implantação de um sistema de geração fotovoltaica

UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO
ESCOLA DE MINAS
COLEGIADO DO CURSO DE ENGENHARIA DE
CONTROLE E AUTOMAÇÃO – CECAU
CESAR HENRIQUE MACIEL RIBEIRO
IMPLANTAÇÃO DE UM SISTEMA DE GERAÇÃO FOTOVOLTAICA
MONOGRAFIA DE GRADUAÇÃO DE ENGENHARIA DE CONTROLE E
AUTOMAÇÃO
Ouro Preto, 2012
CESAR HENRIQUE MACIEL RIBEIRO
IMPLANTAÇÃO DE UM SISTEMA DE GERAÇÃO
FOTOVOLTAICA
Monografia apresentada ao Curso de
Engenharia de Controle e Automação
da Universidade Federal de Ouro Preto
como parte dos requisitos para a
obtenção do Grau de Engenheiro de
Controle e Automação.
Orientador: Ronilson Rocha
Ouro Preto
Escola de Minas – UFOP
Julho/2012
“Os únicos limites do homem são: o tamanho das suas ideias e
o grau da sua dedicação”
AGRADECIMENTOS
Agradeço a Deus pelas maravilhas feitas em minha vida e por nos disponibilizar os
recursos naturais e a capacidade de pensamento para descobrir uma forma utilizá-los
da forma mais sustentável possível.
Não apenas agradeço como também dedico esta obra ao meu pai, Adilson Ribeiro,
sinônimo de perseverança, a minha mãe, Maria Madalena, sinônimo de fortaleza e aos
meus irmãos, Alexandre Roger e Guilherme Augusto, vocês são responsáveis por esta
conquista.
Às famílias Maciel e Ribeiro pelo apoio incontestável durante toda a minha
caminhada. Principalmente aos tios Jussélio e Maria Lúcia.
À Fundação Gorceix por viabilizar recursos para que este sonho fosse alcaçado.
Ao professor Valdir pelo incentivo ao estudo e auxílio para ingressar na universidade.
À Silvana, por ser minha companheira e motivadora.
Ao professor Ronilson Rocha por todos os ensinamentos e orientação do presente
trabalho.
Ao ensino público e de qualidade que recebi na gloriosa Escola de Minas/UFOP e ao
incontestável apoio assistencialista da Fundação Gorceix.
À República Unidos Por Acaso pelos momentos vividos e por eternizar verdadeiras
amizades.
RESUMO
A utilização de fontes renováveis de energia tornou-se uma necessidade para
humanidade a quando se observou que a sustentabilidade é uma ferramenta
indispensável para assegurar um desenvolvimento econômico contínuo garantindo os
recursos ambientais para gerações futuras. Dentro deste contexto surge a geração de
energia fotovoltaica, uma tecnologia de conversão de energia solar em energia elétrica.
Para implantação de um sistema de geração fotovoltaica necessita-se de um conjunto
de equipamentos que visam otimizar o aproveitamento da energia solar e, ainda, um
estudo sobre a potencialidade energética solar do local, considerando as variáveis que
interferem na conversão de energia solar em elétrica. O sistema fotovoltaico abordado
neste trabalho foi implementado na localidade de Ouro Preto-MG e é composto por
um painel fotovoltaico, um controlador de carga, uma bateria e um sistema de
aquisição e monitoração de dados para supervisionar o processo geração,
armazenamento e utilização da energia elétrica. Uma vez implementado, fez-se uma
caracterização do sistema em condições reais de operação comparando-a com os
resultados com testes realizados em condições padrões de operação. Com as análises
do potencial do sistema fotovoltaico proposto, observou-se que o sistema é uma
alternativa energética viável para a localidade.
Palavras-chave: Sistema fotovoltaico, Energia solar, Sustentabilidade, Conversão de
energia, Fontes renováveis.
ABSTRACT
The use of the renewable energy sources has become a necessity for humanity when it
was observed that sustainability is an essential toll to provide a continued economic
development, ensuring the environmental resources for future generations. In this
context, the photovoltaic power generation, a solar energy conversion into electric
energy technology. To implement a photovoltaic generation system is necessary a set
of equipment designed to optimize the utilization of solar energy and also a study
about the solar energy potential of the place, considering the variables that affect the
conversion of solar energy into electricity. The photovoltaic system presented in this
work was implemented in the city of Ouro Preto – MG and is composed of a
photovoltaic panel, a charge controller, a battery and an acquisition and monitoring
system to oversee the process of generation, storage and use of energy electrical. Once
implanted, it was a characterization of the system in real operating conditions and
compares them with the tests realized in standard operate conditions. With the analysis
of the potential of the photovoltaic system proposed was observed that is a viable
alternative energy to the location.
Keywords: Photovoltaic system, Solar energy, Sustainability, Energy conversion,
Renewable sources.
LISTA DE ABREVIATURAS
AM - Air Mass
CA - Corrente Alternada
CC - Corrente Contínua
Curva I-V - Curva Característica Corrente - Tensão
Curva P-V - Curva Característica Potencia – Tensão
DDL - Dinamic Link Library
IEC - International Electrotechnical Commission
LED - Light Emitting Diode
LVD - Low Voltage Disconnection
PWM - Pulse Width Modulation
SRSC - Sistema de Regulagem, Supervisão e Controle
UFOP - Universidade Federal de Ouro Preto
LISTA DE SÍMBOLOS

