência de radiação solar. Nem toda a energia dos fotões é
convertida em electricidade, visto existirem perdas (dissipação de calor), [6,
79].
As células são agrupadas em módulos de forma a formarem um conjunto com
potências que variam – usualmente − entre os 60 e os 220 Wp. Dependendo
da aplicação para a qual os módulos foram construídos, estas são agrupadas
em série e/ou em paralelo, de forma a permitir alcançar as características
eléctricas desejáveis, quer em tensão ou em corrente.
4.1.1 Processos de Fabrico
O silício é principal matéria-prima utilizada no fabrico de semicondutores.
Como o cristal de silício não possui electrões livres (é um isolante), é
necessário acrescentar pequenas percentagens de outros elementos, num
processo denominado de dopagem. Se a dopagem ocorrer entre o Silício e o
Fósforo, o material que se obtém possui electrões livres ou portadores de carga
43
43
Energia Solar Fotovoltaica
negativa (silício tipo N). Quando a dopagem ocorre entre o Silício e o Boro, o
material que se obtém apresenta as características inversas às anteriores, ou
seja, o material que se possui falta de electrões ou portadores da cargas
positivas livres (silício tipo P).
O silício utilizado no fabrico de células solares fotovoltaicas tem a sua
proveniência no dióxido de silício, sendo este o principal composto da areia.
Este é derretido em grandes fornos, sendo posteriormente solidificado em
grandes lingotes, depois de ser purificado sob a acção de um fluxo de oxigénio,
sendo o grau de pureza da ordem de 98% a 99%. A maior parte deste material
purificado, denominado “silício metalúrgico”, tem como destino as indústrias de
ferro e alumínio, enquanto que a restante produção, denominada de “silício
semicondutor” e destinada à indústria electrónica, é enviado para um segundo
processo de purificação por destilação, de modo a atingir um grau de pureza da
ordem dos 99.999%.
Existem diversas tecnologias, distintas e concorrentes, para produzir cristais de
silício, dando origem a diferentes produtos:
• Monocristais: um lingote com um só cristal;
• Multicristais: um lingote com vários cristais;
• Fitas de silício multicristalino: finas folhas de silício.
Depois de realizado o processo de cristalização, é efectuado o corte dos
lingotes em bolachas (wafers) ou pequenas fatias, onde são produzidas as
células solares, com espessura de algumas décimas de milímetro. O processo
de fabrico das células solares fotovoltaicas baseia-se essencialmente em dois
passos: em primeiro lugar, e de forma a se criar a junção P-N, existe a
deposição de dopantes, para em seguida se proceder ao depósito dos
contactos eléctricos na superfície da célula. Após as células terem passado por
esses dois passos, estas são posteriormente montadas num módulo
fotovoltaico e encapsuladas, para que o módulo atinja a protecção mecânica e
o isolamento eléctrico necessários.
4.1.2 Tipos de Células Fotovoltaicas
A energia solar fotovoltaica teve a sua evolução associada a três gerações
distintas, [22]:
• Primeira geração: utilizam células de silício cristalino. Representam
uma fatia de mercado aproximada de 90%, constituindo a tecnologia
dominante na produção comercial.
44
44
Energia Solar Fotovoltaica
•
•
Segunda geração: utilizam tecnologias de películas finas sobre
substratos rígidos (vidro ou cerâmica). Como grande vantagem tem-se a
redução da quantidade de materiais necessários para a produção,
resultando na diminuição dos custos. Representam cerca de 10% do
mercado.
Terceira geração: muito diferente das anteriores, é definida por usar
nanotecnologias para deposição de películas finas (podendo ser tintas)
sobre substratos flexíveis. Tem um melhor aproveitamento de todo o
espectro solar (células multijunção com utilização de concentração).
Com construção a partir do silício, as células fotovoltaicas mais utilizadas são
as de silício monocristalino, policristalino ou amorfo.
As células de silício monocristalino são o tipo de células utilizadas à mais
tempo no fabrico de células solares. São construídas a partir do silício com
elevado grau de pureza (entre 98% e 99%), apresentando uma estrutura
cristalina quase perfeita. São células obtidas através de um complexo processo
de fabrico, onde o silício é fundido com uma pequena quantidade de dopante
do tipo P (Boro), que evolui através de um controlo rigoroso das diversas
variáveis envolvidas, com especial destaque para a temperatura. Depois de
efectuado o corte e a limpeza de impurezas, um material dopante do tipo N é
implementado, de forma a se obter a junção P-N.
De todas as células solares que utilizam o silício, as células de silício
monocristalino são as mais caras, embora apresentem um rendimento mais
elevado, que se cifra, aproximadamente, em 18% em usos convencionais.
Figura 4.2 – Células de silício monocristalino.
Quanto às células de silício policristalino, estas apresentam um menor grau
de pureza e uma estrutura cristalina menos perfeita, comparativamente às
células de silício monocristalino. Na sua fabricação recorrem a um processo de
fabrico menos exigente, com menor controlo das variáveis, o que torna este
tipo de células mais baratas. No entanto, estas células de silício policristalino
apresentam um menor rendimento, a rondar os 16%.
45
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Energia Solar Fotovoltaica
Figura 4.3 – Célula de silício policristalino.
Por fim temos as células de silício amorfo. Estas são constituídas a partir de
silício amorfo, ou seja, de silício que não apresenta uma estrutura cristalina
definida, apresentando uma elevada desordem na sua estrutura molecular.
Apresentam um processo de fabrico mais simples e de mais baixo custo,
possibilitando a construção de células com mais elevadas áreas devido a
serem películas muito finas, o que permite que este tipo de células seja
utilizado como material de construção. Este tipo de células apresenta como
uma das suas vantagens uma absorção de radiação na faixa de luz visível.
Quanto a desvantagens, o rendimento deste tipo de células é o mais reduzido
de entre as que usam o silício, variando entre 8% a 10%, sendo que as
mesmas são afectadas por um processo de degradação logo nos primeiros
meses de operação, o que reduz a eficiência ao longo da sua vida útil.
Figura 4.4 – Célula de silício amorfo.
Em suma, as características destes três tipos de células solares construídas
tendo por base o silício pode ser mostrado na tabela que se segue:
Tabela 4.1 – Rendimentos das células com base em silício.
46
46
Energia Solar Fotovoltaica
4.2 Novas Tecnologias
Têm ocorrido avanços recentes em novos materiais (em alternativa ao silício)
nos processos de fabrico dos painéis fotovoltaicos, tais como o teluridio de
cádmio, ou na combinação de abordagens tais como a utilização de células
multijunção (MJC – MultiJunction Solar Cells), ou a utilização de
concentradores solares fotovoltaicos (CPV – Concentrating PhotoVoltaics). É
espectável que os rendimentos a alcançar pelos painéis fotovoltaicos atinjam
valores próximos de 50%. Quanto aos rendimentos actuais, existem já no
mercado painéis com rendimentos de 27,2%, [78].
Uma das novas tecnologias, desenvolvida na Universidade da Califórnia do
Sul, baseia-se na utilização de teluridio de cádmio. O processo de fabrico
inicia-se com a cobertura do vidro por um óxido, com o depósito a ocorrer por
electrólise, cujo intuito é separar os elementos químicos de um composto
recorrendo à electricidade. Neste depósito de óxido, a primeira camada é de
sulfito de cádmio, sendo a segunda camada de teluridio de cádmio. No que se
refere às camadas de metal, estas são depositadas através de vapores
metálicos, sendo por fim cortadas a lazer, formando células que são ligadas em
série através de um material condutor.
Ainda em relação a novas tecnologias, encontra-se em desenvolvimento
painéis de “filme-fino”, construídas a partir de silício amorfo. O preço destes
painéis são muito mais baratos, visto que a matéria-prima é mais barata,
originando uma redução nos custos de produção, pois o silício é impresso
directamente num suporte flexível. O rendimento destes painéis não é muito
elevado, variando de 6% a 10%.
Se a inexistência de geração de energia eléctrica após o pôr-do-sol sempre foi
a grande mácula dos sistemas solares, tal situação encontra-se prestes a
mudar. Com o intuito de criarem um painel solar que conseguisse gerar energia
após o pôr-do-sol, cientistas do Laboratório Nacional do Idaho, Estados Unidos
procuram desenvolver um novo tipo de células capazes de aproveitar a energia
das radiações infravermelhas emitidas por todos os objectos em qualquer
altura. Nestas novas células não são utilizados o silício nem outro qualquer tipo
de material orgânico, mas sim minúsculas nanoantenas capazes de efectuarem
a captação de energia na faixa do infravermelho. Atendendo que a maior parte
da energia irradiada pelo Sol é na gama dos infravermelhos, esta abordagem é
particularmente interessante.
Na construção das nanoantenas podem ser utilizados diferentes metais,
originando uma ligeira variação do rendimento. No entanto, se forem
comparadas com as células solares tradicionais baseadas no silício, que
47
47
Energia Solar Fotovoltaica
capturam menos de 20% da luz solar na faixa visível do espectro, este tipo de
nanoantenas consegue capturar até 80% da radiação infravermelha.
Figura 4.5 – Painel baseado em nanotecnologia.
A abordagem que utiliza células multijunção (MJC) baseia-se em células
solares duplas, ou seja, multijunção, com cada uma das junções
semicondutoras a ser projectada para capturar um comprimento de onda
diferente. O rendimento deste tipo de célula pode ultrapassar os 40%.
No que diz respeito aos concentradores solares fotovoltaicos (CPV), o princípio
de funcionamento baseia-se numa junção tripla (fosfato de gálio-índio, arsénio
de gálio, germânio), sendo que cada material opera em diferentes
comprimentos de onda, o que permite cobrir um mais abrangente espectro
(figura 4.6). As grande vantagens dos CPV são a possibilidade de produção de
50% mais energia por metro quadrado que os painéis fotovoltaicos tradicionais,
ou a redução, em 30%, dos componentes a instalar, para a mesma potência
instalada, [48].
Figura 4.6 – Diferentes comprimentos de onda das junções.
Se novos materiais se encontram em estudo, existem outros que agora se
encontram a ser revisitados. Na década de 70 foi desenvolvida uma fonte de
energia solar, baseado num concentrador luminescente solar, também
conhecido como LSC. O princípio de funcionamento dos LSC baseia-se na
48
48
Energia Solar Fotovoltaica
colecta de luz através moléculas pintadas em superfícies transparentes, tais
como as folhas de plástico, sendo essa luz transportada através da superfície
para células solares nas bordas dos concentradores. Um grupo de
pesquisadores do MIT actualizaram um LSC, empregando não folhas de
plástico transparentes, mas vidro, com o intuito de alcançarem maior eficiência
e redução de custos da energia solar. Para tal, sabendo que os concentradores
solares orgânicos colectam e focam diferentes cores e luz solar, as células
podem ser anexadas às bordas dos painéis. Concentrando a luz sobre a sua
superfície cheia, e concentrando-a nas suas bordas, estes dispositivos
reduzem a área de células solares, e consequentemente o custo da energia
produzida. Ao serem empilhados vários concentradores permite-se uma
optimização das células solares em cada comprimento de onda, aumentando a
energia total de saída.
A tecnologia LSC aponta para que seja mais barata que as tecnologias actuais.
Outra das vantagens aponta para a simplicidade de construção das novas LSC,
e da aplicação desta tecnologia com painéis solares já existentes, o que
traduziria num aumento da eficiência na ordem dos 50%, (figura 4.7, [39]).
Figura 4.7 – Utilização das LSC nos painéis solares actuais.
4.2.1 Projecto Solar Tiles
O “Projecto Solar Tiles” – desenvolvimento de sistemas solares fotovoltaicos
em coberturas e revestimentos cerâmicos, − tem como principal finalidade o
aproveitamento da energia solar para produção de electricidade. Este projecto
concorreu ao QREN (Quadro de Referência Estratégico Nacional), sendo o
consórcio constituído por várias entidades, tais como a Revigrés (promotora do
projecto), a Dominó (revestimentos cerâmicos), a Coelho da Silva (Coberturas
Cerâmicas), a De Viris, a Natura e Ambiente, e entidades do Sistema
Científico e Tecnológico Nacional, tais como o CTCV (Centro Tecnológico da
Cerâmica e do Vidro), o INETI (Instituto Nacional de Engenharia, Tecnologia e
49
49
Energia Solar Fotovoltaica
Inovação), a Universidade do Minho, o CENIMAT (Centro de Investigação em
Materiais da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de
Lisboa) e a ADENE (Agência para a Energia).
Com um desenvolvimento à escala laboratorial, baseando-se no depósito de
um filme em revestimentos cerâmicos, esta tecnologia transforma a energia
emitida pelo Sol em energia eléctrica. Consiste no desenvolvimento de
protótipos funcionais de produtos cerâmicos fotovoltaicos integrados, de
elevada eficiência, elevada qualidade estética e desempenho técnico, para o
revestimento de edifícios, recorrendo a telhas e a revestimentos exteriores de
fachada, que incorporem finos filmes fotovoltaicos de última geração.
O “Projecto Solar Tiles” usa a integração arquitectónica de telhas solares em
projectos de engenharia, encaixando células de silício em telhas ou em
módulos planos com base em vidro, que se adaptam perfeitamente aos
telhados planos dos edifícios actuais. No processo de fabrico é utilizada uma
tecnologia de deposição directa na telha de células solares com base em finos
filmes de silício amorfo, sendo este tipo de silício não obtido a partir de silício
metalúrgico. Por forma a maximizar a eficiência do produto, o projecto
desenvolve-se também em outros aspectos, tais como a constituição das telhas
e fachadas, bem como do encapsulamento das células solares, com o intuito
de garantir as melhores condições ópticas do produto final.