Rendimento energético

Ângulo de incidência

Ângulo Horário do Sol ou Hora Angular
z
Ângulo zenital
Potencia do sistema a uma determinada temperatura de referência
Potência maxima do sistema
Variação de temperature
AH
Ângulo horário
AI
Ângulo de Incidência
AP
Azimute do Painel
as
Ângulo Azimutal do Sol
aw
Ângulo Azimutal da Superfície
AZ
Altitude solar
CO
Monóxido de carbono
CO2
Dióxido de carbono
DE
Declinação solar
E
FF
Irradiância
Fator de forma
FI
Latitude
HS
Hora solar
I
Corretne do modulo fotovoltaico
ICC
Corrente de curto-circuito
Il
Corrente de carga
Io
Corrente deixa de ser fotogerada
IP
Inclinação do Painel
Ipmax Corrente correspondente ao ponto de potência máxima do sistema
IT
Corrente de curto-circuito a uma temperatura de referência
K
A temperatura de operação da célula na escala Kelvin
k
Coeficiente de nebulosidade ou de turvação atmosférica
m
Representa o fator de idealidade do diodo
N
Dias do Ano
P
Potencia do sistema
PI
Potência incidente
Q
Valor da carga do elétron
Rp
Perda de carga devido a correntes parasitas, imperfeições do cristal e defeitos de
junção
Rs
Perda de carga por efeito joule causada por elementos resistivos presentes nas
células.
S
Área da superfície ativa dos painéis
V
Tensão do modulo fotovoltaico
VCA
Tensão de circuito aberto
Vpmax Tensão correspondente ao ponto de potência máxima do sistema
Vt
Potencial térmico
VT
Tensão de circuito aberto a uma determinada temperatura de referência
α
Coeficiente de variação da corrente de curto-circuito
αS
Altura solar
β
Coeficiente da variação da tensão de circuito aberto
βS
Inclinação
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 3.1: Representação esquemática de uma célula fotovoltaica ......................... 8
FIGURA 3.2: Circuito equivalente de uma célula fotovoltaica .................................. 10
FIGURA.3.3: Circuito equivalente de uma célula fotovoltaica ideal .......................... 11
FIGURA.3.4: Efeito da conexão das células em série ................................................ 12
FIGURA.3.5: Efeito da conexão das células em paralelo ........................................... 13
FIGURA.3.6: Representação esquemática de um sistema fotovoltaico ...................... 14
FIGURA.3.7: Representação esquemática de um módulo fotovoltaico, suas camadas
de proteção e antirreflexo. ......................................................................................... 15
FIGURA.3.8: Representação de célula, módulo e painel fotovoltaico ........................ 15
FIGURA 3.9: Formas de ondas típicas de um inversor monofásico ........................... 19
FIGURA 3.10: Exemplo da curva I-V ....................................................................... 20
FIGURA 3.11: Exemplo obtenção da curva de potência por meio da curva I-V ......... 22
FIGURA 3.12: Efeito da temperatura na curva I-V.................................................... 24
FIGURA 3.13: Efeito da temperatura na curva potência de um módulo fotovoltaico . 24
FIGURA 3.14: Efeito da incidência solar na curva I-V de um módulo fotovoltaico ... 26
FIGURA 3.15: Curva teórica da incidência solar durante o dia .................................. 27
FIGURA 3.16: Determinação do ângulo de declinação.............................................. 28
FIGURA 3.17: Ilustração dos ângulos , aw, as, αS e βS .............................................. 29
FIGURA 3.18: Ilustração da definição de AM........................................................... 30
FIGURA 3.19: Média anual em MJ/m2.dia da radiação solar diária no Brasil. ........... 31
FIGURA 3.20: Radiação solar anual para localidades próximas a Ouro Preto............ 32
FIGURA 3.21: Trajetória solar em diferentes épocas de um ano................................ 33
FIGURA 4.1: Curva I-V do MÓDULO ISOFOTON IS-80 ....................................... 36
FIGURA 4.2: Curva I-V do painel ISOFOTON IS-80 em função da temperatura ...... 36
FIGURA 4.3 - Circuito de medição de corrente e tensão ........................................... 40
FIGURA 4.4: Modelo esquemático do sistema de aquisição de dados ....................... 42
FIGURA 4.5: Sistema fotovoltaico implementado..................................................... 42
FIGURA 6.1: Tela do istema supervisório desenvolvido ........................................... 48
FIGURA 6.2: Diagrama de blocos desenvolvido no LabView ................................... 49
LISTA DE GRÁFICOS
GRÁFICO 6.1: Curvas características IV e PV para o horário de 10:00h ................... 49
GRÁFICO 6.2: Curvas características IV e PV para o horário de 11:30h ................... 50
GRÁFICO 6.3: Curvas características IV e PV para o horário de 15:00h ................... 50
GRÁFICO 6.4: Curva de variação da tensão de circuito aberto durante o dia ............ 52
LISTA DE TABELAS
TABELA 3.1 - Eficiência e custo de cada tipo de célula fotovoltaica .......................... 9
TABELA 3.2 - Características de inversores com diferentes formas de onda ............. 18
TABELA 4.1: Características do módulo fotovoltaico ISOFOTON IS-80 ................. 34
TABELA 5.1: Variáveis solares ................................................................................ 45
TABELA 6.1: Dados do módulo fotovoltaico em diferentes horas do dia .................. 51
TABELA 6.2: Dados do sistema fotovoltaico em diferentes horas do dia .................. 51
SUMÁRIO
1.
INTRODUÇÃO .................................................................................................... 1
1.1.
Objetivo ................................................................................................................. 2
1.2.
Justificativa ............................................................................................................ 2
1.3.
Metodologia ........................................................................................................... 2
1.4.
Estrutura do trabalho .............................................................................................. 3
2.
REVISÃO DA LITERATURA ............................................................................ 4
3.
SISTEMA FOTOVOLTAICO ............................................................................ 6
3.1.
Efeito fotoelétrico .................................................................................................. 6
3.2.
As células fotovoltaicas .......................................................................................... 8
3.2.1.
Circuito equivalente da célula fotovoltaica. ............................................................ 9
3.2.2.
Associação das células fotovoltaicas .................................................................... 11
3.3.
Componentes do sistema fotovoltaico .................................................................. 13
3.3.1.
Módulo fotovoltaico ............................................................................................. 14
3.3.2.
SRSC - Sistema de regulação supervisão e controle ............................................. 15
3.3.3.
Baterias ................................................................................................................ 16
3.3.4.
Inversor................................................................................................................ 17
3.4.
Caracterização do sistema fotovoltaico ................................................................. 19
3.4.1.
Corrente de curto circuito ..................................................................................... 21
3.4.2.
Tensão de circuito aberto ..................................................................................... 21
3.4.3.
Potência máxima .................................................................................................. 21
3.4.4.
Corrente de carga ................................................................................................. 22
3.5.
Fatores que influenciam em um sistema fotovoltaico ............................................ 23
3.5.1.
Temperatura ......................................................................................................... 23
3.5.2.
Irradiação ............................................................................................................. 26
3.5.3.
Atmosfera ............................................................................................................ 29
3.5.4.
Localização geográfica ......................................................................................... 30
4.
IMPLANTAÇÃO ............................................................................................... 34
4.1.
Materiais .............................................................................................................. 34
4.1.1.
Módulo fotovoltaico Isofotón modelo IS – 80 ...................................................... 34
4.1.2.
Acumulador de Carga AJAX modelo EN 115 Ah - 12V ....................................... 36
4.1.3.
Regulador de carga UNITRON modelo Total Control TCS-30/12V ..................... 38
4.1.4.
Sistema de aquisição de dados por meio do software LabView ............................. 39
4.2.
Montagem e funcionamento do sistema ................................................................ 41
5.
MODELO MATEMÁTICO .............................................................................. 44
5.1.
Determinação da Radiação solar........................................................................... 44
5.2.
Determinação das curvas características do sistema. ............................................. 46
5.3.
Cálculo do rendimento ......................................................................................... 46
5.4.
Cálculo do Fator de forma .................................................................................... 47
6.
RESULTADOS .................................................................................................. 48
6.2. caracterização do sistema .............................................................................................. 48
7.
CONCLUSÃO .................................................................................................... 53
8.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .............................................................. 54
1. INTRODUÇÃO
A busca por fontes renováveis de energia tornou ainda mais necessária após o
desenvolvimento do conceito de sustentabilidade. Áreas remotas onde há dificuldade de
instalação de meios centralizados de distribuição de energia devido a fatores econômicos e
ambientais, são lugares propícios para a instalação de fontes alternativas de energia. O meio
isolado mais comum de geração de energia é através de motores a explosão. Mas devido à
utilização de recursos não renováveis que tendem a um esgotamento, e a poluição gerada por
estes, veio a necessidade de criar meios renováveis de energia. Neste contexto a geração de
energia por sistema fotovoltaico surgiu como potencial fonte alternativa de energia.
A conversão de energia luminosa em energia elétrica a partir de um sistema fotovoltaico se dá
pela excitação dos elétrons causada pelo efeito de absorção da energia dos fótons utilizando
células fotovoltaicas arranjadas em série-paralelo, formando, assim, um módulo solar. As
células são compostas de um material semicondutor. O material é dopado com impurezas de
modo a constituir uma junção PN. Através da absorção da energia luminosa os elétrons são
excitados de forma a sair da banda de valência, romper a banda proibida e passar para a banda
de condução, a partir do campo elétrico gerado na zona de depleção da junção PN, os elétrons
são acelerados gerando a energia elétrica.
O material semicondutor mais utilizado para a fabricação de células fotovoltaicas é o silício
podendo estas ser constituídas de cristais monocristalinos, policristalinos ou de silício amorfo.
O sistema fotovoltaico é composto por painéis fotovoltaicos conectados a uma bateria de
acumuladores para armazenar a energia convertida pelos painéis. Utiliza-se um diodo em série
para impedir o retorno de energia para os painéis nos períodos em que há déficit de radiação
solar. Faz-se necessário o uso do SRSC, um sistema de regulação, supervisão e controle, para
regular carga armazenada nas baterias e realizar outras funções que garantem mais segurança
e durabilidade para o sistema. Como os painéis fornecem correntes em forma contínua, é
necessário o uso de inversores para alimentar equipamentos que utilizam corrente alternada.
A energia convertida dos sistemas fotovoltaicos proporciona vantagens que demonstram a sua
viabilidade de implantação, apesar de ter um custo inicial relativamente alto, suas centrais
necessitam de mínima manutenção. Além disso, trata-se de uma energia não poluidora