A versatilidade é um ponto positivo, visto que esta técnica de produção permite
depositar as células solares sobre o vidro, tal como é habitual, mas também
sobre bases flexíveis ou plásticos. Outro ponto positivo deste projecto é o factor
económico. No que diz respeito aos pontos negativos, o de maior relevo é a
eficiência, visto que esta ainda se apresenta baixa.
4.3 Sistemas Solares Fotovoltaicos
As células solares fotovoltaicas não podem ser utilizadas directamente numa
instalação fotovoltaica. Em primeiro lugar porque as suas características
eléctricas (tensão e corrente) não são apropriadas para a maioria das
aplicações (a tensão nominal de saída é em corrente contínua, e varia
proporcionalmente com a temperatura, enquanto a corrente produzida varia
proporcionalmente com a radiação solar incidente), e em segundo lugar porque
as células não possuem resistência mecânica suficiente para uma instalação
exposta às condições atmosféricas, tais como a chuva, poeiras, vento ou
vapor.
50
50
Energia Solar Fotovoltaica
Para se ultrapassar estas limitações constroem-se módulos solares,
constituídos por várias células, que colocadas em série e/ou em paralelo, são
capazes de produzir valores de tensão aceitáveis (a rondar os 30V) na saída
do módulo. De referir que uma célula fotovoltaica é capaz de gerar uma tensão
aproximada de 0,5V e uma potência que varia entre 1W e 2W. De forma a
aumentar a resistência mecânica e a resistência a condições climatéricas ou
ambientais, efectua-se um acrescento de alguns materiais aos módulos solares
(figura 4.8).
Figura 4.8 – Painel solar fotovoltaico.
De forma a se extrair o máximo rendimento do painel fotovoltaico, este deve
ser orientado com ângulo de inclinação aproximado à latitude do local de
instalação.
As características mais importantes de um painel solar fotovoltaico, estas são
as que se enumeram na tabela 4.2:
Tabela 4.2 – Características de painel fotovoltaico.
Todas estas características podem ser encontradas nos datasheets dos painéis
fotovoltaicos, fornecidos pelos fabricantes, para as seguintes condições STC
(Standard Test Conditions):
• Radiação Solar
1000 W/m2;
• Temperatura Ambiente
25ºC;
• Massa de ar AM
1,5.
51
51
Energia Solar Fotovoltaica
4.3.1 Rendimento do Sistema Solar
O rendimento de um sistema fotovoltaico depende das características dos
vários componentes utilizados, na forma como se interligam entre si, ou ainda
pelo tipo de cargas que alimenta. Para que se possa analisar um sistema
fotovoltaico, são considerados para o problema o rendimento e as perdas do
sistema (ocorrem na cablagem, baterias, componentes electrónicos).
O rendimento de um painel fotovoltaico, este encontra-se dependente da
radiação solar que incide no painel, bem como da temperatura, da carga ou da
sujidade do mesmo. Este parâmetro é normalmente fornecido pelos
fabricantes.
De forma a ser efectuada uma correcta avaliação do rendimento global de um
sistema fotovoltaico, é necessário considerar-se o rendimento dos painéis e o
índice de performance. No que diz respeito ao rendimento dos painéis, este
considera que o sistema se encontra a funcionar com performance total
(100%), independente da carga, não contemplando qualquer aparelhagem
complementar ao sistema, ignorando as perdas nas baterias, carregadores,
inversores, entre outros componentes. A energia de saída das fontes de
energia é dada por:
O, = O ∙ ℎP ∙ Q (! ⁄/S:)
(4.1)
com O, a ser a energia de saída da fonte de energia (kW/ano), O a energia
solar (kWh/m2/ano), VP o rendimento e Q a área.
O índice de performance (PR) corresponde ao valor percentual que mede o
afastamento do desempenho do sistema em relação às condições óptimas de
funcionamento. Por outras palavras, efectua a medida da razão entre a energia
realmente consumida pelas cargas e a energia que o sistema é capaz de
produzir, sendo que os valores obtidos dependem do tipo de sistema a
alimentar. Os valores típicos do índice de performance para pequenos sistemas
isolados variam entre os 30% e os 60%, tendo como explicação para os baixos
resultados a necessidade que estes sistemas (para aplicações domésticas) têm
de fornecer a energia que as cargas pedem, sendo que a melhor ou a pior
utilização da energia disponível depende do controlo e da monitorização do
nível de carga por parte dos utilizadores. De acordo com o que anteriormente
foi descrito, a energia que é fornecida à carga (OO ) é dada por:
OO = W ∙ O ∙ ℎP ∙ Q (!ℎ⁄/S:)
(4.2)
52
52
Energia Solar Fotovoltaica
As perdas no banco de baterias ocorrem essencialmente na carga e descarga,
mas também devido à auto-descarga. Quanto às perdas no inversor, estas são
dependentes da magnitude e das características da carga que se encontra
acoplada ao sistema, sendo as perdas aproximadamente de 10% do valor na
carga.
4.3.2 Modelo Eléctrico de Painel Fotovoltaico
A modelação de um sistema solar fotovoltaico tem como principal objectivo
prever o funcionamento de sistemas alimentados por energia solar fotovoltaica.
Normalmente utiliza-se como modelo de uma célula solar fotovoltaica o circuito
equivalente da figura 4.9, [8].
Figura 4.9 – Esquema eléctrico de célula solar fotovoltaica.
Os parâmetros do modelo são os seguintes:
• PX : Fonte de corrente unidireccional e constante, para uma dada
radiação incidente, que representa a corrente eléctrica gerada pelo feixe
de radiação solar;
• Y : Corrente unidireccional que atravessa a junção P-N, aqui
representada por um díodo;
• WZ : Resistência intrínseca em série, representando os contactos
metálicos entre as células, e entre o painel e a carga;
• WP : Resistência intrínseca em paralelo, que simboliza as fugas do
circuito.
Tendo em atenção as leis de Kirchoff, e a expressão que define o
comportamento da junção PN, é possível escrever:
Y
=
"é))
53
\
[< ]∙^∙_∙`a - 1b
=
P
d
-
=
`a
ef
Y
-
=
P
`g hei ∙jg
ef
(4.3)
(4.4)
(4.5)
53
Energia Solar Fotovoltaica
Deste modo, a equação de equilíbrio das correntes pode ser escrita da
seguinte forma:
"é))
=
PX
-
\
[< ]∙^∙_∙`ghjg∙ei - 1b -
`g hjg ∙ei
ef
(4.6)
onde PX é a corrente gerada pelo feixe de luz (A), a corrente de saturação
inversa da junção (A), d a corrente de saída (A), d a tensão de saída (V), k a
carga de um electrão (1,6 3 10lm ), a constante de idealidade do díodo, ou
o desvio das características da junção P-N (m=1 no díodo ideal e m>1 no real),
! a constante de Boltzmann (1,380622 3 10l 9/o), e p a temperatura da
célula (o).
A potência de saída da célula é dada por:
= d 3 "é)) ()
(4.7)
O circuito equivalente de um painel fotovoltaico é idêntico ao da célula, [9]:
Figura 4.10 – Esquema eléctrico de painel fotovoltaico.
Neste caso, WOq é a resistência série equivalente, WPq a resistência paralela
equivalente, rO o número de células em série e rP o número de células em
paralelo.
Tendo por base a figura 4.10, a equação (4.6) pode ser reescrita da seguinte
forma:
P
)
= rP ∙ s
PX
-
∙ s<
u y∙z
\∙t x w {
vw vf
]∙^∙_
- 1| -
u y∙zw
h
vw vf
ef
|
A potência produzida por um painel fotovoltaico é a seguinte:
P
) = d ∙
54
P
)
= d ∙ rP ∙ s
PX
-
∙ s<
\∙t
u y∙zw
x
{
vw vf
]∙^∙_
- 1| -
(4.8)
u y∙zw
h
vw vf
ef
|
(4.9)
54
Energia Solar Fotovoltaica
4.3.3 Curvas Características dos Painéis Fotovoltaicos
A curva que relaciona a tensão com a corrente de saída é a base para o estudo
do comportamento de um módulo fotovoltaico. Esta curva, normalmente
denominada de “Característica I-V”, resulta da expressão (4.9) e depende de
parâmetros como a temperatura e a radiação solar incidente. A característica
I-V de um painel solar fotovoltaico genérico [6] apresenta tipicamente o
seguinte aspecto:
Figura 4.11 – Curva característica I-V genérica.
Na figura 4.12 é possível identificar um ponto (de coordenadas }~~ e }~~ )
que corresponde à situação em que o painel transfere a máxima potência para
o receptor. Designa-se por MPP (“Maximun Power Point”), sendo considerado
como o ponto de funcionamento óptimo, uma vez que é desejável que a carga
do painel solar se mantenha nesta zona de funcionamento o máximo de tempo
possível, por forma a que a transferência de potência entre o grupo de painéis
solares e a instalação seja a mais adequada. Outros pontos importantes das
curvas características são a corrente de curto-circuito ( Z ), que representa a
máxima corrente que se consegue extrair do painel, e a tensão de circuito
aberto (€ ), que representa a máxima tensão proporcionada pelo painel,
quando este opera sem carga.
A temperatura e a incidência solar variam durante o dia, influenciando desta
forma o funcionamento do painel solar. Visto que as condições ambientais
variam, parece claro que o ponto de extracção máximo de potência também
varie, sendo necessário a existência um sistema de controlo mantenha o painel
a funcionar nas condições óptimas. Visto que tanto a temperatura como a
incidência solar influenciam a característica I-V de um painel, analisemos
separadamente cada um desse efeitos.
55
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Energia Solar Fotovoltaica
Figura 4.12 – Alteração da curva característica I-V com a temperatura.
Na figura 4.12, [6], podemos observar a influência da temperatura na
característica I-V, constatando-se que a tensão de saída diminui com o
aumento da temperatura.
A figura 4.13, [6] ilustra a influência da intensidade da radiação solar (S) na
característica I-V de um painel solar.
Figura 4.13 – Alteração da curva característica I-V com a radiação solar.
Constata-se que a grandeza mais afectada é a corrente de saída, que é
proporcional ao fluxo de fotões incidente. A influência da radiação solar na
tensão de saída em circuito aberto é pequena, sendo muitas vezes
desprezada.
É igualmente importante conhecer a curva que relaciona corrente com tensão,
ou “Característica P-V” (4.14, [6]):
56
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Energia Solar Fotovoltaica
Figura 4.14 – Curva característica P-V de uma painel solar fotovoltaico.
Tal como acontece com a característica I-V, a característica P-V de um painel
solar fotovoltaico é influenciada pela incidência de radiação solar e pela
temperatura (figura 4.15, [6]):
Figura 4.15 – Alteração da curva característica P-V com a radiação solar.
Constata-se que o ponto de máxima potência varia com a incidência de
radiação solar, diminuindo com a diminuição de S.
No que diz respeito à temperatura, a característica altera-se de acordo com a
figura 4.16:
57
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Energia Solar Fotovoltaica
Figura 4.16 – Alteração da curva característica P-V com a temperatura.
Como se constata, o ponto de máxima potência varia, sendo tanto menor
quanto maior a temperatura.
A partir a expressão da potência de saída do painel (4.9), concretamente,
calculando (recorrendo a métodos numéricos) ⁄ = 0 é possível saber o
valor da tensão de saída que corresponde ao MPP figura 4.17, [6]:
Figura 4.17 – Curva dP⁄dV (pesquisa do MPP).
Quando o modelo standard não é suficientemente preciso para a aplicação que
se quer desenvolver, é utilizado um modelo com dois díodos ou o modelo
efectivo de uma célula solar. No entanto, uma solução explícita de tensão para
os dois modelos não pode ser calculada.
58
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Energia Solar Fotovoltaica
4.4 Instalação Solar Fotovoltaica
Um sistema solar fotovoltaico é constituído pelos painéis fotovoltaicos e por
equipamentos de controlo da energia produzida.
Começando pela instalação solar fotovoltaica, esta é constituída pelo conjunto
de painéis solares que perfazem o nível de potência pretendido para a
aplicação, sendo a energia produzida pelos painéis em corrente contínua
(variando proporcionalmente com a temperatura). A estes é necessário
adicionar-se alguns componentes, de forma a tornar-se possível optimizar-se a
extracção de energia, bem como efectuar-se a adaptação dessa energia
extraída às necessidades da aplicação. Os principais componentes dos
sistemas solares fotovoltaicos são tipicamente os seguintes:
• Gerador Fotovoltaico;
• Acumuladores de Energia;
• Conversor Electrónico;
• MPPT.
4.4.1 Gerador Fotovoltaico
De forma a serem alcançados os valores de tensão ( ) ou de corrente ( )
desejados, os módulos solares podem ser associados em série ou paralelo, ou
combinações série/paralelo (figura 4.18).
Figura 4.18 – Possíveis ligações em instalação solar fotovoltaica.
Na figura 4.18 nota-se a colocação de um díodo de bypass, em paralelo com
cada um dos módulos solares, cuja função é a de garantir a passagem de
59
59
Energia Solar Fotovoltaica
corrente caso o módulo se danifique, ou quando não há incidência de radiação
sobre o mesmo.
Uma instalação solar fotovoltaica apresenta na sua constituição um conjunto de
painéis solares que recebem três componentes de radiação distintas: a
componente directa, a componente difusa e a componente reflectida. No
entanto, uma instalação solar não pode ser concretizada apenas recorrendo
aos painéis solares, necessitando de estruturas mecânicas de suporte, que
podem ser dos seguintes tipos:
• Estruturas Mecânicas Fixas: possuem uma orientação fixa, devendo
ser coincidente com a orientação solar no ponto do meio-dia solar. Neste
tipo de estruturas, a componente de radiação mais recebida é a difusa,
sendo a componente de radiação directa apenas recebida ao meio-dia
solar. Existem algumas estruturas que permitem uma regulação manual
da sua inclinação, permitindo uma alteração da inclinação do painel ao
longo do ano.
• Estruturas Móveis: possuem sistemas de seguimento do Sol, ajustando
automaticamente a sua orientação para que esta coincida a cada
instante com a orientação solar. Em relação às componentes de
radiação, este tipo de estruturas permite que os painéis recebam quase
exclusivamente a componente de radiação directa, maximizando o
aproveitamento de energia. É ainda de referir a existência de estruturas
móveis com controlo de apenas um eixo (azimute), ou controlo de dois
eixos (altitude e azimute).
Devido aos menores custos e à maior simplicidade de instalação, as estruturas
fixas são as que se encontram instaladas em maior escala. Por outro lado,
apesar de as estruturas móveis serem mais complexas na instalação e de
apresentarem custos superiores, estas maximizam a produção de energia,
visto que os painéis solares recebem sempre radiação solar máxima.
A figura 4.19 ilustra o ganho de potência conseguido recorrendo a uma
estrutura para diferentes hora do dia:
Figura 4.19 – Comparação do ganho de potência entre estruturas.
60
60
Energia Solar Fotovoltaica
Como seria de esperar, a potência de saída dos painéis montados numa
estrutura móvel é sempre superior, com excepção do meio-dia solar (onde será
a mesma se o painel fixo for montado na posição óptima).
Os sistemas de energia fotovoltaica são geralmente classificados de acordo
com suas exigências funcionais e operacionais, as configurações de
componentes electrónicos usados, e como o equipamento está ligado a outras
fontes de energia e cargas eléctricas. As duas classificações principais são:
• Sistemas Ligados à Rede Eléctrica;
• Sistemas Isolados.
Os sistemas ligados à rede eléctrica são projectados para operar em
paralelo e interligados à rede de energia, sendo possível vender o excesso de
energia produzida à empresa distribuidora de energia (actividade de
microprodutor). São constituídos pelos painéis fotovoltaicos, por um controlador
de carga, por um inversor e por elementos acumuladores de energia (figura
4.20).
Figura 4.20 – Esquema de sistema conectado à rede eléctrica.
Os sistemas conectados à rede eléctrica, com venda de energia ao distribuidor,
ou sistemas de microprodução de energia em utilizações residenciais,
encontram-se limitados à potência máxima de 3,68 kW, encontrando-se
regulamentada a actividade de microprodutor no Decreto-Lei 363/2007 de
Novembro de 2007 [42].
Os sistemas isolados são projectados para operar independente da rede de
energia eléctrica, sendo concebidos e dimensionados para alimentação de
cargas CC e/ou AC.
61
61
Energia Solar Fotovoltaica
Um sistema isolado pode ser apenas constituído pelos painéis fotovoltaicos
acoplados directamente a uma carga CC (figura 4.21), ou pelos painéis, por um
sistema de armazenamento de energia, um controlador de carga e um inversor
(figura 4.22).
Figura 4.21 – Sistema fotovoltaico com acoplamento directo.
Figura 4.22 – Esquema de sistema solar fotovoltaico isolado.
Os sistemas fotovoltaicos isolados são, normalmente, de baixa potência, sendo
preferencialmente utilizados para fornecer energia eléctrica em pontos isolados
da rede eléctrica. Como exemplos de utilização deste tipo de sistemas solares
temos habitações, equipamento de telecomunicações ou iluminação pública.
Existe ainda um outro tipo de sistemas solares, denominados de sistemas
híbridos. Este tipo de sistemas alimentam directamente cargas isoladas em
conjunto com outras formas de energia, quer estas sejam renováveis (p. ex.
gerador eólico), ou usem combustíveis fósseis (p. ex. gerador a gasóleo) (figura
4.23).
62
62
Energia Solar Fotovoltaica
Figura 4.23 – Esquema de um sistema híbrido.
4.4.2 Conversor CC/CC
O conversor CC/CC é um regulador de carga do banco de baterias, servindo
para evitar a sobrecarga ou a descarga profunda das mesmas, tendo como
principal função aumentar o tempo útil de vida do banco de baterias. Pode-se
dizer que, recorrendo aos conversores CC/CC, é possível obter-se à saída uma
tensão controlada, com determinado valor, partindo de um valor de tensão não
controlada produzida pelo painel fotovoltaico à entrada do controlador.
O conversor CC/CC Boost (ou elevador de tensão) (figura 4.24) é considerado
nesta análise. As principais características desta topologia são o não
isolamento, e uma tensão de saída mais elevada (e com a mesma polaridade)
que a tensão de entrada.
Figura 4.24 – Conversor de potência boost.
Neste tipo de conversor a tensão de saída é sempre superior ou igual à
tensão de entrada , sendo o controlo da tensão de saída efectuado
através do duty cycle aplicado na base do transístor T, de acordo com a
expressão:
`@A‚
`ƒ„
63
= l…
(4.10)
63
Energia Solar Fotovoltaica
4.4.3 Inversor
A função do inversor é converter a tensão contínua (CC), proveniente da
instalação solar fotovoltaica, em tensão alternada (AC), com forma de onda,
frequência e amplitude adequadas à aplicação em causa.
Figura 4.25 – Inversor num sistema fotovoltaico.
No caso específico de um sistema solar fotovoltaico ligado à rede (figura 4.25),
a forma de onda deverá ser sinusoidal, com frequência de 50 Hz. Para tal,
torna-se necessário controlar os transístores do esquema da figura 4.26, [21]
com um sinal em modelação de largura de impulso (PWM) adequado.
Figura 4.26 – Esquema eléctrico de um inversor electrónica de potência.
4.4.4 MPPT
O MPPT (Maximum Power Point Tracker), também conhecido como seguidor
do ponto de máxima potência, é o responsável por maximizar a extracção de
energia da instalação fotovoltaica para uma determinada carga. O MPPT tem
também a responsabilidade de colocar a carga a operar no ponto máximo de
potência (MPP), efectuando o seu correcto seguimento. Tendo em conta que
os módulos fotovoltaicos apresentam ainda um rendimento relativamente
reduzido na conversão da energia – inferior aos 20% para os módulos
64
64
Energia Solar Fotovoltaica
convencionais baseados no silício, − o uso de sistemas MPPT mostram-se
essenciais em sistemas fotovoltaicos, permitindo que os mesmos operem com
rendimentos mais elevados.
O MPPT não é um sistema mecânico de seguimento do Sol, que fisicamente
move os módulos para uma orientação directa para o Sol. Ao invés, e embora
possa ser utilizado em conjunto com um sistema mecânico de seguimento
solar, o MPPT manifesta-se como um sistema totalmente electrónico, que
possui a capacidade de variar o ponto de operação dos módulos para que
estes extraiam a máxima potência a que estão habilitados a entregar.
A aplicação de circuitos MPPT em sistemas solares fotovoltaicos torna-se
essencial devido a vários factores, tais como os que em seguida se enumeram:
• Não linearidade da curva I-V dos painéis solares fotovoltaicos;
• Variação do ponto de máxima potência com a alteração das condições
climáticas da radiação incidente e da temperatura;
• Variações na carga.
Tal como referido anteriormente, as curvas características I-V e P-V dependem
dos valores de radiação incidente e da temperatura do painel. Assim, o ponto
de potência máxima percorre uma trajectória ao longo do dia, que depende dos
valores de radiação e de temperatura a cada instante. Num esquema
convencional de controlo, onde um sistema MPPT não se encontre
implementado, o sistema encontra-se limitado à tensão de funcionamento que
resulta directamente das características do painel e da carga. Quando o
sistema de controlo conta com o MPPT, tal não acontece. Para que se possa
compreender melhor a ideia anteriormente foi descrito, atenda-se à figura 4.27,
[41], onde nelas se encontram expostas as curvas características de um
módulo fotovoltaico de 75W, às condições STC, utilizado para a carga de uma
bateria, cuja tensão de operação é de 12V.
Figura 4.27 – Curvas características de módulo fotovoltaico de 75W.
65
65
Energia Solar Fotovoltaica
Sabendo que a corrente de saída do módulo fotovoltaico é qóG) = 4,80Q ,
podemos constatar o seguinte:
a) Quando não é utilizado o MPPT, a potência que é possível extrair do
módulo fotovoltaico é dada por:
qóG) = ∙ qóG) = 12 3 4,8 = 57,6
(4.11)
b) Utilizando um algoritmo MPPT, a potência máxima extraída é de 75W,
para uma tensão aproximada de 17V (qóG) ). Este aumento da tensão
apenas se apresenta possível se na implementação do MPPT for
utilizado um conversor CC/CC entre o painel fotovoltaico e a bateria.
Deste modo, este acréscimo de potência dá-se à custa de um
incremento da corrente de carga da bateria, de acordo com a expressão:
= `]ó‡AB@ ∙
`
ˆ‰‚CŠƒ‰
qóG)
(4.12)
Neste exemplo, a corrente passa a ter o valor de 6,80Q, o que corresponde a
um aumento de 41,6%.
Um sistema MPPT é basicamente constituído por um conversor CC-CC,
conectado entre o gerador fotovoltaico e a carga, e por um sistema de controlo
que implementa, entre outras funções, um algoritmo de seguimento do MPP e
produz um sinal em PWM, com δ apropriado, para comando do conversor
CC-CC. Um esquema possível do MPPT é aquele que pode ser visualizado na
figura 4.28.
Figura 4.28 – Esquema possível para o MPPT.
Visto que o conversor apresenta uma impedância de entrada (Ri) que depende
basicamente da impedância da carga (RL) e de δ, o algoritmo MPPT tenta
encontrar um δ óptimo para o ponto de funcionamento do módulo fotovoltaico.
66
66
Energia Solar Fotovoltaica
Esse ponto de funcionamento encontra-se na intersecção da característica I-V
do módulo com a recta de carga (Ri), de forma a coincidir com o MPP (figura
4.29, [24]).
Figura 4.29 – Característica I-V de uma célula solar.
São vários os métodos possíveis de serem utilizados para se efectuar o
seguimento do MPP. De entre os métodos mais conhecidos salientam-se os
seguintes:
• Tabela implementada num microcontrolador [7];
• Aplicação de um seguidor dinâmico do MPP em aplicações fotovoltaicas
[10];
• Método “Perturbação e Observação” (P&O) [11, 12, 13, 14];
• Técnica da condutância incremental (“IncCond”) [15, 16];
• Lógica “Fuzzy” [17].
Os algoritmos mais utilizados na implementação do MPPT são o “IncCond” e o
“P&O”. Este último é o de mais fácil implementação, (embora possa apresentar
problemas de estabilidade) e apresenta duas variantes: “P&O Orientado” e
“P&O Modificado”. Em seguida descreve-se de forma mais detalhada os 2
algoritmos.
4.4.4.1 Algoritmo “P&O Orientado”
O princípio deste método é, basicamente o seguinte: introduz-se uma
“perturbação” no sistema fazendo variar o duty-cycle (δ) do conversor, que faz
com que o ponto de funcionamento do painel varie; observa-se a evolução da
potência de saída do painel; ajusta-se novamente δ em função da variação de
potência e no sentido de fazer com que ela cresça até um valor máximo. Para
67
67
Energia Solar Fotovoltaica
se perceber melhor o algoritmo “P&O Orientado” tenha-se em atenção a figura
4.30, [11], onde se apresenta a característica P-V de um painel fotovoltaico.
Visto de outro modo, ao ajustar-se o valor de δ (que é a única variável de
controlo), actua-se sobre o conversor CC-CC () no sentido de fazer com que o
valor da resistência vista à saída do painel tenha um valor óptimo que
maximiza a potência transferida para o receptor.
Figura 4.30 – Característica P-V de um painel fotovoltaico.
É possível constatar o seguinte (figura 4.30):
a) Se após a variação de δ a tensão de saída do painel evolui de VA para
VB, ou seja, ∆VPainel > 0, e uma vez que a potência cresce (∆PPainel > 0), é
necessário fazer com que a tensão de saída continue a aumentar, uma
vez que VMPP > VB, ou seja, apresenta-se necessário que a tem a tensão
de saída continue a aumentar;
b) Se a tensão de saída passa de VC para VD, ( ∆VPainel > 0) e uma vez que
∆PPainel < 0, é necessário diminuir a tensão para que se aproxime de
VMPP.
A tabela que se segue resume as leis de controlo para as várias situações
possíveis:
Tabela 4.3 – Evolução do sistema e leis de controlo de sistema MPPT.
68
68
Energia Solar Fotovoltaica
O valor inicial de δ deve ser cuidadosamente seleccionado [11], sendo depois
ajustado utilizando-se, normalmente, incrementos constantes (∆δ), segundo as
expressões:
‹ = -=ŒS*∆P
) . ∙ *∆P
) .
(4.13)
 = l + ‹ ∙ ∆
(4.14)
Uma das vantagens do método “P&O Orientado” para o seguimento do MPP é
obrigar a efectuar medidas de temperatura e de radiação solar incidente, o que
por si só origina uma redução considerável no custo do sistema de controlo. A
cada iteração é apenas necessário medir a tensão (VPainel) e a potência (PPainel)
do painel fotovoltaico e ajustar o duty-cycle (δ) de acordo com (4.13) e (4.14),
Para que melhor se possa perceber o algoritmo “P&O Orientado”, atenda-se ao
seguinte fluxograma, [11]:
Figura 4.31 – Fluxograma do algoritmo “P&O Orientado”.