podendo ainda ser instalada em lugares restritos.
1.1. Objetivo
Este trabalho tem como objetivo o estabelecimento de uma proposta geral para a implantação
de um sistema fotovoltaico considerando as variáveis que afetam o sistema.
1.2. Justificativa
A necessidade da utilização de recursos renováveis torna-se cada vez mais necessária, uma
vez que, a sustentabilidade, atualmente, é um fator indispensável para o desenvolvimento
social e econômico mundial. A busca por meios de geração de energia limpa surge como uma
ferramenta potencial para alcançar índices desejáveis de desenvolvimento, garantindo a
utilização dos recursos esgotáveis para gerações futuras.
Sistemas de aproveitamento de fontes de energia renováveis descentralizados atendem à
demanda social básica de comunidades não servidas pela rede elétrica, favorecendo a
elevação da renda, a geração de novos empregos e a agregação de valores ao produto rural
para pequenos produtores, núcleos de colonização e populações isoladas. Neste contexto, os
estudos realizados neste trabalho podem contribuir de forma positiva com a disseminação de
projetos de sistemas de geração fotovoltaica com finalidades sociais e econômicas.
Com a descoberta de materiais que aumentam a o aproveitamento da conversão de energia
solar para elétrica, os sistemas de geração fotovoltaica ganham cada vez mais espaço no
mercado diante do aumento contínuo da sua viabilidade de implantação, justificando, assim, a
aplicação deste sistema.
1.3. Metodologia
Uma pesquisa bibliográfica será realizada com o propósito de conhecer equipamentos e de
métodos necessários para caracterizar o funcionamento de um sistema fotovoltaico, levantar
2
modelos matemáticos para projeto e simulação, e estabelecer procedimentos experimentais
para avaliação de desempenho. Serão também avaliadas técnicas para a operação do sistema
com máxima eficiência na conversão considerando-se as variáveis do sistema. Um sistema
fotovoltaico experimental será implementado visando avaliar as propostas deste trabalho
comparando os dados adquiridos com os resultados teóricos esperados.
1.4. Estrutura do trabalho
No primeiro capítulo faz-se uma introdução do trabalho ressaltando a sua importância
econômica e social. O capítulo 2 possui uma revisão bibliográfica. No terceiro capítulo faz-se
uma apresentação de um sistema fotovoltaico típico descrevendo e explicando o efeito
fotovoltaico, o funcionamento de cada componente indicando os materiais com os quais são
produzidos, bem como equações de circuitos equivalentes e os fatores que influenciam em um
sistema fotovoltaico. No capítulo 4 detalha-se a implantação do sistema fotovoltaico
indicando os materiais utilizados. Os resultados obtidos são descritos no capítulo 5 e capítulo
seguinte faz-se a conclusão do trabalho através dos resultados obtidos durante o estudo.
3
2. REVISÃO DA LITERATURA
A importância da aplicação de fontes renováveis de energia bem como a sua relevância
dentro do contexto de sustentabilidade no cenário energético global é muito bem abordada por
Geller (2002). Em sua dissertação o autor, além de ressaltar termos técnicos de implantação,
destaca a importância social e econômica de tal aplicação e ainda descreve as barreiras
políticas que dificultam a implementação de tecnologias para desenvolvimento de fontes de
energia limpa, como é o caso do sistema de geração fotovoltaica. Esta obra teve uma grande
participação para o entendimento da viabilidade de utilização de recursos alternativos de
energia e além de motivar o desenvolvimento desta monografia.
Ramos, 2006 desenvolveu um trabalho que demonstra procedimentos de caracterização e
qualificação de módulos fotovoltaicos. Em sua dissertação o autor apresenta padrões
internacionais de caracterização dos sistemas fotovoltaicos e elabora uma proposta de
caracterização adequada à realidade brasileira. Nesta mesma linhagem, Gnoato et al., (2005),
determina a curva característica de um painel fotovoltaico em condições reais de trabalho e a
compara com procedimentos em condições de teste. Juntos os dois trabalhos forneceram uma
base para que o entendimento de métodos de caracterização do sistema fotovoltaico descrito
nesta monografia.
Em um sistema fotovoltaico muitas variáveis tendem a afetar o rendimento do mesmo.
Gasparin (2009) descreveu em sua obra a influência de destas variáveis em sistema
fotovoltaico por meio de análises dos efeitos sobre as curvas características I-V. Com isto foi
possível conhecer como é o comportamento do sistema fotovoltaico quando este está sujeito à
variação de um parâmetro.
Patel (1999) elaborou um trabalho sobre fontes alternativas de geração de energia em que
definiu de modo bem sintético os fatores que devem ser considerados na implantação de um
sistema de geração fotovoltaica.
Para a montagem do sistema o “manual de engenharia para sistemas fotovoltaicos”
desenvolvido pelo Grupo de Trabalho de Energia Solar (CRESESB, 2004), foi de suma
importância, pois trata-se de um trabalho bem completo no que se diz respeito a geração de
energia elétrica através do efeito fotovoltaico. Além de fazer as considerações dos autores
citados anteriormente, esse trabalho descreve as etapas do projeto de um sistema fotovoltaico
e como dimensioná-lo, possui recomendações e procedimentos de instalações, e, ainda,
técnicas de manutenção e inspeção do sistema, sempre considerando aspectos físicos e
elétricos.
5
3. SISTEMA FOTOVOLTAICO
O sistema fotovoltaico define-se como um conjunto de equipamentos reunidos cuja finalidade
é transformar a energia solar em energia elétrica, disponibilizando-a para utilização em cargas
contínuas ou alternadas, seja em períodos que haja incidência solar ou não.
Para montagem de um sistema fotovoltaico é preciso interligar e ajustar alguns equipamentos:
o painel solar, bateria de acumuladores, um sistema de regulagem, supervisão e controle, além
dos condicionadores de energia que são os inversores e conversores. Além disso, utiliza-se um
sistema de aquisição e monitoração dos dados.
Os painéis solares absorvem a energia solar e a converte em energia elétrica através do efeito
fotovoltaico. Dependendo da tensão e da corrente desejada faz-se associações de módulos em
série e/ou paralelo. A energia elétrica gerada é direcionada para as baterias de armazenamento
de energia. Para evitar uma corrente de retorno para os painéis utiliza-se um diodo em série.
Para o gerenciamento da carga gerada em um sistema fotovoltaico faz-se necessário um
sistema de regulagem, supervisão e controle, denominado SRSC. Como os painéis fornecem
corrente de forma contínua, torna-se necessário o uso de um inversor para utilização de cargas
que demandam corrente alternada. Em sistemas fotovoltaicos mais complexos existe um
sistema para estabelecer a prioridade de uso quando coexistem diversas cargas alternadas e
contínuas.
3.1. Efeito fotoelétrico
Segundo o postulado de Bohr os elétrons se encontram em níveis estacionários de energia de
um átomo e para que o elétron passe para outro nível de energia ele deve absorver ou emitir
energia. A transição eletrônica de níveis se dá com a energia recebida ou cedida pelo elétron.
Basicamente, existem três bandas de energia que determinam a quantidade necessária para um
elétron realizar a mudança: banda de valência, banda proibida e banda de condução.
A banda de valência refere-se ao nível de energia em que o elétron está sob forte ação da
força do núcleo atômico. A banda proibida é a faixa de energia que o elétron deve romper
para entrar na banda de condução, sendo que esta última é caracterizada pela liberdade que o
elétron possui de interagir com a sua vizinhança.
Cada tipo de material possui valores específicos de bandas. Elas determinam se um material
tem características condutoras ou isolantes, quanto menor for a banda proibida maior é a
facilidade de um elétron interagir com a sua vizinhança, pois será necessário uma pequena
energia para realizar a transição eletrônica.
Em painéis fotovoltaicos utilizam-se semicondutores dopados.
Nos materiais semicondutores, a zero Kelvin, as bandas de valência apresentam-se
cheias e as de condução vazias, semelhante aos isolantes, porém com a diferença de
estarem separadas por uma banda proibida muito menor (cerca de cinco vezes, por
exemplo, entre o silício e o diamante). Como a banda proibida dos semicondutores é
relativamente baixa, é possível excitar alguns elétrons da banda de valência para a
banda de condução por meios térmicos ou luminosos. Sendo assim, pares elétronlacuna são gerados, permitindo a condução de corrente.
Num semicondutor
intrínseco, esses pares elétron-lacuna são os únicos portadores de carga, o que
mantém o cristal com uma elevada resistividade. Para melhorar a condutividade, são
inseridos materiais dopantes, cujo efeito é atuar na estrutura de bandas, diminuindo a
banda proibida, além de disponibilizar portadores de carga. Os cristais tipo-p ou
tipo-n são produzidos dependendo dos dopantes doadores de elétrons (tipo n) ou
receptores (tipo p). Na verdade, o uso dos dopantes representa o controle das
propriedades elétricas nos semicondutores (RAMOS,2007).
A junção de um cristal tipo P e um tipo N é necessária para ocorrência do efeito fotovoltaico.
Nessa junção cria-se uma zona de depleção, lugar onde existe um campo elétrico gerado pela
recombinação, ou seja, associação de um elétron do material tipo N com uma lacuna do
material tipo P.
O efeito fotovoltaico ocorre quando os elétrons absorvem a energia solar necessária para
romper a sua banda de valência e entrar na banda de condução, onde ele terá liberdade de
interagir eletronicamente com a sua vizinhança. O campo elétrico gerado na junção acelera os
elétrons e favorece o deslocamento de cargas, gerando, dessa forma, a corrente elétrica.
7
3.2. As células fotovoltaicas
A grande maioria das células fotovoltaicas é constituída de uma junção P-N. Como já citado,
nessa junção ocorre o efeito fotoelétrico que fornecerá energia elétrica em forma de corrente
contínua. Para a captação da energia, inserem-se contatos metálicos nas duas extremidades da
junção.
FIGURA 3.1: Representação esquemática de uma célula fotovoltaica
FONTE: CERESBE, 2004
As primeiras células solares experimentais, cuja eficiência era de 5,6% por meio do processo
de difusão térmica de dopantes, foram produzidas em 1954, pelos pesquisadores Chapipn,
Fuller e Pearson nos laboratórios da Companhia Bell Telephone. A partir daí impulsionadas
pelos programas espaciais, que necessitavam de fontes de alimentação para os seus
instrumentos de comunicação e navegação, as células fotovoltaicas tiveram um grande
desenvolvimento. Embasadas pelo avanço tecnológico, chegou-se na década de 90 com
células cuja eficiência de conversão da ordem de 23 a 24%, em laboratórios.
Atualmente, as aplicações das células em sistemas terrestres são uma realidade. Embora seja
necessário um alto investimento inicial para implantação de um sistema fotovoltaico devido
principalmente ao custo de produção de uma célula, torna-se cada vez mais viável a utilização
dessa tecnologia devido a pesquisas realizadas em diversos países como, por exemplo Estados
Unidos e Alemanha, por exemplo.
As células solares são fabricadas a partir dos mais diversos tipos de materiais semicondutores,
8
entretanto, devido à sua abundância no planeta, o silício é o material mais utilizado
atualmente.
A seguir tem-se a TABELA 3.1 que compara alguns dos diversos tipos de células quem vem
sendo alvo de pesquisas.
TABELA 3.1 - Eficiência e custo de cada tipo de célula fotovoltaica
Tipo de Célula
Eficiência de Conversão
Custos
Silicio Monocristalino
12%
Relativamente Elevados
Silício Policristalino
15%
Elevados
Silício Amorfo
8% a 10%
Bastante baixos
7% a 9%
Elevados
Arsenieto de Gálio
21%
Bastante Elevados
Cádmio – Selênio
6% a 7%
Desconhecidos
Sulfeto de Cobre –
Sulfeto de Cádmio
3.2.1. Circuito equivalente da célula fotovoltaica.
A figura 3.2 a seguir representa o circuito equivalente de uma célula fotovoltaica. Como pode
ser visto na figura, as células fotovoltaicas, quando em funcionamento, atuam como uma
fonte de corrente contínua (IL) dependente da luminosidade, que devido à recombinação de
portadores, parte dessa corrente deixa de ser fotogerada (Io), há ainda perda de carga
(representada na pela resistência em paralelo , Rp na FIG. 3.2 ) devido a correntes parasitas,
imperfeições do cristal e defeitos de junção, existe ainda perda de carga efeito joule causada
por elementos resistivos presentes nas células (representada na pela resistência Rs na FIGURA
3.2).
9
FIGURA 3.2: Circuito equivalente de uma célula fotovoltaica
A equação que representa o circuito da FIGURA 3.2 é dada por:
[
Onde
(
)
]
(
)
(3.1)
é o potencial térmico dado pela expressão:
(3.2)
Em que:

representa o fator de idealidade do diodo;

representa a constante de Boltzman,
;

é a temperatura de operação da célula na escala Kelvin;

refere-se ao valor da carga do elétron.
Segundo Ramos (2007), para efeito de projeto de sistemas fotovoltaico, algumas
considerações devem ser abordadas.

As resistências das conexões devem ser nulas;

Todas as células do arranjo devem ter resposta espectral idêntica, e, ainda, trabalhar na
mesma temperatura;

Os efeitos da resistência paralela (RP) devem
ser desprezados, considerando-a
infinita;
10

(
)
O termo
(Eq. 3.1) deve ser maior que um, em qualquer condição de
trabalho;

O valor de IL deve ser igual a ICC que é a corrente de curto-circuito.
Considerando esses fatores supracitados, tem-se o seguinte circuito esquemático.
FIGURA.3.3: Circuito equivalente de uma célula fotovoltaica ideal
Desta forma, considerando modificações feitas, conforme mostra a FIGURA.3.3, Obtém-se
uma equação mais simplificada da equação da corrente gerada por uma célula fotovoltaica:
[
(
)
]
(3.3)
Para I = 0, tem-se o valor da tensão de circuito aberto VCA:
(
)
(3.4)
3.2.2. Associação das células fotovoltaicas
As células fotovoltaicas podem ser arranjadas em série ou em paralelo, entretanto cada modo
tem a sua característica elétrica.
As associações em série são úteis para o fornecimento de maiores tensões, uma vez que as
tensões de cada uma das células, que são percorridas por uma única corrente, são somadas.
Esquematicamente tem-se:
(3.5)
(3.6)
11
Conforme pode ser visto na figura Erro! Fonte de referência não encontrada., Tem-se que
a corrente fornecida por uma célula fotovoltaica fica inalterada para associações em série de 5
e 10 células. O mesmo não ocorre com a tensão, que aumenta à medida que se acrescentam
células em série ao circuito.
FIGURA.3.4: Efeito da conexão das células em série
FONTE: CHUCO, 2007
As associações em paralelo são úteis quando se necessita de um corrente maior, já que quando
associadas desta forma ficam sujeitas à mesma tensão e as correntes do circuito formado são
somadas. Sendo assim:
(3.7)
(3.8)
Na Erro! Fonte de referência não encontrada., vê-se que quando duas células são
associadas em paralelo a corrente total da associação tende a aumentar enquanto a tensão não
se altera. Ao associar 5 células em paralelo a tensão permanece inalterada, enquanto a
corrente aumenta, comparando com a associação em paralelo de duas células.
12
FIGURA.3.5: Efeito da conexão das células em paralelo
FONTE: CHUCO, 2007
3.3.Componentes do sistema fotovoltaico
O sistema fotovoltaico compreende um agrupamento de módulos em painéis fotovoltaicos e
de outros equipamentos relativamente convencionais, que transformam ou armazenam a
energia elétrica para que esta possa ser utilizada facilmente nas várias aplicações finais (PRCCRESESB, 2004).
Segundo o Grupo de Trabalho de Energia Solar do CEPEL - CRESESB/RJ, em sua
publicação “Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos” (PRC - PRODEEM, 2004),
os componentes necessários em um sistema completo podem variar dependendo da aplicação
e das características das cargas a serem alimentadas.
Um sistema fotovoltaico simples é composto por

Painéis fotovoltaicos;

SRSC;

Baterias;
13

Inversor;

Equipamentos complementares
A configuração vista na FIGURA.3.6 é uma representação de um sistema fotovoltaico típico.
Os painéis são montados de acordo com a necessidade do projeto. A energia gerada por eles é
enviada para um sistema de regulagem supervisão e controle de carga, cuja finalidade é
gerenciar a carga que será consumida por algum equipamento ou armazenada no banco de
baterias. Em projetos onde há a necessidade de utilização de corrente alternada, faz-se
necessário o uso de inversores uma vez que os painéis fotovoltaicos geram corrente contínua.
Quando há em um projeto que possui tanto cargas CC, quanto cargas CA para serem
alimentadas é preciso também utilizar um sistema de faz s supervisão e determina a prioridade
de uso
FIGURA.3.6: Representação esquemática de um sistema fotovoltaico
3.3.1. Módulo fotovoltaico
Um módulo fotovoltaico pode ser considerado um arranjo de células fotovoltaicas conectadas
entre si, em série e/ou paralelo, para alcançar níveis de tensão e potência desejáveis para
determinada aplicação (CHUCO, 2007).
O módulo fotovoltaico é a unidade principal do sistema, nele ocorre a conversão da energia
solar para elétrica por meio do princípio do efeito fotoelétrico. O módulo é composto de
células solares conectadas arranjadas em série e/ou paralelo de forma a produzir uma corrente
e tensão que sejam suficientes para a utilização da energia da forma desejada. Uma vez que se
obtém a configuração desejada, o conjunto recebe um encapsulamento com material
apropriado para proteção contra possíveis danos externos aumentando, desta forma, a vida útil
do componente. Na FIGURA.3.7 a seguir, é visível os diferentes tipos de revestimentos que
um módulo fotovoltaico recebe com a finalidade de aumentar a sua vida útil.
14
FIGURA.3.7: Representação esquemática de um módulo fotovoltaico, suas camadas de
proteção e antirreflexo.
FONTE: CHUCO, 2007
Além de associar células em série/paralelo pode-se também associar os módulos fotovoltaicos
visando atender às necessidades do projeto. Tal associação resulta no que é denominado de
painel fotovoltaico. Desta forma, o conjunto de células constitui um módulo e o conjunto de
módulos constitui o painel. Esquematicamente tem-se esta representação na FIGURA.3.8.
FIGURA.3.8: Representação de célula, módulo e painel fotovoltaico
FONTE: Adaptado de CHUCO, 2007
3.3.2. SRSC - Sistema de regulação supervisão e controle
O SRSC deve ser entendido como sendo a integração elétrica dos painéis, reguladores,
baterias, sensores para alarme remoto, chaves e dispositivos para medição. (TELEBRÁS,
1984).
15
O SRSC trata-se de um gabinete que contém os reguladores, instrumentos, circuitos de
supervisão e alarmes e diodos de bloqueio.
Os reguladores atuam de modo a desconectar os painéis ou reduzir a corrente, eliminando a
condição de sobrecarga das baterias.
O diodo de bloqueio, instalado em série com a placa, tem a função de impedir que a energia
armazenada pela bateria seja descarrega em períodos em que há deficiência de radiação solar ,
uma vez que este bloqueia a passagem corrente em direção ao painel fotovoltaico, evitando o
retorno da corrente e consequentemente perda de energia.
Cabe ao SRSC emitir alarmes que indicam anormalidades do sistema, tais como condição de
sobrecarga, baixa autonomia de energia e fusíveis interrompidos.
Faz-se necessário, ainda, devido à presença de várias cargas no sistema fotovoltaico, de um
sistema de supervisão que determine as prioridades de uso neste sistema fotovoltaico, visando
a economia de energia em cargas ao desligar aquelas de menor importância em períodos
críticos de funcionamento do sistema.
Em suma, o SRSC deve ser projetado de modo a garantir o correto funcionamento do sistema,
fazendo o gerenciamento das cargas, realizando ações de controle e, consequentemente,
aumentando sua vida útil.
3.3.3. Baterias
A eficiência do sistema de energia solar depende diretamente da qualidade e do estado das
baterias, também denominado acumuladores de carga. A função das baterias em um sistema
de geração fotovoltaico é acumular a energia produzida durante as horas de luminosidade a
fim de poder ser utilizada à noite ou durante períodos prolongados de mau tempo. São
capazes de transformar diretamente energia elétrica em energia potencial química e
posteriormente converter, diretamente, a energia potencial química em elétrica. Cada bateria é
composta por um conjunto de células eletroquímicas ligadas em série obtendo-se a tensão
elétrica desejada.
16
Em sistemas fotovoltaicos isolados são necessárias baterias cujas resistências internas sejam
menores, com a finalidade de se obter recarga por valores menores de corrente.
Baterias que permitem uma descarga profunda são as mais apropriadas para se obter o melhor
retorno do sistema. A capacidade de armazenamento de energia de uma bateria depende da
velocidade de descarga, quanto maior o tempo de descarga, maior será a quantidade de
energia que a bateria fornece.
3.3.4. Inversor
Inversor é o dispositivo necessário para alimentação de cargas em corrente alternada. A
geração do sistema fotovoltaico, assim como a energia fornecida pelas baterias, é em corrente
contínua, mas alguns tipos de cargas necessitam de corrente alternada para operarem. Nestes
casos, o inversor converte a energia contínua em alternada. (FRAGA, 2009).
Trata-se de um aparelho eletrônico capaz de transformar a corrente contínua do sistema
fotovoltaico em corrente alternada. Este equipamento possibilita o uso de eletrodomésticos
presentes no mercado. A inversão de corrente contínua para alternada pode ser gerada sob a
forma de onda quadrada até a uma forma senoidal pura.
O inversor também pode ser chamado de conversor estático. Este equipamento utiliza
dispositivos semicondutores para chavear a entrada CC e produzir uma saída CA de
frequência determinada.
A classificação de um inversor é conforme o tipo de tensão CA produzida. As formas de onda
geradas pelo inversor que determinam a sua qualidade e custo. A inversão de CC para CA
pode ser gerada sob a forma de onda quadrada até senoidal pura. Quanto menos parecida com
a forma original senoidal, maior será a limitação da utilização da energia proveniente do
inversor. As mais usuais formas de onda são a quadrada, quadrada modificada ou retangular,
PWM e senoidal.
A TABELA 3.2 - Características de inversores com diferentes formas de onda a seguir possui
as formas de onde supracitadas bem como as características de cada uma delas. Após a tabela,
na FIGURA 3.9, há a representação das formas típicas de um inversor monofásico.
17
TABELA 3.2 - Características de inversores com diferentes formas de onda
FONTE: GTES, 2004
CARACTERÍSTICAS