4.4.4.2 Algoritmo “P&O Modificado”
A outra variante do algoritmo “Perturbação & Observação” é o algoritmo “P&O
Modificado” e implica a medição da radiação (para além da potência de saída
do painel). O principal problema que o algoritmo “P&O Orientado” apresenta
ocorre no momento em que uma variação brusca da radiação solar incidente
69
69
Energia Solar Fotovoltaica
acontece, ocasionada, por exemplo, pela passagem de uma nuvem. Nesse
momento, a potência produzida pelo gerador fotovoltaico varia também
bruscamente, o que pode fazer com que o sistema seja incapaz de detectar a
direcção apropriada na mudança de δ. Se o algoritmo “P&O Orientado” for
modificado ligeiramente, essa limitação pode ser corrigida.
Figura 4.32 – Fluxograma do algoritmo “P&O Modificado”.
A variação da radiação luminosa influencia directamente a corrente proveniente
do gerador fotovoltaico, pelo que um incremento da radiação produz um
aumento da corrente do MPP (IMPP), sendo que o contrário também se sucede.
Este método possui, no entanto, a desvantagem óbvia de requerer mais
sensores, embora não seja necessário ter um a medida muito precisa da
radiação.
70
70
Energia Solar Fotovoltaica
4.4.4.3 Algoritmo “IncCond”
O algoritmo “IncCond”, ou método da “Condutância Incremental”, requer a
medida da tensão e da corrente de saída do painel e explora o facto de a
derivada da potência em relação à tensão no ponto de máxima potência (MPP)
ser zero, ou seja:
G~’u
G`’u
=0
(4.15)
Para que melhor se possa compreender a ideia, atenda-se à figura 4.33, [18]:
Figura 4.33 – Curva característica Tensão vs Corrente, e derivada no MPP.
A potência máxima é dada por:
~` =
~`
∙ ~`
(4.16)
Derivando PPV em ordem à tensão e igualando a zero para obter o valor
máximo da potência, fica.
G~’u
G`’u
=
GRj’u ∙`’u U
G`’u
=
~`
Gj
+ ~` ∙ G`’u = 0
’u
(4.17)
Reescrevendo a equação anterior, conclui-se que:
Gj’u
G`’u
j
= − `’u
’u
(4.18)
Ou seja, a equação (4.18) permite simplificar o algoritmo “IncCond”, uma vez
que se torna desnecessário o cálculo da derivada.
No ponto de máxima potência (MPP), a condutância incremental é igual ao
simétrico da condutância, como se pode constatar pela figura 4.34, [18]:
71
71
Energia Solar Fotovoltaica
Figura 4.34 – Igualdade entre condutância incremental e negativo da condutância.
Se a figura 4.30 for analisada pormenorizadamente, constata-se que a
condutância incremental é superior ao simétrico da condutância em pontos à
esquerda do MPP, e inferior nos pontos à direita do MPP.
Assim, o fluxograma do algoritmo “IncCond” é o seguinte (figura 4.35, [18]):
Figura 4.35 – Fluxograma do algoritmo IncCond.
72
72
Energia Solar Fotovoltaica
Em comparação com os métodos “P&O”, este método tem como importante
vantagem uma resposta mais rápida a variações bruscas de temperatura e/ou
de radiação. No entanto, este método requer uma máquina com maior
capacidade de processamento. Outra desvantagem deste método tem a ver
com a necessidade de serem efectuadas algumas divisões, o que poderá
originar erros com consequências graves no processamento dos cálculos
quando o denominador se aproxima perigosamente de zero.
4.5 Conclusões
Actualmente, e devido a uma crescente preocupação por parte do grande
público no que diz respeito aos aspectos relacionados com a poluição e com a
não sustentabilidade das actuais fontes de energia, o recurso a energias mais
limpas e renováveis tem tido uma cada vez maior procura. Além do mais, as
vantagens que a energia solar fotovoltaica apresentam são bem mais do que
as suas desvantagens.
Vantagens:
• Consumo inexistente de combustível;
• Vida útil superior a 20 anos, em muito se devendo à inexistência de
componentes móveis;
• Processo silencioso;
• Baixo custo de manutenção;
• Resistência a condições climatéricas extremas, tais como temperatura,
vento, humidade ou granizo;
• Não geração de poluição ou contaminação ambiental;
• Permissão para o aumento da potência instalada, bastando para tal
recorrer à incorporação de módulos adicionais;
• Permissão do fornecimento de energia eléctrica em zonas longínquas,
obtendo um custo inferior ao dos sistemas clássicos visto que evita a
instalação de redes de transporte de energia;
• A radiação solar encontra-se disponível em quantidades muito elevadas,
em todos os locais da Terra, sendo eternamente renovável.
Desvantagens:
• Elevados custos de implementação;
• Possibilidade do clima não ser favorável;
• Problemas do ponto de vista estético decorrentes da instalação dos
sistemas de aproveitamento de energia solar;
73
73
Energia Solar Fotovoltaica
•
•
•
•
74
Necessidade de se recorrer a sistemas de acumulação de energia
(p. ex. baterias), devido ao irregular fornecimento de energia;
Limitação de utilização devida à área requerida para a instalação dos
sistemas de aproveitamento de energia solar (regime bonificado);
Custos elevados, por kWp, dos sistemas solares fotovoltaicos, que
variam entre 6 a 20 vezes o custo do kWp dos sistemas convencionais;
Impactos negativos no ambiente durante as fases de produção,
construção e desmantelamento.
74
Outras Energias para uso Doméstico
5 Outras Energias para uso Doméstico
A energia térmica e fotovoltaica, constituem as formas de energia renovável
mais interessantes no que diz respeito à microgeração para aplicações
domésticas e serviços. Existem, no entanto, em termos de micro/minigeração,
alternativas que podem ser interessantes para instalações como quintas,
antigos moinhos, pequenas instalações industriais, etc. Exemplos importantes
são o aproveitamento da energia hídrica e eólica, para além das várias formas
de bioenergia. Em seguida far-se-á uma breve referência a estas alternativas.
A produção de energia eléctrica com o recurso a fontes de energia renováveis,
tais como a água ou o vento, não se limita às grandes barragens com as suas
imensas albufeiras, ou a gigantescos geradores eólicos colocados nos topos
dos montes. É possível aproveitar-se estas duas formas de energia a uma
escala bem mais reduzida, tal como se sucede com as mini e microproduções
hídricas e eólicas.
5.1 Mini-Hídricas
Uma queda de água num pequeno rio pode ser visto como uma fonte de
renovável e gratuita de energia. Em propriedades rurais, este tipo de condições
naturais são comuns, sendo que o aproveitamento energético é possível
recorrendo-se à instalação de uma minicentral hidroeléctrica.
Por definição, uma minicentral hidroeléctrica é uma central de fio de água, que
não necessita de reservatório para efectuar o armazenamento de água, [43], e
cuja potência seja inferior a 10 MW. De uma forma geral, uma mini central é
composta por uma barragem de desvio, por uma tomada de água, pela câmara
de carga, casa das máquinas, tubulação e linhas de transmissão e distribuição
de energia. No entanto, a turbina hidráulica é o componente mais importante de
uma central, visto que é ela que converte a energia das águas,
transformando-a em energia mecânica. Na figura 5.1, [43], mostra-se um
esquema de uma central mini-hídrica.
75
75
Outras Energias para uso Doméstico
Figura 5.1
5. – Figura ilustrativa de uma mini-hídrica.
A instalação de uma minicentral hidroeléctrica numa propriedade rural permite
a redução da
a factura eléctrica (quando interligada com a rede eléctrica),
eléctrica) ou
possibilitar o recurso à electricidade (funcionando como um sistema isolado).
isolado)
No entanto, para um aproveitamento máximo,
máximo, é importante escolher-se
escolher
o tipo
de central que melhor se adequa ao curso de água existente na propriedade,
de acordo com o caudal e o desnível do local.
local
A instalação de uma mini-hídrica
mini
é relativamente simples e de baixo custo,
custo
apresentando custos de manutenção praticamente nulos. No entanto, é
necessário obter previamente um conjunto de dados essências para a escolha
da melhor solução e dimensionamento da central.
central
5.1.1 Cálculo de uma Mini-Hídrica
Mini
Para se calcular o capacidade da mini-hídrica a instalar,, é necessário conhecer
o potencial hidroeléctrico do local, medindo o caudal do curso de água e a
altura da queda. Segundo alguns autores, a altura da queda de água deve ser
sempre superior a 1 metro para que o aproveitamento seja
se economicamente
interessante.
Medição do Caudal
São vários os métodos existentes para a medição do caudal de água. No
entanto, para se efectuar a análise do recurso hidrológico devem ser fornecidos
os caudais médios diários e mensais, para se calcular
calc
e energia média
produzida. É importante também ter-se
ter se os dados dos caudais em ano seco,
húmido e normal – informação útil para se poder estudar cenários – útil para o
76
76
Outras Energias para uso Doméstico
dimensionamento de estruturas de retenção de água e descarregadores, e os
dados dos caudais ecológicos – importante para calcular o caudal turbinável.
Apresentam-se em seguida alguns dos métodos utilizados para a medição do
caudal de água.
a) Método do Cano Cheio
O método do cano cheio consiste em mergulhar horizontalmente diversos
pedaços de tubo (com diâmetros distintos) no leito do rio, por forma a fazer
com que a água encha na totalidade um determinado tubo. De acordo com o
diâmetro do tubo, quando totalmente cheio, o caudal proposto em [43], é dado
pela tabela seguinte, que considera um comprimento de tubo de 50 cm e 4,5
segundos necessários para a água atravessar o mesmo:
Tabela 5.1 – Tabela que relaciona diâmetro do tubo com caudal.
b) Método do Tambor
Apenas aplicável em pequenos cursos de água, este método consiste em
colocar um tambor ou um balde, com volume conhecido, sobre a queda de
água. Em seguida, mede-se o tempo que o recipiente demora a encher. Se for
dividido o volume do recipiente pelo tempo de enchimento do mesmo, obtemos
o caudal do curso de água, (equação 5.1)
/;/0 = R0 ⁄=U
`
(5.1)
c) Método do Flutuador
Em relação ao método do flutuador, existem algumas considerações que
devem ser apreciadas. No primeiro passo, deve-se escolher um trecho do rio
cuja secção seja uniforme e cujo trajecto seja recto. Em seguida, deve-se
esticar duas cordas que atravessem o rio, e cuja distância (d) de uma para a
outra seja relativamente curta (10 metros, p.ex.) tal como a figura abaixo
exemplifica, [44]:
77
77
Outras Energias para uso Doméstico
Figura 5.2 – Método do flutuador.
Por baixo de cada uma das cordas, e em S locais distintos, deve ser medida a
profundidade do rio, por forma a se calcular a profundidade média do mesmo.
Se forem somadas as medições efectuadas por baixo de cada corda, e se
dividir pelo número de medições efectuadas, obtemos a profundidade média do
rio.
O passo seguinte a ser efectuado é a medição da largura do rio. Com tal
medição, é possível calcular-se
calcular
a secção do rio, recorrendo-se
se à expressão
(5.2):
Q = $:“.qéG ∙ 0 R U
(5.2)
Após ter sido efectuado o cálculo da secção do rio, segue-se
segue se a medição da
velocidade das águas. Para que tal medição seja efectuada, utiliza-se
utiliza
um
flutuador, p. ex. uma garrafa com água pela metade, e mede-se
mede se o tempo + que
esta demora a percorrer uma distância
dist
,, podendo esta distância ser a mesma
entre as duas cordas anteriormente referidas. Posto isto, a velocidade média
será dada por, [44]:
=
G
R⁄=U
(5.3)
Após todos os parâmetros anteriores terem sido calculados, o caudal do rio é
dado pela seguinte expressão, [44]:
' = Q ∙ ∙ " R ⁄=U
(5.4)
Na expressão (5.4) " , um coeficiente de correcção, que toma o valor de 0,8,
se o fundo do rio for rochoso, ou 0,9, se o fundo for lodoso,
lodoso [45].
Medição da Altura da Queda de Água
78
78
Outras Energias para uso Doméstico
Domésti
De entre os mais variados métodos existentes para se efectuar a medição da
altura da queda de água, um é a que a figura 5.3, [44] nos ilustra.
ilustra
Figura 5.3
5. – Método para a medição da queda de água.
Tendo como ponto de partida o ponto mais baixo da queda de água,
água eleva-se
uma vara medidora,, traçando uma perpendicular no topo da vara até se atingir
a encosta. Esse ponto de intersecção é o ponto de partida para uma nova
medição. A altura da queda de água é a soma das várias medições
medições efectuadas.
Existem outros métodos de medição da altura da queda de água, tal como o
caso do método da mangueira. Neste método enche-se
enche se uma mangueira com
água, colocando-se
se uma das pontas no topo da queda de água. A outra ponta
será levada até ao início da queda, sendo erguida até que a água deixe de sair
da mangueira. Quando tal acontecer, ambas as extremidades da mangueira
encontram-se
se ao mesmo nível, sendo assim possível medir-se
medir se a altura da
queda.
Cálculo da Potência da Mini-Hídrica
Mini
Para se escolher a turbina mais adequada à instalação, é necessário
necess
calcular-se
se a potência da mini-hídrica.
mini ídrica. Para se efectuar tal cálculo, é necessário
conhecer-se
se a altura da queda de água (h)
( ) e o caudal de água (Q),
(
calculando-se
se então a potência do seguinte modo:
modo
= ' ∙ ∙ • RU
(5.5)
O coeficiente • define-se
define
a partir da aceleração da gravidade e dos
rendimentos da turbina e do alternador
alternado utilizados:
• = ∙ V
∙ η)
G
(5.6)
O valor típico para • varia entre 5 e 6, para rendimentos da turbina e do
alternador próximos de 80%.
79
79
Outras Energias para uso Doméstico
5.2 Minieólicas
A energia eólica é a energia que o vento disponibiliza,
disp
, e que pode ser
aproveitada para a produção de energia eléctrica. A energia (cinética) do vento
faz girar as pás de uma turbina, que por sua vez acciona um gerador, que
converte a energia mecânica em electricidade,
electricidade [29].
A instalação de microturbinas eólicas encontra maior facilidade de
aproveitamento energético em espaços abertos, existindo a possibilidade de
serem instaladas no topo de edifícios, desde que existam condições favoráveis
para a sua aplicação. Na figura que se segue, [46] encontra-se
se exemplificado a
instalação de uma microeólica no topo de um edifício.
Figura 5.4 – Figura exemplificativa
exempl
da instalação de uma minieólica.
ólica.
A conversão da energia do vento em energia eléctrica faz-se
faz
normalmente com
ventos superiores a 3 m/s, o correspondente a 11 km/h, [47]. Para além da
turbina e do gerador, o sistema comporta outros componentes, sendo o mais
importante um conversor electrónico
electrónico (e respectiva unidade de controlo) que
garante que a energia eléctrica é produzida segundo parâmetros apropriados à
sua utilização.
Na figura 5.5, [47] apresenta-se
apresenta
o funcionamento de um sistema minieólico com
ligação á rede eléctrica:
Figura 5.5 – Interligação de uma minieólica à rede eléctrica.
80
80
Outras Energias para uso Doméstico
Apesar de Portugal não ser um país excessivamente ventoso, nas zonas
próximas da costa e em zonas montanhosas possui um potencial eólico
interessante. Por forma a permitir encontrar locais com velocidades de vento
adequadas ao aproveitamento eólico, o INETI desenvolveu a ferramenta “Atlas
do Vento”, que permite estimar a velocidade do vento numa determinada
coordenada do território de Portugal continental (figura 5.6).
Figura 5.6 – Potencial eólico em Portugal.
Por observação da figura 5.6, é no litoral que existe maior intensidade de vento,
sendo também no litoral que se encontram as maiores necessidades
energéticas do nosso país.
São vários os tipos de miniturbinas eólicas existentes, com potências que
variam entre os 0,5 kW e os 80 kW.
5.3 Bioenergia
Bioenergia, ou energia da biomassa refere-se, no contexto energético, ao
material biológico proveniente dos seres vivos que pode ser convertido em
energia, [48] (electricidade, combustível ou calor). Os materiais biológicos que
se incluem na bioenergia são resíduos e produtos agrícolas, das florestas e de
indústrias relacionadas, bem como uma fracção biodegradável dos resíduos
industriais e urbanos. De referir que, e apesar de serem provenientes de seres
81
81
Outras Energias para uso Doméstico
vivos, tal como à biomassa, o carvão e o petróleo não são considerados como
uma fonte renovável, já que resultam de processos geológicos.
A forma mais tradicional de utilização da energia da biomassa é a queima de
lenha e resíduos florestais para aquecimento e preparação de alimentos. Para
produção de energia eléctrica, a energia da biomassa é a segunda fonte de
energia renovável mais utilizada, logo a seguir à energia hídrica. Grande parte
da energia eléctrica produzida é sob a forma de cogeração, ou seja, produção
combinada de electricidade e energia térmica, embora existam outros produtos
energéticos derivados da biomassa, tais como o biogás (digestão de matéria
orgânica), o etanol (combustível líquido derivado da biomassa vegetal) e os
briquetes (compactação de matéria vegetal).
No nosso país, a combustão de madeira ou de resíduos florestais são a
utilização mais comum da energia da biomassa, quer no sector doméstico ou
industrial.
Em relação às vantagens e desvantagens da bioenergia, estas são:
Vantagens
• Baixo custo de aquisição;
• Favorável à redução de emissões de gases: as emissões não
contribuem para o efeito de estufa;
• Minimização do risco de incêndios, devido à limpeza das florestas;
• Permite redução da importação dos derivados do petróleo.
Desvantagens
• Menor poder calorífico;
• Desflorestação;
• Dificuldades de armazenamento da matéria-prima.
82
82
Projecto de Aproveitamentos Solares
6 Projecto de Aproveitamentos Solares
Neste capítulo descreve-se a utilização de uma ferramenta para análise
desempenho e projecto de aproveitamentos solares – o Solterm – em 2
exemplos de aplicação: uma instalação solar térmica e outra fotovoltaica. Em
ambos os casos que os sistemas são instalados numa habitação unifamiliar
situada em Braga.
Aproveitando uma instalação fotovoltaica existente da Universidade do Minho
(pólo de Guimarães), desenvolvida no âmbito do projecto SINUS foram
testados diferentes algoritmos de controlo do MPPT, no sentido de tentar
melhorar a eficiência do sistema fotovoltaico. Este desenvolvimento constitui a
componente prática da dissertação e é igualmente descrito neste capítulo.
6.1 Sistemas Solares Térmicos
A instalação de sistemas solares térmicos é, no panorama nacional, o tipo de
aproveitamento energético mais atractivo no que diz respeito aproveitamento
de energias renováveis. Refira-se ainda, a obrigatoriedade da sua instalação
em novas habitações e em reconstruções com áreas superiores a 1000 m2,
torna este tipo de sistemas cada vez mais interessantes.
Para que uma simulação possa ser efectuada, é necessário pressupor um
espaço físico para a instalação deste tipo de sistema. Neste caso, supôs-se
que se trata de uma habitação unifamiliar, ainda em fase de projecto, e que se
irá situar na freguesia de Ferreiros, Braga.
O INETI – Instituto Nacional de Engenharia, Tecnologia e Inovação, −
disponibiliza o programa Solterm, versão 5, um sistema de análise de
desempenho de sistemas solares térmicos e fotovoltaicos, elaborado pelo
Laboratório de Estado Português na área da Energia. Com base neste
programa foram efectuadas algumas simulações, tais como as que em seguida
se transcrevem.
Quando é executado o programa de simulação, e após as configurações
iniciais próprias do programa, a janela “Clima e Local” é exibida. É nesta inicial
janela que são inseridos os parâmetros do projecto (figura 6.2).
83
83
Projecto de Aproveitamentos Solares
Figura 6.1 – Janela “Clima e Local”.
Neste caso (figura 6.1), inseriu-se o conselho de Braga na localização da
instalação. Para a localização escolhida o programa disponibiliza a irradiação
solar horizontal (directa e difusa) e a temperatura ambiente ao longo do ano.
Para além de ser possível definir a localização da instalação, na janela “Clima e
Local” é possível definir outros parâmetros, tal como e existência, ou não, de
obstruções horizontais (figura 6.2) resultantes de outras construções, montes
ou arbustos que interfiram na insolação directa do painel solar. Como seria de
esperar, quanto menor for o número de obstáculos, melhor será o
aproveitamento e mais elevado será o seu rendimento. No que diz respeito à
habitação em questão, não exigem quaisquer obstáculos à incidência directa
dos raios solares nos painéis.
Figura 6.2 – Definições de obstruções do horizonte.
84
84
Projecto de Aproveitamentos Solares
Uma vez terminadas as configurações da janela “Clima e Local”, é possível
avançar para a escolha do sistema solar térmico a utilizar. Para tal, é
necessário clicar no separador “Sistemas Térmicos” para que uma nova janela
surja.
É na janela “Sistemas Térmicos” que é possível configurar o sistema solar
térmico a utilizar (figura 6.3). Para tal, existem diferentes tipos de configurações
para os sistemas a utilizar, tais como: sistemas solares sem depósito,
sistemas solares com depósito ou kits domésticos. No âmbito do
dimensionamento de um sistema para uma moradia, as opções “sistema solar
com depósito” (a que melhor relação qualidade/rendimento/preço apresenta) e
“kits domésticos” (ideal para habitações já construídas) são as que melhor se
adequam.
Figura 6.3 – Componentes configuráveis de sistema solar.
Para que se possa analisar os dois sistemas solares anteriormente descritos,
estudar-se-á cada um deles separadamente.
6.1.1 Kit Doméstico
A utilização de sistemas por termossifão (também denominados kits
domésticos), encontra a idealidade de instalação em habitações já terminadas,
ou para quem não pretende desembolsar muito dinheiro com um sistema solar
térmico (podendo conseguir-se preços inferiores até 50% relativamente aos
sistemas de circulação forçada).
A colocação do conjunto solar (painel + depósito acumulador) é no telhado da
construção, quer este seja plano ou inclinado. A tubagem da rede de
abastecimento e da rede de consumo deve chegar junto do depósito
acumulador, por forma a que a água circule pelo circuito primário (figura 6.4):
85
85
Projecto de Aproveitamentos Solares
Figura 6.4 – Sistema solar de termossifão.
O kit a escolher deve ser certificado (caso se pretenda usufruir dos benefícios
fiscais a atribuir pelo estado), tendo o Solterm uma base de dados para a
escolha. No entanto, é possível acrescentar-se outros kits solares, inserindo-se
os parâmetros do kit.
Figura 6.5 – Kit solar da Solahart.
O kit solar Solahart 302J é um sistema que apresenta 2 painéis, que perfazem
uma área bruta de 4 m2, sendo o volume do termoacumulador de 300 litros. O
coeficiente de perdas térmicas dos painéis é de 4,2 W/K, o que o classifica
como um painel selectivo. Tal como requerido, este é um kit solar certificado.
As especificações deste kit solar podem ser vistas na figura 6.6, tal como um
gráfico com os ensaios efectuados de extracção de energia removida do
depósito solar.
86
86
Projecto de Aproveitamentos Solares
Figura 6.6 – Especificações do kit solar da Solahart.
O sistema de apoio escolhido, de entre as várias opções existentes (figura 6.7)
é o apoio eléctrico, que contempla a colocação de uma resistência de 1500 W
em local apropriado no depósito acumulador. O sistema apoio apenas deve ser
ligado (automaticamente) quando a radiação solar não for suficiente para o
aquecimento da água de consumo. Para tal deve ser colocada uma válvula
termoestática, para controlo da temperatura da água de consumo.
Figura 6.7 – Escolha do sistema de apoio ao aquecimento AQS.
É também necessário definir-se o tipo de consumo a efectuar na habitação.,
que será do tipo T3, e que poderá comportar 4/5 ocupantes. Partindo deste
princípio, configura-se o programa Solterm com tais parâmetros, de acordo
com os consumos regulamentares do Sistema de Certificação de Edifícios
(RCCTE) (figura 6.8).
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Projecto de Aproveitamentos Solares
Figura 6.8 – Configuração da ocupação da habitação.
Por análise da figura 6.8, constata-se que é necessário a preparação de um
mínimo de 160 litros de águas quentes para uma habitação com topologia T3,
(4 ocupantes), com uma temperatura nominal de consumo de 60℃. Quanto à
energia necessária para aquecer este volume de água diariamente, o valor
obtido, sem o recurso a colectores solares, seria aproximadamente de 8,4 kWh.
Sabendo que o kWh custa 0,1272€, [36], o custo médio diário de aquecimento
de águas, quando não aplicados sistemas solares térmicos, seria de 1,07€, o
que mensalmente se traduz num custo de 32,10€.
Depois de introduzidos todos os parâmetros e configurações, efectua-se a
análise energética do sistema a implementar. Para tal, torna-se necessário
clicar no separador “Análise Energética”, (figura 6.9) que quando surge no ecrã,
efectua todos os cálculos inerentes a esta análise.
Figura 6.9 – Análise Energética de um sistema termossifão.
88
88
Projecto de Aproveitamentos Solares
Atenda-se aos seguintes parâmetros na análise de desempenho:
• Rad. Horiz. – Energia da radiação solar global, incidente na horizontal
(kWh/m2);
• Rad. Inclin – Energia da radiação solar global, que incide no plano dos
colectores (kWh/m2);
• Desperdiçado – Energia dissipada (kWh);
• Fornecido – Energia fornecida ao consumo pelo sistema solar (kWh);
• Carga – Energia solicitada pelo consumidor (kWh);
• Apoio – Energia fornecida pelo sistema de apoio ao sistema solar
térmico (kWh).
Por análise da figura 6.9, constata-se que a radiação solar incidente no plano
do colector apresenta um valor superior à radiação solar que incide na
horizontal. No que diz respeito à energia desperdiçada pelo sistema solar, esta
ocorre de Abril a Setembro, com especial incidência nos meses de Julho e
Agosto (normalmente os meses mais quentes do ano). Em relação aos três
últimos itens, estes mostram-nos as necessidades energéticas, bem como a
energia fornecida, quer pelos painéis solares, quer pelo sistema de apoio.
Constata-se que nos meses iniciais e finais do ano, a necessidade de apoio
energético é mais acentuada, tal como seria de esperar.
O quadro da análise energética ainda nos disponibiliza três outros valores:
“Produtividade”, “Fracção Solar” e “Rendimento Global Anual do Sistema”. Para
se efectuar os cálculos destes três itens é necessário dispor-se de todos os
dados anteriormente mencionados.