Fornecem uma saída CA com harmônicos elevados e pequena
regulação de tensão. A onda quadrada é obtida simplesmente
alternando-se a tensão e corrente.

Comparando-se com a operação em tensão senoidal da rede elétrica,
um motor de indução, que esteja operando com estes tipos de
inversores, tem somente cerca de 60% do seu torque normal e
aquecimentos indesejáveis.

São tipicamente mais baratos porém, não devem ser usados para
cargas indutivas, como motores. Entretanto, são muito adequados
para cargas resistivas, tais como lâmpadas incandescentes.

São um refinamento dos inversores de onda quadrada.
Chaveamentos adicionais são usados para melhor aproximação de
uma onda senoidal e, por isso, estes possuem menor distorção
harmônica que os de onda quadrada.

São adequados para uma maior variedade de cargas, incluindo
lâmpadas, equipamentos eletrônicos e a maioria dos motores,
embora não consigam operar um motor tão eficientemente quanto
um inversor de onda senoidal.

São mais adequados para operarem motores do que os inversores de
onda quadrada, já que o aquecimento do motor é menor. O torque de
partida e operação também são melhores visto que a tensão e
corrente de pico são maiores. Entretanto, a tensão de pico destes
inversores não deve ser excessiva.
São geralmente mais caros; entretanto, se adequadamente
projetados, são os que produzem uma tensão de saída e desempenho
mais adequados.
Inversores de
onda
quadrada
Inversores de
onda
quadrada
Modificada
ou retangular

Inversores de

Podem operar qualquer aparelho CA ou motor, dentro da sua
classificação de potência.

Utilizam normalmente a técnica PWM com uma filtragem posterior.

Usado, em geral, para inversores trifásicos.

Adequado para quase todas as cargas CA, exceto equipamentos
18
onda senoidal
muito sensíveis.

Possuem distorção harmônica muito baixa, principalmente em
configurações trifásicas, apesar do aspecto visual da forma de onda.
FIGURA 3.9: Formas de ondas típicas de um inversor monofásico
FONTE: GTES, 2004
A escolha de um inversor interfere no desempenho, confiabilidade e custo de um Sistema
Fotovoltaico. Quando estão no circuito, adicionam complexidade ao mesmo mas possuem os
atrativos de facilitar a instalação elétrica e permitir o uso de acessórios convencionais (TVs,
vídeos, geladeiras etc). (PRC - PRODEEM, 2004).
3.4. Caracterização do sistema fotovoltaico
A caracterização do sistema fotovoltaico é de extrema importância para a sua implementação.
Segundo Guisan, Mermoud e Schaub (1992), é frequente encontrar diferenças entre o valor da
potência nominal indicada nos catálogos e a obtida pela comprovação experimental. Isto
demonstra o porquê de se fazer uma caracterização do sistema, para que se possa ter o
conhecimento das características reais através de testes segundo as condições físicas do
ambiente em que o sistema será implantado.
19
Existem diversos métodos de caracterização de um sistema fotovoltaico. Neste trabalho será
utilizada a extrapolação da curva I-V para determinadas condições de irradiância e
temperatura.
Para traçar esta curva deve-se observar a variação da corrente e voltagem de acordo com a
variação carga conectada ao sistema. Para leitura da corrente de curto circuito a tensão é zero
e para tensão de circuito aberto tem-se a corrente nula. Isto pode ser observado na FIGURA
3.10, onde observa-se que há uma variação da tensão desde a condição onde a corrente é nula,
ou seja, o circuito está aberto (resistência infinita) até a condição onde se obtém corrente de
curto-circuito (resistência nula).
FIGURA 3.10: Exemplo da curva I-V
FONTE: Adaptado de RAMOS, 2007
A verificação de desempenho do sistema é realizada sob determinadas condições de
temperatura e irradiância.
20
O principal referencial para avaliar um gerador fotovoltaico é a curva característica correntetensão (curva I-V), nas condições padrão de medida (com irradiância de 1.000W/m2, espectro
AM 1,5 e temperatura de célula de 25ºC). (RAMOS,2007).
Por meio da curva I-V pode-se interpretar diversas características elétricas do gerador
fotovoltaico, tais como:

Corrente de curto circuito;

Tensão de circuito aberto;

Potência Máxima;

Corrente de carga.
3.4.1. Corrente de curto circuito
Segundo Patel (1999), para medir a corrente de curto-circuito deve-se curto-circuitar a saída
dos terminais quando o sistema se encontra sob radiação completa, ignorando o diodo e as
correntes de fuga abaixo da tensão zero entre os terminais.
Na FIGURA 3.10 a corrente de curto-circuito é representada por ICC.
3.4.2. Tensão de circuito aberto
A tensão de circuito aberto (VCA) é a tensão máxima do sistema, conforme visto no ponto B
do gráfico 3.3.
Quando um módulo está posicionado na direção do sol, a tensão pode ser medida
entre os terminais positivo e negativo através de um voltímetro. Se não houver,
ainda, nenhuma conexão de qualquer equipamento ao módulo, a corrente não flui;
então esta medida é denominada tensão de circuito aberto. (PRC - PRODEEM,
2004).
3.4.3. Potência máxima
A potência máxima é encontrada no ponto D da FIGURA 3.10. É produto máximo entre a
corrente e a tensão do sistema. Desta forma tem-se a equação para potência máxima.
21
(3.9)
A FIGURA 3.11, é um exemplo de obtenção da curva de potência por meio da curva I-V.
Cada ponto da curva de potência representa o produto da corrente e sua correspondente
tensão. Nota-se que o ponto máximo da curva de potência é onde obtém-se o maior produto
entre corrente e tensão, ou seja, onde encontramos os valores de
e
.
FIGURA 3.11: Exemplo obtenção da curva de potência por meio da curva I-V
FONTE: GASPARIN, 2009
3.4.4. Corrente de carga
A corrente de carga (IL) é obtida de acordo com a variação da carga conectada ao sistema.
Varia desde quando se tem uma impedância nula (corrente de curto-circuito) até uma
impedância finita onde se obtém a corrente nula e a tensão de circuito aberto. Isto pode ser
verificado no gráfico 3.3. Com a variação da tensão em função da corrente de carga tem-se a
curva I-V, utilizada para a caracterização do sistema fotovoltaico
22
3.5.Fatores que influenciam em um sistema fotovoltaico
Para a montagem de sistemas fotovoltaicos, deve-se ser considerados fatores como a
temperatura, a situação da atmosfera, a luminosidade, o posicionamento, a localização
geográfica, o horário da exposição, bem como o mês do ano e o clima.
Um estudo minucioso desses fatores é de suma importância para verificar a viabilidade de
implantação do sistema, pois interferem diretamente em seu rendimento.
3.5.1. Temperatura
A temperatura tem sua influência devido à variação do comportamento elétrico do material
semicondutor. O aumento da temperatura da célula resulta em uma perda significativa de
rendimento de geração de energia e como parte da energia da radiação absorvida é dissipada
na forma de calor, a temperatura da célula tende a ser ainda maior que a temperatura
ambiente.
A corrente fotogerada é diretamente proporcional ao aumento da temperatura da célula devido
à redução da banda proibida do material semicondutor da célula com o aumento da
temperatura. Em contra partida, a tensão de circuito aberto sofre um decréscimo causado pelo
aumento da corrente e saturação, que se trata de uma corrente de portadores de carga
minoritários criada por excitação térmica. Com a variação da corrente e tensão devido à
variação de temperatura ocorre uma redução de potência do módulo fotovoltaico.
(GASPARIN, 2009). Esses efeitos citados são visíveis no gráfico abaixo.
23
FIGURA 3.12: Efeito da temperatura na curva I-V
FONTE: Adaptado de GTES, 2004
Como se observa na FIGURA 3.12 a corrente fotogerada tende a aumentar, enquanto a tensão
tende a diminuir com o aumento da temperatura. Em consequência a este fato a potência do
sistema também é afetada.
FIGURA 3.13: Efeito da temperatura na curva potência de um módulo fotovoltaico
FONTE: PATEL, 1999
Analisando a FIGURA 3.13 nota-se que a potencia do sistema é maior para casos de altas
temperaturas.
24
Os parâmetros do circuito podem ser determinados em função da variação de temperatura. Por
exemplo, as variações da curva I-V podem ser determinadas considerando-se uma corrente de
curto-circuito e uma voltagem de circuito aberto a uma determinada temperatura de
referência.
Para determinação da corrente de curto-circuito, tem-se:
[
]
(3.10)
Onde:

ICC é a corrente de curto-circuito;

IT é a corrente de curto-circuito a uma temperatura de referência;


é a variação de temperatura;
α é o coeficiente de variação da corrente de curto-circuito.
Para determinação da tensão de circuito aberto tem-se:
[
]
(3.11)
Onde:

VCA é a tensão de circuito aberto;

VT é a tensão de circuito aberto a uma determinada temperatura de referência;

β é o coeficiente da variação da tensão de circuito aberto.
Tanto α quanto β variam de acordo com o material da célula fotovoltaica.
Considerando as equações para corrente de curto-circuito e voltagem de circuito aberto podese deduzir a equação de comportamento da potência do sistema:
⇒
[
(
)
]
(3.12)
25
3.5.2. Irradiação
A radiação solar é uma fonte inesgotável de energia limpa o que estimula a utilização de
equipamentos que façam a conversão de energia solar em energia elétrica. Portanto para o uso
da energia solar faz-se necessário avaliar a sua interferência em um sistema geração
fotovoltaica.
A intensidade luminosa tem relação direta quanto á geração de energia por painéis
fotovoltaicos, pois a geração de energia elétrica provém da conversão da energia solar. O
quadro abaixo demonstra a curva característica de um painel fotovoltaico para diferentes
intensidades luminosas.
FIGURA 3.14: Efeito da incidência solar na curva I-V de um módulo fotovoltaico
FONTE: Adaptado de GTES, 2004
Analisando a FIGURA 3.14, verifica-se que a corrente de curto-circuito tem um aumento
linear com a radiação solar enquanto a tensão de circuito aberto possui uma pequena variação
causada pelo aumento da intensidade luminosa.
26
Ao analisar esses dados deduz-se que o aumento da radiação solar incidente interfere
diretamente na potência entregue pelo sistema. Quanto maior a energia solar entregue ao
sistema maior será a sua capacidade de conversão de energia. Isto contribui diretamente para
o aumento da potência do sistema fotovoltaico.
Durante o dia o gráfico da radiação solar descreve uma curva semelhante a uma parábola,
quando comparada com o tempo, e atinge seu valor máximo ao meio dia. Como é possível
verificar na FIGURA 3.15 abaixo
FIGURA 3.15: Curva teórica da incidência solar durante o dia
Há variação da radiação também durante os meses do ano, devido à órbita elíptica da Terra e
a inclinação de seu eixo, que faz com que o planeta receba diferentes quantidades de radiação
de acordo com a sua posição em relação ao Sol.
O nosso planeta, em seu movimento anual em torno do Sol, descreve em trajetória
elíptica um plano que é inclinado de aproximadamente 23,5° com relação ao plano
equatorial. Esta inclinação é responsável pela variação da elevação do Sol no
horizonte em relação à mesma hora, ao longo dos dias, dando origem às estações do
ano e dificultando os cálculos da posição do Sol para uma determinada data. A
posição angular do Sol, ao meio dia solar, em relação ao plano do Equador (Norte
positivo) é chamada Declinação Solar (δ). Este varia de -23,45° ≤ δ ≤ 23,45°
(FRAGA, 2009)
27
FIGURA 3.16: Determinação do ângulo de declinação
FONTE: FRAGA, 2009
Para determinar a trajetória do movimento aparente do Sol para um determinado dia em uma
dada localidade da Terra deve-se somar à declinação solar a latitude local.
Segundo o Grupo de Trabalho de Energia Solar do CEPEL - CRESESB/RJ, em sua
publicação “Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos” (GTES, 2004), as relações
geométricas entre os raios solares, que variam de acordo com o movimento aparente do Sol, e
a superfície terrestre, são descritas através de vários ângulos, que são definidos a seguir:

Ângulo de incidência (): ângulo formado entre os raios do Sol e a normal à superfície
de captação;

Ângulo Azimutal da Superfície (aw): ângulo entre a projeção da normal à superfície no
plano horizontal e a direção Norte-Sul. O deslocamento angular é tomado a partir do
Norte;

Ângulo Azimutal do Sol (a s): ângulo entre a projeção do raio solar no plano horizontal
e a direção Norte-Sul. Obedece à mesma convenção acima;

Altura Solar (αS): ângulo compreendido entre o raio solar e a projeção do mesmo
sobre um plano horizontal;

Inclinação (βS): ângulo entre o plano da superfície em questão e a horizontal;

Ângulo Horário do Sol ou Hora Angular (): deslocamento angular leste-oeste em
relação ao Sol, a partir do meridiano local, e devido ao movimento de rotação da
28
Terra. Como uma rotação completa corresponde a um dia solar, que possui 24 horas
tem-se que cada hora solar corresponde a uma hora angular de 15º. Isto indica que o
sol está 15º a oeste do meridiano local.. Adota-se como convenção valores positivos
para o período da manhã, com zero às 12:00hs;

Ângulo Zenital (z): ângulo formado entre os raios solares e a vertical (Zênite);
Na FIGURA 3.17 há a representação dos ângulos , aw, as, αS e βS.
FIGURA 3.17: Ilustração dos ângulos , aw, as, αS e βS
FONTE: GTES, 2004
3.5.3. Atmosfera
A situação da atmosfera também interfere na geração de energia por painéis fotovoltaicos,
pois a radiação solar, quando passa pela atmosfera, diminui devido á absorção por ozônio,
absorção por vapor de água, absorção por gases como CO2, CO, entre outros fatores. Assim
percebe-se que a poluição atmosférica diminui consideravelmente a eficiência de um sistema
fotovoltaico, uma vez que modificam as características dos feixes de luz emitidos pelo sol.
As modificações dependem da espessura da camada atmosférica, também denominada air
mass, AM (em português, massa de ar).
O valor de AM é definido como a relação entre o comprimento da trajetória da radiação direta
até o nível do mar caso o sol estivesse no zênite. (GASPARIN, 2009, p.17).
29
A massa de ar pode ser calculada por:

(3.13)
Para radiação fora da atmosfera AM é igual a 0, para o sol no zênite do nível do mar AM
assume valor igual a 1.
FIGURA 3.18: Ilustração da definição de AM
FONTE: GASPARINI, apud NEWPORT, 2009, p. 16
3.5.4. Localização geográfica
Uma vez comprovado o efeito da radiação sob um sistema de geração fotovoltaica, vê-se a
necessidade de estudar o comportamento solar para que se tenha conhecimento dos níveis de
radiação que atinge o sistema durante o período de exposição solar.
Em vista disto, verificou-se que a localização geográfica é uma informação indispensável para
instalação de um sistema fotovoltaico com painéis em suportes fixos.
A incidência solar varia de acordo local onde o sistema é montado. A figura a seguir mostra a
radiação solar global diária, média anual em MJ/m2.dia.
30
FIGURA 3.19: Média anual em MJ/m2.dia da radiação solar diária no Brasil.
FONTE: Adaptado de CHIGUERU et al., 2000
Através da localização geográfica é possível estimar a direção e a inclinação dos painéis para
se obter uma maior aproveitamento da radiação incidente sobre o equipamento.
O conforme dito por Fraga (2009) o posicionamento, mais usual e que possui resultados mais
satisfatórios para a instalação de painéis em suportes fixos, e coloca-los com inclinação
definida pela latitude do local de instalação e face voltada para o Norte geográfico, levando-se
em conta que a incidência diária dos raios solares sobre a superfície terrestre inicia-se a Leste
(pela manhã) e encerra-se a Oeste (no final da tarde). Desta forma pode-se o máximo de
incidência solar sobre o sistema.
31
Por meio do software SUNDATA da CERESBE, Pode-se encontrar a média de radiação solar
durante os meses ano uma vez que se sabe as coordenadas geográficas da região de interesse.
Especificamente para este estudo, extraiu-se do software SUNDATA a radiação solar anual
para as localidades próximas à região informada por meio da latitude e longitude do local de
implantação do sistema cujas coordenadas geográficas são: latitude 20,385556º sul e
longitude 43,508056° oeste.
FIGURA 3.20: Radiação solar anual para localidades próximas a Ouro Preto
FONTE: <http://www.cresesb.cepel.br/sundata> acessado em 20 de outubro de 2011>
Por meio da análise da FIGURA 3.20 observa-se que no verão obtêm-se os maiores índices de
radiação solar, enquanto no inverno obtêm-se os menores índices.
Isto justifica-se pelo fato de que a trajetória solar é maior no verão comparado ao inverno
como verifica-se na figura a que segue.
32
FIGURA 3.21: Trajetória solar em diferentes épocas de um ano
33
4. IMPLANTAÇÃO
Uma vez adquirido o embasamento teórico necessário iniciou-se a etapa de implementação. O
sistema foi implantado no telhado do Laboratório de Eletrônica Analógica e Digital da Escola
de Minas, Campus Ouro Preto da Universidade Federal de Ouro Preto.
Os painéis foram ajustados com uma inclinação aproximada de 20º de acordo com a latitude
local e voltados para direção norte com intuito de absorver o máximo de energia solar
incidente na localidade.
4.1. Materiais
Para a construção do sistema fotovoltaico proposto utilizaram-se os seguintes equipamentos:

4 Módulos fotovoltaico Isofotón modelo IS – 80;

1 Acumulador de Carga AJAX modelo EN 115 Ah - 12V;

1 Regulador de carga UNITRON modelo TotalControl TCS-30/12V;

1 Placa de medição de corrente e tensão;

Computador para aquisição de dados;

Software LABVIEW.
4.1.1. Módulo fotovoltaico Isofotón modelo IS – 80
Nos painéis fotovoltaicos ocorre a conversão de energia solar em elétrica. O sistema é
composto quatro painéis solares cujas descrições são mostradas na TABELA 4.1.
TABELA 4.1: Características do módulo fotovoltaico ISOFOTON IS-80
FONTE: ISOFOTON, 2007
MÓDULO ISOFOTÓN MODELO IS-80
CARACACTERÍSTICAS FÍSICAS
Dimensões
1224 x 545 x 39,5 mm
Peso
9 Kg
CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS
Potência Máxima (Pmax)
Corrente de Potência Máxima
(Imax)
Tensão de Potência Máxima
(Vmax)
80 W +/- 10%
4,60 A
17,3 V
Corrente de Curto circuito (ICC)
4,98 A
Tensão de Circuito Aberto (VCA)
21,6 V
CARACTERÍSTICAS CONSTRUCIONAIS
Células de silício monocristalino
125 x 125 mm
Número de células em série
36
Número de células em paralelo
1
Material encapsulante
EVA (Etileno Acetato de Vinila)
Face traseira
Protegido com várias camadas de Tedlar
Face frontal
Microestruturado com uma vidro temperado de alta
transmissividade
Alumínio anodisado
Moldura
Terminal terra
Certificações
incluso
IEC 61215, Clase II por meio do certificado TÜV, CE
A FIGURA 3.1 representa a curva I-V do módulo fotovoltaico Isofoton IS-80 traçada em
condições padrões de teste.
35
FIGURA 4.1: Curva I-V do MÓDULO ISOFOTON IS-80
FONTE: ISOFOTON, 2007
Na FIGURA 4.2 tem-se a variação da curva I-V do módulo fotovoltaico Isofoton IS-80 para
diferentes valores de temperatura.
FIGURA 4.2: Curva I-V do painel ISOFOTON IS-80 em função da temperatura
FONTE: ISOFOTON, 2007
4.1.2. Acumulador de Carga AJAX modelo EN 115 Ah - 12V
36
Um acumulador tem como função, em um sistema fotovoltaico, o armazenamento de energia
gerada para usá-la em períodos em que não existe energia solar incidindo sobre os painéis.
Basicamente, a bateria transforma energia elétrica em energia química, para fazer o
armazenamento, quando é necessário utilizar corrente elétrica, no período em que há falta de
radiação sobre os painéis solares, ela transforma a energia química em elétrica novamente.
Segundo AJAX, 2011 as características do Acumulador de carga AJAX modelo EN 115 Ah –
12V, são:

Grades com tecnologia chumbo-cálcio;

Placas de grande espessura e alta densidade;

Separadores com alta resistência mecânica, alta porosidade, alta absorção e baixa
resistência elétrica;

Caixa e tampa de polipropileno copolímero de alto impacto, totalmente selada;

Sistema de filtragem dos gases com câmara de condensação destinada a fazer com que
a água evaporada condense e retorne às células;

Supressor de chama localizado no sistema de filtragem dos gases, peça destinada a
permitir o escape de gases e evitar o acesso de chamas ou faíscas para o interior da
bateria;

Dispositivo indicador de carga elétrica - hidrômetro - através do qual é possível
verificar o estado de carga da bateria durante sua utilização;

Terminal em L ;

Nunca necessitam da adição de água;

Baixa gaseificação, possibilitando a instalação em diversos ambientes;

Resistência a altas temperaturas.
Suas especificações são:

Densidade do eletrólito: 1,260 g/cm3

Tensão a plena carga: 12,65 - 12,70 Volts

Voltagem de flutuação: 13,5 - 13,8 Volts (sem limitação de corrente)

Voltagem de equalização e cíclica: 14,4 - 15,0 Volts (máxima corrente 17 A)
37

Capacidade afetada pela temperatura:
o 25ºC - 100%
o 30ºC - 97%
o 50ºC - 85%

Auto descarga (25ºC):
o depois de 1 mês - 0,4%
o depois de 3 meses - 1,2%
o depois de 6 meses - 2,4%

Possibilidade de ciclos em função da profundidade de descarga: 90% - 250 ciclos
o 80% - 250 ciclos
o 50% - 550 ciclos
o 20% - 1500 ciclos
o 10% - 2500 ciclos
o 5% - 5000 ciclos

Evolução de gases - 13,8 Volts (25ºC): 0,00001 cm3/h
4.1.3. Regulador de carga UNITRON modelo Total Control TCS-30/12V
O Total Control TCS-30 - 12V, o qual realiza a função de um SRSC é um controlador com
LVD, ligado entre um painel solar e uma bateria. Funciona como um gerenciador de carga e
descarga, mantendo a bateria dentro de condições ideais de funcionamento, assegurando
assim longa vida útil. Ele controla carga, flutuação e também desliga a saída
automaticamente, quando a bateria está com pouca carga, evitando que o usuário a
descarregue totalmente, o que seria fatal para a vida útil da bateria.
Características:

Próprio para baterias chumbo-ácidas de 12 volts

Controla carga e flutuação (painéis até 30 ampères)

Controla a saída (até 30 ampères), desligando-a quando a tensão da bateria cai para
11,4V+-2%, e religando-a quando a bateria, ao receber carga, atinge 12,7V+-2%. Este
38
sistema é conhecido pelas siglas CMT (Corte por Mínima Tensão) ou LVD (Low
Voltage Disconnection)

Usa fusível do tipo automotivo, que proporciona proteção contra curto-circuito e
contra inversão de polaridade na ligação à bateria;