Produtividade
$:;+ŒŒ/< =
˜ ,
"G
Fracção Solar (FS)
œ =
q™ ")"O
=
˜ ,
"G
"˜
š6
›
= 431,5 !/ %:0<%+:$ (6.1)
š6
= D6 = 56,5%
(6.2)
Rendimento Global Anual do Sistema (RAG)
P
››
WQŸ = .,
"Gh ."˜ = š6hD6 = 30,2%
(6.3)
No que diz respeito à análise económica do sistema, o aspecto mais relevante
é o preço do sistema solar. Para este caso particular (sistema termossifão), o
custo do sistema ronda os 1.900€, de acordo com o programa do Governo,
“Medida Solar Térmica”, [50] (o Estado Português apoia em 50% a aquisição
deste tipo de sistemas). Quanto aos incentivos fiscais na aquisição de um
89
89
Projecto de Aproveitamentos Solares
sistema solar, estes são de 30% ou até 796€, mas quando o mesmo sistema
for instalado por um instalador certificado. Outro aspecto relevante é a
durabilidade do sistema solar, que, em média, ronda os 20 anos. Quanto aos
custos anuais de manutenção, estes rondam 0,5% do custo inicial do sistema.
Por fim, o custo, por kWh, da electricidade é de 0,1272€, [36].
Considerando todos os factores, bem como cenários financeiros, o programa
Solterm calcula o prazo de recuperação do capital (figura 6.10), que neste caso
se cifra em 6 anos (316,7€/ano), para uma rentabilidade de 8,4% ao ano.
Figura 6.10 – Análise económica do sistema por termossifão.
Devem ainda ser contabilizados os benefícios ambientais (figura 6.11)
inerentes à instalação deste tipo de sistemas, tendo por base o cumprimento
do protocolo de Quioto (período de 2008-2012). Num dado meramente
indicativo, e considerando que cada tonelada de CO2 evitada por ano
representa para à frágil economia mundial 0,185€, podemos considerar que
este sistema faz poupar à economia nacional 256,06€.
Figura 6.11 – Análise dos benefícios ambientais.
90
90
Projecto de Aproveitamentos Solares
6.1.2 Sistema com Depósito
Os sistemas por circulação forçada requerem um estudo mais aprofundado
do sistema e um conhecimento mais profundo da instalação. Ao invés dos
sistemas por termossifão,
ermossifão, estes sistemas são mais indicados para novas
construções, com a possibilidade de instalação de tubagem necessária.
necess
O painel escolhido para esta aplicação é o painel RS 210, da “Rigsun”, [51],
devidamente certificado pelas entidades competentes. Visto que
ue a “Rigsun”, tal
como muitos outros fabricantes de painéis solares,
solares, já disponibiliza kits
completos, o kit escolhido para este estudo engloba o seguinte material: 2
colectores solares
olares RS 210,
210 1 válvula de corte, 1 central solar,
s
1 grupo
hidráulico, e 1 depósito acumulador
a
de 300 litros.
Figura 6.12 – Colector solar RS 210.
Os colectores solares (figura 6.12) têm uma área individual de 2,1m2, o que no
total perfaz uma área de 4,2 m2. Um dos parâmetros mais importantes dos
painéis solares é o coeficiente de perdas a1, sendo neste caso de
3,191 W/m2/K, o que o torna num colector selectivo. Quanto ao rendimento
óptico do painel (ηo), neste caso é de 0,75 (75%).. Possuindo estes dados,
podemos avançar com o dimensionamento da instalação. Para tal, recorreu-se
recorreu
a dados fornecidos
idos num curso ministrado pelo ISQ, [52].
O primeiro passo a ser dado é o cálculo do caudal, de forma a ser possível
dimensionar a bomba circuladora. Deste modo, temos:
%/;/0 =
D3¡ 36DD
›¢
=
D3,m36DD
›¢
= 27,45 0/ ∙ :$/
(6.4)
O cálculo anterior apenas nos dá o caudal por m2 instalado. Para se calcular o
caudal total multiplica-se
se o valor anterior pela área de colectores solares
instalados (%/;/0 +:+/0 = %/;/0 3 4,2 = 115,3 0/:$/). Para o circuito
91
91
Projecto de Aproveitamentos Solares
primário deverá ainda ser contabilizado o anticongelante a misturar (glicol),
num valor percentual de 15%.
Após se calcular o caudal do circuito primário, é necessário dimensionar a
regulação do caudalímetro. O caudalímetro é o elemento solar que efectua a
regulação da velocidade do fluído solar (água mais glicol) no circuito primário.
$<;0/çã: %/;/0Œ<+$: =
"G) )
6D
=
š,›3›
6D
= 1,92 0/ŒS
(6.6)
Quanto ao sistema de apoio, será considerado eléctrico.
O correcto dimensionamento do diâmetro da tubagem do circuito primário
(desde os painéis até ao acumulador) é fundamental para extrair o máximo
rendimento de uma instalação solar térmica. Um dimensionamento incorrecto
desta tubagem originará perdas de rendimento indesejadas no circuito, quer na
situação em que a tubagem esteja subdimensionada (obrigando o excesso de
água a ser libertado para o exterior por intermédio do purgador), quer a
tubagem esteja sobredimensionada (originando perdas térmicas pela não
ocupação do espaço).
∅=
¦
"G) )
¡§§§
¨E§§
§,©
ª
3 2000 =
¦
,
¡§§§
¨E§§
§,©
ª
= 7,2 (6.7)
De acordo com o diâmetro calculado (Ø 7,2 mm2), deve-se considerar-se uma
tubagem com diâmetro superior, p. ex. Ø 10 mm2 (secção mínima no programa
Solterm, ou usualmente comercializada).
Existem ainda outras questões a ser consideradas, tais como o tamanho da
serpentina a ser utilizada no acumulador solar, ou o tamanho do vaso de
expansão/válvula de segurança que deve ser usado, quer no primário, quer no
secundário.
Quanto ao tamanho da serpentina, é boa prática que cada m2 de painel solar
equivale a 0,3 m de serpentina, [52]. Neste caso em estudo, como temos 4,2m2
de superfície solar, o tamanho da serpentina deve ser de 1,26 m.
Deve ser instalados dois vasos de expansão, sendo um circuito primário e
outro no circuito secundário. Para um correcto dimensionamento do vaso de
expansão deve-se considerar-se o aumento do volume do líquido em função da
temperatura, que é diferenciado para os circuitos primário e secundário.
No circuito primário a temperatura de referência do mesmo é de 90ºC, o que
origina o valor de referência 0,181 (obtido por 0,0362 3 5), [52]. Atendendo a
92
92
Projecto de Aproveitamentos Solares
este valor de referência, o dimensionamento do vaso de expansão do circuito
primário é dado pela expressão (6.8), [52]:
/=: < «/S=ã: = 0,181 3 0"" Pqá
(6.8)
Para se calcular a quantidade de litros do primário é necessário saber que cada
painel tem capacidade para 1,6 litros (dados do fabricante), que a tubagem
principal suportará 1,72 litros (área do tubo x comprimento), e que na
serpentina do acumulador encontrar-se-á 0,20 litros, perfazendo ao todo
3,52 litros. Deste modo, o vaso de expansão do primário terá como base o
seguinte:
/=: < «/S=ã: = 0,181 3 3,52 = 0,640
Quanto ao vaso de expansão do circuito secundário, a temperatura de
referência é de 80ºC, originando o valor de referência 0,148 (obtido por
0,0296 3 5), [52]. Tal como anteriormente foi calculado o vaso de expansão do
circuito primário, para o circuito secundário temos, [52]:
/=: «/S=ã: = 0,148 3 0"q)G R0U
(6.9)
Como está a ser considerado um depósito acumulador de 300 litros, o vaso de
expansão deve ter a capacidade de 44,4 litros.
Inserindo no programa Solterm os dados obtidos nos pontos anteriores, obtémse a seguinte análise energética do projecto:
Figura 6.13 – Análise energética sistema circulação forçada.
Comparando directamente este estudo com o efectuado para o sistema por
termossifão (figura 6.9), constata-se um aumento do rendimento global anual
93
93
Projecto de Aproveitamentos Solares
do sistema (de 26% para 33%), bem como a anulação do desperdício
energético do sistema (anteriormente cifrado em 41 kWh). Por outro lado, a
carga pretendida mantém-se inalterada (é o mesmo consumo), a potência
fornecida pelo sistema solar aumenta em cerca de 18% (de 56,5% para
74,7%), originando uma descida da energia fornecida pelo apoio energético
num valor similar. Uma possível explicação para este aumento do rendimento
energético pode passar pela colocação do depósito solar no interior da
habitação, o que reduz as perdas térmicas do acumulador.
Quanto à análise económica deste sistema (figura 6.14), constata-se que o
preço de um sistema de circulação forçada é algo superior a preço de um
sistema solar por termossifão (3100€ contra 1900€), segundo o programa
governamental “Medida Solar Térmica”, [50]. Quanto ao restante, é de
assinalar um custo ligeiramente superior na manutenção anual do sistema,
apesar de ser mantida a percentagem global, bem como a manutenção de
todos os outros parâmetros passíveis de serem alterados. Um outro dado
bastante importante cifra-se no benefício fiscal que este tipo de produtos
permitem obter, sendo que esta solução (circulação forçada), e de acordo com
o preço do kit, alcança o máximo do benefício fiscal (796€). Por fim, e de
acordo com os cálculos efectuados pelo programa Solterm, constata-se que a
recuperação do capital investido situa-se nos 8 anos (387,5€/ano), dois anos
mais do que o sistema termossifão.
Figura 6.14 – Análise económica sistema circulação forçada.
Os impactos ambientais evitados, quando se recorre a este tipo de sistemas
(comparado com o sistema de termossifão), são substancialmente superiores –
1384,4 ton CO2/ano (figura 6.11) contra 1830,1 ton CO2/ano (figura 6.15). Em
94
94
Projecto de Aproveitamentos Solares
termos monetários, e atendendo ao mesmo valor de 0,185€ por tonelada de
CO2 emitido, este sistema efectua uma poupança para o estado português de
338,57€ em emissões para a atmosfera.
Figura 6.15 – Impactos ambientais evitados (sistema circulação forçada).
6.2 Sistemas Solares Fotovoltaicos
Em seguida descreve-se a utilização do programa Solterm para análise e
projecto de um sistema fotovoltaico na mesma habitação utilizada para o
sistema solar térmico.
6.2.1 Instalação fotovoltaica em habitação
Na parametrização do programa Solterm admitiu-se uma área de telhado da
habitação de 51 m2, dos quais cerca de 4,2 m2 se encontram ocupados pelo
sistema solares térmico, restando cerca de 40 m2 para a implementação de o
sistema fotovoltaico.
Em primeiro lugar é necessário configurar o tipo de utilização que que se
pretende dar aos módulos fotovoltaicos. De entre as opções disponíveis
(“Sistemas Autónomos sem Apoio”, “Sistemas Autónomos com Gerador de
Apoio” e “Sistemas Ligados à Rede, de Baixa Tensão”), a opção “Sistemas
Ligados à Rede, de Baixa Tensão” é a mais indicada para este estudo, visto
que se incorpora no regime bonificado, ou seja, permite vender o excedente de
energia produzida à rede eléctrica. Em seguida é necessário escolher o módulo
fotovoltaico a utilizar.
Figura 6.16 – Painel fotovoltaico SW175, da Solarworld.
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95
Projecto de Aproveitamentos Solares
Após uma pesquisa aprofundada sobre painéis fotovoltaicos em alguns sites de
fabricantes [53 a 69] e na base de dados do Solterm, o módulo escolhido foi o
SW175 (figura 6.16) da “Solarworld”, [55], fabricado com células
monocristalinas, e cujas características, de acordo com o fabricante, são as da
tabela na tabela 6.1:
Tabela 6.1 – Características do módulo fotovoltaico.
De acordo com os valores da tabela 6.1, sabendo que o telhado da habitação
ainda dispõe de uma área utilizável de 40 m2 e que cada grupo de painéis
dispõe de um módulo, serão utilizados 20 grupos de módulos fotovoltaicos para
perfazer uma área total de 26,1 m2, com uma potência total de 3,5 kW (figura
6.17).
Figura 6.17 – Configuração dos módulos fotovoltaicos.
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96
Projecto de Aproveitamentos Solares
Depois de escolhido e configurado o conjunto “módulos fotovoltaicos”,
visitou-se vários fabricantes de inversores para módulos fotovoltaicos, [40, 53,
70 a 76], tendo sido escolhido o inversor Fronius IG 40 (figura 6.18):
Figura 6.18 – Inversor Fronius IG 40.
Como o inversor Fronius IG 40 não se encontra inserido no programa Solterm,
foi necessário o inserir no programa, de acordo com os parâmetros da tabela
6.2 (dados do fabricante).
Tabela 6.2 – Características do inversor Fronius IG 40.
Após se inseridos os dados do inversor escolhido, efectuou-se uma análise
energética ao sistema, (figura 6.19). Alguns dos parâmetros presentes na
análise energética são os seguintes:
• E(rad) – Energia solar incidente no painel fotovoltaico (kWh);
• E(PV) – Energia eléctrica convertida pelo painel fotovoltaico (kWh);
• E(sist) – Energia eléctrica fornecida pelo sistema fotovoltaico (kWh).
97
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Projecto de Aproveitamentos Solares
Figura 6.19 – Análise energética ao sistema fotovoltaico.
O dado mais importante a reter é o baixo rendimento global do sistema (9,7%),
ligeiramente inferior ao rendimento esperado das células de Silício
monocristalino (ronda os 14%). Quanto ao rendimento que o sistema apresenta
entre a energia convertida pelo sistema fotovoltaico com a energia fornecida à
rede, esta é dada pela expressão 6.10:
V=
wƒw‚
’u
m¢¢
= ›› = 94%
(6.10)
Quanto à análise económica deste sistema, efectuada pelo programa Solterm,
pode ser observada na figura 6.20:
Figura 6.20 – Análise económica do sistema fotovoltaico.
98
98
Projecto de Aproveitamentos Solares
Tendo por base a figura 6.20, o valor mais relevante a retirar é a remuneração
anual do sistema, que se cifra em 1937 €. Considerado um gasto mensal de
electricidade a rondar os 45 €, o custo com electricidade anual ascende a
540 €. Deste modo, a rentabilidade do sistema seria de 1397 €/ano. Se for
considerado um custo para este sistema a rondar os 20.000€, a amortização do
sistema será num prazo de 14 anos, a partir dos quais o utilizador alcançará
lucro bruto com o sistema. No entanto, considerando o regime bonificado na
venda de energia, esta amortização seria reduzida em 7/8 anos.
Quanto aos impactos ambientais
fotovoltaico, atenda-se à figura 6.21:
evitados
recorrendo-se
ao
sistema
Figura 6.21 – Impactos ambientais evitados.
De acordo com a figura 6.21, serão evitadas as emissões de
3198,0 ton CO2/ano, o que corresponde a um benefício financeiro para o
estado português de 591,63€.
6.2.2 Implementação do algoritmo MPPT
A última etapa deste trabalho centra-se na implementação de um algoritmo
MPPT para uma estrutura fotovoltaica, instalada na Universidade do Minho,
Pólo de Guimarães, implementado pelo Departamento de Electrónica Industrial
da Universidade do Minho, no âmbito do projecto SINUS.
A instalação inclui um controlador MPPT que utiliza o método P&O e sofre de
algumas das limitações inerentes ao método, nomeadamente, um
comportamento pouco estável em algumas situações. Pretendeu-se verificar
até que ponto era possível melhorar o comportamento do controlador
recorrendo a outros algoritmos, concretamente, utilizando o método “IncCond”.
Os principais elementos constituintes do sistema implementado
Universidade do Minho são os que constam da figura 6.22:
99
na
99
Projecto de Aproveitamentos Solares
Figura 6.22 – Sistema fotovoltaico da Universidade do Minho.
O sistema montado consiste num conjunto de 16 painéis, com uma potência de
200W cada, perfazendo um total de 3200 W. o painel fotovoltaico utilizado é o
Kyocera KC200GHT-2, [81]. Possui ainda um conversor CC/CC step-up e um
Filtro Activo Paralelo Monofásico, que para além de ser um inversor compensa
também o factor de potência e a distorção harmónica. O esquema da
instalação é o apresentado na figura 6.23 (fonte: Eng.º Domingos Gonçalves,
Departamento de Electrónica Industrial da Universidade do Minho).
Figura 6.23 – Esquema da instalação na Universidade do Minho.
Começou-se por efectuar uma série de medições na instalação. Parte dos
valores medidos foram disponibilizados pelo próprio equipamento instalado
(inversor Sunny Boy, da SMA, figura 6.22, acima, à direita), tendo-se utilizado
equipamento adicional para registar temperaturas e radiação solar.
Concretamente, os valores medidos foram os seguintes:
100
100
Projecto de Aproveitamentos Solares
•
•
•
•
•
•
Pac – Potência no lado AC da instalação, em W;
Vac – Tensão do lado AC da instalação, em V;
PPV – Potência do conjunto fotovoltaico, em W;
VPV – Tensão do conjunto fotovoltaico, em V;
E. Diário – Potência diária extraída do conjunto fotovoltaico, em kWh;
Radiação (S) – Radiação solar incidente nos painéis, em W/m2.
Nas tabelas 6.3 e 6.4 registam os valores obtidos nas medições, para além de
alguns parâmetros que a partir delas foram calculados:
Tabela 6.3 – Valores da medição de 10 de Março.
Tabela 6.4 – Valores da medição de 23 de Abril.
É importante referir que as medições apresentadas, apesar de serem
efectuadas em dias diferentes, registaram-se em horário idêntico e em
condições meteorológicas semelhantes (céu limpo, com ausência quase total
de nuvens), embora com temperaturas bastante diferentes.
A primeira análise que pode ser efectuada passa pela influência que a
temperatura tem na potência gerada pelo sistema fotovoltaico. Tal como já foi
referido anteriormente, um sistema fotovoltaico produz, para a mesma radiação
tanto mais potência quanto mais baixa for a temperatura. Visto que não
possuía um medidor de radiação solar, foi utilizado um medidor de intensidade
luminosa.
101
101
Projecto de Aproveitamentos Solares
Figura 6.24 – Gráfico Potência vs Temperatura.
Figura 6.25 – Gráfico Potência vs Intensidade Luminosa.
Figura 6.26 – Gráfico Potência vs (Temperatura x Intensidade Luminosa).
102
102
Projecto de Aproveitamentos Solares
Por análise dos gráficos das figuras 6.24, 6.25 e 6.26, o facto que maior realce
obtém é o valor da potência gerada pelo sistema fotovoltaico, que será tanto
maior quanto maior for a razão entre a temperatura e a intensidade luminosa.
Se por um lado a potência diminui com o aumento da temperatura, com a
diminuição da radiação solar a potência também diminui. Por outras palavras,
para mesmas temperaturas incidentes no sistema solar, a potência gerada será
tanto maior quanto maior for a luminosidade incidente no mesmo, e quando a
luminosidade incidente tem valores aproximados, é gerada maior potência
quando a temperatura é mais baixa.
Com base no anteriormente referido, a utilização de um sistema solar
fotovoltaico em conjunto com um sistema de arrefecimento dos painéis solares,
p. ex. um sistema de rega, permitiria aumentar o seu rendimento. Uma outra
vantagem da utilização do sistema fotovoltaico junto de um sistema de rega
seria a lavagem dos painéis, garantindo a sua limpeza, garantindo que uma
maior quantidade de radiação atingisse os mesmos.
O rendimento do sistema solar, exposto nas tabelas 6.3 e 6.4, apresenta
valores elevados (quase sempre acima de 97%). No entanto, este apenas
contempla as perdas no inversor de potência, o que denota o grande
rendimento/baixas perdas que este apresenta.
Outro valor a ser analisado é o da evolução da potência injectada pelo sistema
fotovoltaico na instalação, que consta do gráfico da figura 6.27:
Figura 6.27 – Evolução da potência de saída ao longo do dia (kWh).
A potência de saída ao longo do dia, constatada na primeira medição é sempre
superior à potência de saída observada na segunda medição. Tal fica-se a
103
103
Projecto de Aproveitamentos Solares
dever à maior temperatura registada durante essa medição, visto que as
intensidades luminosas registadas são aproximadas.
Implementação do Algoritmo MPPT
Parte importante deste trabalho é a codificação e implementação de um
algoritmo MPPT, baseado no algoritmo “IncCond”. Para tal, utilizou-se a
estrutura fotovoltaica montada na Universidade do Minho. Outro ponto
importante nesta implementação foi a cedência, por parte do Eng.º Domingos
Gonçalves, Investigador do Departamento de Electrónica Industrial da
Universidade do Minho, das configurações necessárias para a implementação
deste algoritmo, centrando-se o trabalho realizado na elaboração do algoritmo
MPPT.
A elaboração do algoritmo MPPT foi desenvolvida na plataforma “Code
Composer Studio 3.1”, tendo o sistema de controlo digital implementado com o
DSP Texas, o TMS320F2812, [82]. No que diz respeito à amostragem, e a
implementada é a de 1 amostra por segundo.
A principal vantagem que o algoritmo “IncCond” apresenta, em comparação
com o algoritmo “Perturbação & Observação”, tem a ver com uma maior
rapidez de resposta. Esta rapidez de resposta torna-se importante na para
garantir um comportamento mais estável em situações como, p. ex., uma
variação brusca das condições climatéricas, em particular na radiação
incidente.
Figura 6.28 – Característica I-V.
No algoritmo a implementar, a variável de controlo é a corrente Iref, ajustada
actuando sobre o duty-cycle do conversor CC-CC. Se esta variável for
incrementada ou decrementada de forma adequada, é possível manter o ponto
de funcionamento o mais aproximado do ponto de máxima potência (MPP).
Outro ponto a se ter em conta são as leituras necessárias a efectuar (corrente
104
104
Projecto de Aproveitamentos Solares
e tensão), pelo que é a curva característica I-V aquela que deve ser
considerada (figura 6.28).
Ao algoritmo “IncCond”, apresentado anteriormente (figura 4.35), corresponde
a 6 estados distintos, que conduzem a diferentes condições de controlo. A cada
um destes estados foi atribuído um valor numérico que o identifica (imputado à
variável “FlagMppt. Este valor é afixada no display do inversor da instalação
(figura 6.22, baixo, direita), e permite saber quais as acções de controlo que
estão em curso.
Em seguida descreve-se quais a acções de controlo que são desencadeadas
em cada estado.
•
FlagMppt = 1;
(dV = 0 e dI = 0)
Esta primeira situação indica uma possível não variação do ponto de
funcionamento do painel, mantendo tanto o valor da corrente como o da
tensão. Idealmente, tal deveria acontecer no MPP, mas na realidade poderá
não acontecer em tal ponto. Como tal, é necessário criar diferentes formas de
controlo, dependendo sempre do local onde se encontra o ponto de
funcionamento. Para que se perceba quais os possíveis locais onde se pode
encontrar o ponto de funcionamento do sistema, atenda-se à figura 6.29.
Figura 6.29 – Possíveis pontos de funcionamento (FlagMppt=1).
Quando o ponto de funcionamento se encontra em a), este deveria ser
deslocado para mais próximo do MPP, decrementando-se ligeiramente a
corrente Iref. Quando o ponto de funcionamento se encontra em b), ou seja, no
MPP, este deverá nesse ponto ser mantido, visto ser nesse local onde se
consegue extrair a máxima potência do painel. Por fim, se o ponto de
funcionamento se encontrar em c), é necessário variar drasticamente o valor
da corrente Iref, incrementando o seu valor de forma a deslocar o ponto de
funcionamento para a esquerda do MPP.
105
105
Projecto de Aproveitamentos Solares
•
FlagMppt = 2;
(dV = 0 e dI > 0)
Nesta segunda situação, o ponto de funcionamento mantém a mesma tensão
de funcionamento – salvo variações mínimas, aqui não interpretadas como
variação, − sendo que a corrente de referência deve sofrer um incremento, de
forma a se aproximar do MPP. Por observação da figura 6.30, tal apenas
ocorre à direita do MPP.
Figura 6.30 – Possíveis pontos de funcionamento (FlagMppt=2).
Quando o ponto de funcionamento se encontra à direita do MPP, tal como a
figura 6.30 o demonstra, torna-se importante perceber onde realmente se
encontra o mesmo, ou seja, o controlo da corrente deverá ser mais incisivo
quando o ponto de funcionamento estiver mais distante do MPP. Tal pode ser
verificado pela variação de potência que o sistema sofre.
•
FlagMppt = 3;
(dV = 0 e dI < 0)
Nesta situação, a corrente sofre um decremento, sendo que o ponto de
funcionamento do sistema encontra-se, tal como na situação anterior, à direita
do MPP (Figura 6.20). No entanto, o controlo desta situação deverá ser sempre
incisivo, por forma a evitar o afastamento do ponto de funcionamento em
relação ao MPP, ou no pior dos casos, evitar que o ponto de funcionamento se
desloque para a intersecção com o eixo das coordenadas.
•
FlagMppt = 4;
(dV ≠ 0 e
­®
­¯
¯R°U
= − ®R°U)
Quando ocorre uma variação da tensão, torna-se necessário efectuar-se
alguns cálculos, em especial divisões, que devem ser analisadas antes de se
realizarem. Deste modo, torna-se imperial não permitir que ocorram erros de
cálculo nessas divisões, que se sucedem sempre que dI = 0 ou V(i) = 0. Para
que (dV/dI = I(i)/V(i)) aconteça, o ponto de funcionamento encontrar-se-á ou na
106
106
Projecto de Aproveitamentos Solares
intersecção com o eixo dos xx (Ii = 0 e oldIi = 0), ou na intersecção com o
eixos dos yy (Vi = 0 e dI = 0), tal como a figura 6.31 o demonstra.
Figura 6.31 – Possíveis pontos de funcionamento (FlagMppt=4).
Em ambas as situações descritas, o método de controlo mostra-se bastante
distinto. Se na situação em que o ponto de funcionamento se situa na
intersecção com o eixo dos xx, o controlo terá de ser bastante incisivo, por
forma a conseguir devolver o ponto de funcionamento para uma zona onde
este possa ser facilmente controlável. Por outro lado, quando o ponto de
funcionamento se encontra na intersecção com o eixo dos yy, o método de
controlo deve ser pouco incisivo, visto que qualquer pequena variação da
corrente o colocará novamente próximo do MPP.
•
FlagMppt = 5;
(dV ≠ 0 e
­®
­¯
¯R°U
> ®R°U)
São várias as situações que permitem accionar o algoritmo MPP para esta
situação em particular. Tal ocorre quando dI = 0 (situação a) da Figura 6.29),
quando dV e dI são, simultaneamente, maiores ou menores do que zero
(situação improvável por observação da característica I-V), ou quando o
módulo de dV é menor que o módulo de dI.
Figura 6.32 – Possíveis pontos de funcionamento (FlagMppt=5).
107
107
Projecto de Aproveitamentos Solares
•
FlagMppt = 6;
(dV ≠ 0 e
­®
­¯
<
¯R°U
®R°U
)
A última situação possível no algoritmo de seguimento do MPP ocorre quando
dV≠0 e quando (dV/dI < (-I(i)/V(i))). Para que tal possa acontecer, (dV/dI) terá
que ser sempre menor que zero, ou seja, dV ser negativo quando dI for
positivo (gráfico a) da figura 6.33), ou dI ser negativo quando dV for positivo
(gráfico b) da figura 6.33). Em qualquer uma destas situações, é imperial que o
módulo de dV seja sempre diferente do módulo de dI.
Figura 6.33 – Possíveis pontos de funcionamento (FlagMppt=6).
6.2.2.1 Resultados Experimentais
Para que se possa efectuar uma comparação o mais real/aproximada possível,
com níveis de radiação e temperatura aproximados, e nesta mesma instalação
solar fotovoltaica, confrontando o inversor “Sunny Boy” com o algoritmo MPPT
implementado, é importante realçar que as diferentes medições têm de ser
efectuadas com alguns minutos de intervalo (apenas o tempo para desligar um
sistema e ligar outro). Os resultados experimentais obtidos, em medições
efectuadas em dias distintos foram os seguintes:
Tabela 6.5 – Medição de 09 de Julho.
108
108
Projecto de Aproveitamentos Solares
Tabela 6.6 – Medição de 10 de Julho.
O gráfico dos resultados das duas tabelas anteriores (tabelas 6.5 e 6.6),
indicam que o algoritmo “IncCond” implementado tem melhor comportamento a
para potências mais elevadas, não conseguindo corresponder tão bem para
potências geradas mais baixas (figura 6.34). Com níveis de radiação e
temperatura semelhantes, o algoritmo MPPT consegue alcançar um
incremento de potência de 6,2% (no ponto onde se obtém a potência máxima)
relativamente ao inversor Sunny Boy.
Figura 6.34 – Evolução da potência.
Quando os níveis de radiação solar são mais baixos, o algoritmo MPPT
implementado não consegue efectuar um correcto seguimento do ponto de
máxima potência, oscilando em torno do MPP. Tal se fica a dever às diferenças
mínimas de corrente existentes entre distantes pontos de funcionamento
(pontos à esquerda do MPPT da característica I-V), sendo que uma ligeira
variação da radiação solar origina uma brusca variação da potência.
Como forma de minimizar esta situação, era possível reduzir o número de
amostras das medições (implementada em uma amostra por segundo). No
entanto, tal situação faria com que o sistema se tornasse muito lento na
ascensão até ao ponto de máxima potencia, não conseguindo reagir
rapidamente a variações bruscas da radiação solar, originadas, p. ex, pela
passagem de uma nuvem.
109
109
Conclusões
7 Conclusões
No âmbito deste trabalho procedeu-se a uma revisão do estado actual, quer a
nível de mercado, quer em termos de desenvolvimentos científicos, das
principais tecnologias na área das energias com especial interesse para
aplicações residenciais e serviços.
Inicialmente fez-se uma avaliação das várias alternativas existentes em termos
de energias renováveis. Em seguida, as energias solar térmica e fotovoltaica
foram estudadas mais pormenorizadamente, uma vez que são tecnologias
especialmente importantes na área da microgeração. No que diz respeito aos
sistemas fotovoltaicos, fez-se uma avaliação dos diferentes métodos de
controlo para seguimento do ponto de máxima potência (MPPT), com destaque
para os algoritmos “Perturbação e Observação” e “IncCond”.
No seguimento do trabalho fez-se uma avaliação da utilização de uma
ferramenta para análise desempenho e projecto de aproveitamentos solares –
o Solterm – em 2 exemplos de aplicação: uma instalação solar térmica e outra
fotovoltaica. Em ambos os casos supôs-se que os sistemas são instalados
numa habitação unifamiliar situada em Braga. Foi possível constatar a utilidade
e a grande facilidade de utilização de uma ferramenta que foi especialmente
concebida para o mercado nacional.
Aproveitando uma instalação fotovoltaica existente da Universidade do Minho
(pólo de Guimarães), desenvolvida no âmbito do projecto SINUS foram ainda
testados diferentes algoritmos de controlo do MPPT, no sentido de tentar
melhorar o rendimento do sistema fotovoltaico. Implementou-se o algoritmo
“IncCond”, tendo-se obtido melhorias significativas em termos de estabilidade e
potência máxima extraída, por comparação com o algoritmo P&O original.
Como trabalho futuro, propõe introduzir melhorias nos algoritmos MPPT,
nomeadamente, utilizando incrementos na variável de actuação ajustáveis em
função, p. ex., da derivada da potência em ordem ao tempo.
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114
Anexos
Anexos
Anexo I
A obrigatoriedade de instalação de sistemas solares térmicos para produção de
águas quentes encontra-se prevista no RCCTE, tal como o descrito no artigo
que se segue:
CAPÍTULO III / Artigo 7. º
“2— O recurso a sistemas de colectores solares térmicos para aquecimento de
água sanitária nos edifícios abrangidos pelo RCCTE é obrigatório sempre que
haja uma exposição solar adequada, na base de 1 m² de colector por ocupante
convencional previsto, (...), podendo este valor ser reduzido por forma a não
ultrapassar 50% da área de cobertura total disponível, em terraço ou nas
vertentes orientadas no quadrante sul, entre sudeste e sudoeste.”
São três as fases calendarizadas para a certificação energética, sendo que as
mesmas se encontram abaixo descritas:
• 1 Julho 2007 – Início da aplicação do SCE para novos e grandes
edifícios, cuja área seja superior a 1000 m², desde que peçam licença ou
autorização de construção após a data em questão;
• 1 Julho 2008 – Início da aplicação do SCE para novos e pequenos
edifícios, cuja área seja inferior a 1000 m², e desde que peçam licença
ou autorização de construção após data em questão A partir desta data,
no acto dos pedidos de licenciamento ou autorização de edificação,
torna-se obrigatório apresentar o documento de certificação energética;
• 1 Janeiro 2009 – Início da aplicação dos SCE para todos os restantes
edifícios, incluindo os existentes. A partir desta data, o “Certificado
Energético” passa a ser obrigatório para que se possa efectuar contratos
de promessa compra e venda e contratos de arrendamento de todas as
fracções de habitação, e nele deve constar diversas informações para
que os consumidores possam comparar e avaliar o desempenho
energético do edifício.
a
a
Anexos
Anexo II
Benefícios fiscais inerentes à aquisição de sistemas solares térmicos:
• IRS – Imposto sobre Rendimento Singular − Conforme o estabelecido no
diploma do Orçamento de Estado (OE) de 2008, e referindo-se ao artigo
85º do CIRS, são dedutíveis à colecta do IRS 30% das importâncias
despendidas com a aquisição de equipamentos solares novos, com um
limite máximo de 796€. O estabelecido no OE de 2009 é diferente do
que anteriormente se encontrava estabelecido. Até 2007 existia a
possibilidade de se poder deduzir até um máximo de 751€, mas apenas
para quem não fosse detentor de crédito habitação, uma vez que este
valor não podia ser cumulativo com o pagamento de juros e
amortizações associadas ao crédito habitação. Com a proposta de OE
para 2008, esta circunstância vê-se alterada, permitindo desta forma o
acesso a esta dedução aos que ainda se encontrem a pagar empréstimo
para compra de habitação própria. A aplicação desta medida permite
que o período de amortização do equipamento seja consideravelmente
reduzido, podendo mesmo chegar a 3 anos para o caso de água quente
solar.
• IRC – Imposto sobre o Rendimento Colectivo − De acordo com o
Despacho Regulamentar nº22/99, de 6 de Outubro, o período mínimo de
vida útil de um sistema solar, para efeito de reintegração e amortização
do investimento, encontra-se estipulado em 4 anos. A aplicação desta
medida permite uma redução no IRC anual, acumulável com outros
incentivos, para além de poder um impacto substancial para a
recuperação do investimento inicial.
• IVA – Imposto de Valor Acrescentado − De acordo com a Lei nº 109 −
B/2001, de 27 de Dezembro, os equipamentos específicos para a
captação e aproveitamento da energia solar encontram-se sujeitos à
taxa intermédia de 12%.
• IMI – Imposto Municipal sobre Imóveis − De acordo com o Artº 43º nº 1
da Lei nº 53-A/06, de 29 de Dezembro, os equipamentos específicos
para a captação e aproveitamento de energia solar podem beneficiar de
uma redução com o coeficiente de 0,05 na 1ª avaliação de I.M.I. no
"Coeficiente de Qualidade e Conforto" – Elemento Minorativo "Utilização
de técnicas ambientalmente sustentáveis, activas ou passivas", para
"Prédios urbanos destinados a habitação", ou com o coeficiente de
"0,10" para "Prédios urbanos destinados a comércio, indústria e
serviços".
b
b
Anexos
Anexo III
Algoritmo MPPT
somaVi = somaVi+Vi_adc;
somaIi = somaIi+Ii_adc;
somaVo = somaVo+Vo_adc;
somaIo = somaIo+Io_adc;
if (flagInitADC == 1)
//
Para que na primeira vez entre aqui, e não ter valores a zero no início
{
contador++;
If (contador==n_amostras)
{
//calcula média
Vi = somaVi/n_amostras;
Ii = somaIi/n_amostras;
Vo = somaVo/n_amostras;
Io = somaIo/n_amostras;
dI = (float)Ii - oldIi;
dV = (long int)Vi - oldVi;
pot = (long int)Vi * Ii;
olddV = dV;
olddI = dI;
potold = pot;
oldVi = Vi;
oldIi = Ii;
// Potência < 100 W e deltaPot < 2 W
if (pot < 306528 && deltaPot < 6130)
{
if (Ii == 0)
Iref = Iref + C4;
else
Iref = Iref - C2;
}
}
}
else
{
//
//
//
//
Depois de calcular uma primeira vez os dados, a próxima vez entrará aqui
contador++;
if(contador == n_amostras)
{
//calcula média
Vi = somaVi/n_amostras;
Ii = somaIi/n_amostras;
Vo = somaVo/n_amostras;
Io = somaIo/n_amostras;
contador1++;
A Variável "contador1" indica quantas vezes o algoritmo é efectuado por segundo
Se "contador1" == 5 => 10 vezes por segundo
Se "contador1" == 10 => 5 vezes por segundo
Se "contador1" == 25 => 2 vezes por segundo
If (contador1 == 50 && estado == 4) //
{
dI = (float) Ii - oldIi;
dV = (long int) Vi - oldVi;
pot= (long int) Vi * Ii;
numero de vezes que efectua o alg MPPT
//alteração da margem em função da potência
if ( pot > 6130576 )
//
E1 = 60;
else
if ( pot > 3065288 )
//
E1 = 80;
else
//
E1 = 100;
c
potência maior que 2000W
potência maior que 1000W
potência inferior a 1000W
c
Anexos
d
aux = (float) (pot - potold) / potold;
deltaPot = aux * 10000;
// Potência < 100 W e deltaPot < 2 W
if (pot < 306528 && deltaPot < 6130)
{
if (Ii == 0)
Iref = Iref + C4;
else
Iref = Iref - C2;
}
//
Algoritmo MPPT
if ( dV == 0 )
//
Não houve variação da tensão
{
if ( dI == 0)
//
Não houve variação da corrente
{
if (pot < Pmpp && Vi < Vmpp)
Iref = Iref - C2;
else
Iref = Iref + C2;
}
else
{
//
Houve variação da corrente, mantendo dV = 0
if (dI > 0)
//
Houve um incremento na corrente
{
if ( deltaPot > E1 ) //
Variação da Potência maior que a margem
Iref = Iref + C1;
else
//
variação da potência menor que a margem
Iref = Iref + C2;
}
else
//
Houve um decremento na corrente
Iref = Iref + C3;
}
}
else
//
dV diferente de zero
{
/*
Para que não ocorram erros de cálculo, torna-se necessário garantir que os denominadores das condições que são
necessárias não se encontrem a zero. Quando tal acontecer, é necessário igualar as variáveis a zero, evitando os erros
anteriormente mencionados.
*/
if ( dI == 0 )
deriva = 0;
else
deriva = dV/dI;
if ( Vi == 0 )
aux1 = 0;
else
aux1 = -(Ii/Vi);
if ( deriva = aux1 )
{
/*Só ocorre quando:
Ii = 0 e oldIi = 0
O ponto de funcionamento mantém-se na intersecção com o eixo dos xx
ou
Vi = 0 e dI = 0
O ponto de funcionamento mantém-se na intersecção com o eixo dos yy*/
if ( Vi == 0 )
Iref = Iref - C2;
else
Iref = Iref + C3;
/*Só ocorre quando:
ou
d
//
Vi = 0
e
dI = 0
//
Ii = 0
e
oldIi = 0
}
else
if (deriva > aux1)
{
dI = 0
Está à esquerda do MPP
ou
dV > 0 e dI > 0
dV < 0 e dI < 0
ou
|dV| < |dI|, com deriva < 0 e aux1 < 0
*/
Anexos
if ( dI == 0)
Iref = Iref - C2;
else
Iref = Iref + C2;
}
else
if ( deriva < aux1 )
{
if (dV < 0)
auxdV = -dV;
if (dI < 0)
auxdI = -dI;
if (( dV > 0 && dI < 0 ) && ( auxdV != auxdI ))
{
if ( deltaPot >= 0 )
{
if ( Vi <= Vmpp )
Iref = Iref - C2;
else
Iref = Iref + C2;
}
else
Iref = Iref + C1;
}
if (( dV < 0 && dI > 0 ) && ( auxdV != auxdI ))
{
if ( deltaPot >= 0 )
{
if ( Vi >= Vmpp )
Iref = Iref + C1;
else
Iref = Iref - C2;
}
else
Iref = Iref - C2;
}
}
}
Actualização de Variáveis
if (Iref < Imin)
Iref = Imin;
if (Iref > Iout)
Iref = Iout;
olddV = dV;
olddI = dI;
potold = pot;
oldVi = Vi;
oldIi = Ii;
}
//
e
e