É equipado com 5 LEDs, cujas indicações são:
o LED 1: Conexão invertida no painel solar ou na bateria (neste caso, ocorre
queima do fusível).
o LED 2: Condição de carga da bateria: Apagado, indica bateria não recendo
carga, seja por falta de sol, fusível queimado, bateria desconectada ou
defeituosa, ou simplesmente por haver sido atingida a carga completa (ver
LEDs 3 a 5); Aceso, bateria recebendo carga; Piscando, carga total sendo
atingida (início do regime de flutuação); quando a bateria se encontra
totalmente carregada, os intervalos entre os lampejos do LED vão se tornando
cada vez mais espaçados, podendo chegar a um intervalo de minutos. A
indicação deste LED é equivalente à de um amperímetro de carga, isto é, ele
acende somente quando a bateria está efetivamente recebendo carga.
o LEDs 3 a 5: Indicam a tensão da bateria: Os três LEDs acesos indicam tensão
máxima (bateria totalmente carregada). Dois LEDs acesos indicam condição
normal de tensão (faixa de utilização). Apenas um LED aceso: tensão baixa,
final do período de autonomia. Apagados: indicam saída desativada, seja por
mínima tensão (LVD) ou por fusível queimado, bateria desconectada, etc.
(UNITRON ENG., IND. & COM. LTDA, 2006).
4.1.4. Sistema de aquisição de dados por meio do software LabView
A aquisição de dados é feita por meio de uma placa eletrônica confeccionada no laboratório
de eletrônica analógica e digital da Escola de Minas. Esta placa tem um circuito que
possibilita medir a tensão e a corrente do sistema fotovoltaico.
39
Para a medição de corrente utiliza-se um sensor LTS-60. Ele trabalha segundo o Efeito Hall.
Segundo este efeito quando uma corrente elétrica atravessa um fio condutor há uma criação
de um campo magnético em torno dele.
O sensor em questão possui um orifício no qual passará a fiação, e o sensor fornecerá um
sinal de 0V a 5V proporcional ao campo magnético criado pela corrente a ser medida.
Para medição da tensão foi utilizado um divisor de tensão cuja saída limita a tensão em no
máximo 5V. Isto foi projetado desta forma porque as saídas desta placa serão conectadas à
placa de aquisição de dados do LabView que suporta uma tensão máxima de 10V. Assim,
seguramente o equipamento não será danificado.
Abaixo segue a FIGURA 4.3 em que se tem o circuito projetado:
FIGURA 4.3 - Circuito de medição de corrente e tensão
Neste trabalho utilizou-se o LabVIEW para fazer o processamento dos dados do circuito de
aquisição de dados do sistema fotovoltaico.
40
O LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) trata-se de um
software de programação visual que pode ser utilizado para criar aplicações de teste, e
medição, aquisição de dados, controle de instrumento, registro de dados, análise de medição e
geração de relatório. Também pode criar executáveis e bibliotecas compartilhadas, como
DLLs, já que o LabVIEW é um compilador real de 32 bits.
A programação utilizada pelo LabVIEW baseia-se em fluxo de dados que determina a sua
execução. O LabVIEW possibilita a criação de uma interface de usuário, o painel frontal,
utilizando um conjunto de ferramentas e objetos. O painel frontal é controlado por um código
que está contido no diagrama de bloco.
4.2. Montagem e funcionamento do sistema
Os quatro módulos solares foram instalados em paralelo coletando a energia solar e a
convertendo em energia elétrica. Esta, por sua vez, segue para o controlador. Entre os painéis
e o controlador há um sensor de medição de corrente e tensão para verificar as variáveis que
são entregues ao controlador. O controlador faz o gerenciamento da carga regulando a tensão
e a corrente a ser entregue para as baterias. Entre o controlador e a bateria existe outro sensor
de medição de corrente e tensão para verificar o que é entregue ao acumulador. Por meio de
um computador o software LabVIEW coleta os dados provindos do circuito de aquisição de
dados.
Um modelo esquemático do sistema de aquisição de dados é mostrado pela FIGURA 4.4 e a
FIGURA 4.5 apresenta uma foto do sistema fotovoltaico implantado no Laboratório de
Eletrônica Analógica e Digital da Escola de Minas, na Universidade Federal de Ouro Preto e
do sistema de aquisição de dados via LabView criado.
41
FIGURA 4.4: Modelo esquemático do sistema de aquisição de dados
FIGURA 4.5: Sistema fotovoltaico implementado
42
Conforme visto na FIGURA 4.4, fez se a leitura tanto da corrente que sai dos painéis quanto
da corrente que sai do controlador.
O intuito desta montagem é comparar os dados adquiridos para verificar a ação do controlador
no sistema, analisar o processo de carga e descarga do acumulador, fazer a caracterização do
sistema e verificar o comportamento da tensão de circuito aberto durante um dia de sol pleno.
43
5. MODELO MATEMÁTICO
Basicamente o modelo matemático consistiu no conjunto de equações que visam determinar
fatores que são indispensáveis para caracterização e conhecimento da real capacidade do
sistema fotovoltaico implementado.
5.1.Determinação da Radiação solar
Considerando os dados extraídos do software SUNDATA verificou-se para regiões próximas
a Ouro Preto que a menor radiação solar incidente encontra-se no mês de junho cujo valor de
radiação é de 3,47 kWh/m2dia. Para os cálculos deste trabalho será considerado este valor
uma vez que se trata do mês com menor incidência solar. Assim garante-se um funcionamento
pleno do sistema durante todos os meses do ano.
Entretanto pode-se determinar a radiação solar levando-se em consideração o movimento
aparente do sol, um referencial fixo e a localização do painel nesse referencial.
Baseando-se nesses fatores tem-se o modelo matemático. Este permite fazer o cálculo da
radiação solar incidente em uma superfície inclinada e orientada para otimizar a captação e
conversão de energia. Tem-se a seguir a composição de equações do modelo.
PI  1,373  [1  0,033 
cos( N  2)
]  k sec( AZ )  cos( AI )
365
(5.1)
cos( AZ )  sen( DE)  sen( FI )  cos( DE)  cos( FI )  cos( AH )
(5.2)
cos( AI )  r  s  t  u  v
(5.3)
r  sen( DE)  sen( FI )  cos( IP)
(5.4)
s  sen( DE)  cos( FI )  sen( IP)  cos( AP)
(5.5)
t  cos( DE)  cos( FI )  cos( IP)  cos( AH )
(5.6)
u   cos( DE)  sen( FI )  sen( IP)  cos( AP)  cos( AH )
(5.7)
v  cos( DE)  sen( IP)  sen( AP)  sen( AH )
(5.8)
DE  23,45  sen
360  (284  N )
365
(5.9)
AH  (12  HS ) 15
(5.10)
Onde as variáveis expressas acima são dadas na TABELA 5.1.
TABELA 5.1: Variáveis solares
Símbolo
AH
Nome ou Características
Ângulo Horário
Unidade
Faixa
Graus
ao meio dia=0o sentido horário é
positivo até 360o
AI
Ângulo de Incidência
Graus
0o a 90o
AP
Azimute do Painel
Graus
+ = Leste
- = Oeste
0o=norte
180o=sul
AZ
Altitude Solar
Graus
0o a 90o
DE
Declinação Solar
Graus
-23,45o a 23,45o
FI
Latitude
Graus
Sul é positiva
Norte é positiva
0o é equador
HS
Hora Solar
Horas
0o a 24o
IP
Inclinação do Painel
Graus
0o = horizontal
90o = vertical
45
k
Coeficiente
nebulosidade
de
ou
0,4 a 0,8 (estimado)
de
turvação atmosférica
N
Dias do Ano
PI
Potência incidente
Dia
1 a 365
Kw/m2
0 a 1,4
5.2. Determinação das curvas características do sistema.
Com os valores obtidos através do sistema de aquisição de dados traça-se a curva I-V
coletando-se os dados de tensão em função da corrente ao variar uma carga no sistema desde
uma resistência infinita (circuito aberto) até a condição de resistência nula (curto circuito).
Para realização deste teste, conectou-se apenas um módulo fotovoltaico do painel solar.
5.3. Cálculo do rendimento
O Rendimento energético de uma célula é determinado pela razão entre a potência máxima e a
potencia incidente:

Pm
ES
(5.11)
Onde E representa a irradiância (W/m2) e S a superfície ativa dos painéis (m2). Considerando
uma irradiação de 3,47kWh/m2dia tem-se que a luminosidade mínima teórica é dada por:
(
) (
)
(5.12)
A área de um módulo fotovoltaico, conforme visto nas especificações técnicas contidas no
item 4.1.1 deste trabalho, tem valor igual a
(5.12)
Os quatro módulos juntos configuram um painel cuja área total é dada por:
46
(5.13)
5.4. Cálculo do Fator de forma
O grau de proximidade à característica ideal é dado pelo fator de forma (FF) expresso pela
razão; em que VC e ISC indicam a tensão de circuito aberto e a corrente de curto circuito,
respectivamente:
FF 
Vmax  I max
Pmax

VCA  I CC VCA  I CC
(5.13)
O Fator de forma expressa o quanto a curva IV aproxima do produto entre a tensão de circuito
aberto e a corrente de curto circuito de um módulo fotovoltaico.
47
6. RESULTADOS
Para obtenção dos resultados de caracterização do sistema utilizou-se de um sistema aquisição
de dados e um sistema supervisório desenvolvido via LabView para coletar informações e
desenvolver os cálculos (baseados nos modelos matemáticos citados no capítulo 5) para
determinar os dados necessários para a conclusão deste trabalho.
6.2. caracterização do sistema
Com o sistema supervisório, desenvolvido por meio do software LabView, é possível
visualizar dados de tensão, corrente e potência do painel em tempo real. Desta forma, é
possível verificar em tempo real os efeitos das variáveis sobre o sistema fotovoltaico.
Na FIGURA 6.1, tem-se a tela do sistema supervisório criado para analisar os dados do
processo e armazená-los em um banco de dados, enquanto na FIGURA 6.2 há o diagrama de
blocos desenvolvido para que pudesse executar as tarefas cálculos, aquisição, supervisão e
armazenamento de dados gerados pelo sistema fotovoltaico durante os procedimentos de
testes.
FIGURA 6.1: Tela do istema supervisório desenvolvido
FIGURA 6.2: Diagrama de blocos desenvolvido no LabView
Ao variar a carga observavam-se os seus efeitos por meio do sistema supervisório ao mesmo
tempo que os dados eram enviados para o banco de dados, de onde se extraiu os valores de
corrente e tensão para diferentes horas do dia e de apenas um módulo do painel solar. Assim,
foi possível traçar as curvas I-V e calcular os valores característicos do sistema fotovoltaico
para um dia cuja temperatura média era de 23°. Os gráficos seguem abaixo.
GRÁFICO 6.1: Curvas características IV e PV para o horário de 10:00h
49
GRÁFICO 6.2: Curvas características IV e PV para o horário de 11:30h
GRÁFICO 6.3: Curvas características IV e PV para o horário de 15:00h
Analisando os gráficos gerados, percebe-se que ao variar a carga a corrente tende a aumentar
até chegar ao valor de corrente de circuito aberto enquanto a tensão diminui desde o valor de
corrente de circuito aberto até um valor igual a zero.
Juntamente à curva I-V, é traçada a curva de potência, por meio da Equação 3.9, desta forma é
possível determinar a variação da potência em função da corrente de carga.
Conforme esperado a potência máxima do sistema é encontrada por volta de 12:00h, horário
onde incidência dos raios solares sobre o painel fotovoltaico tem maior aproveitamento.
50
Em relação às condições padrões de teste, observa-se que houve uma perda de 21,9%,
21,25%, e 41,8% para os valores de potência máxima do sistema quando exposto a condições
reais de trabalho nos horários de 10:00h, 11:30h e 15:00h respectivamente.
A TABELA 6.1: Dados do módulo fotovoltaico em diferentes horas do diacontém os dados
dos testes feitos em diferentes horas do dia de acordo com os gráficos acima. Com as
equações do modelo matemático do sistema foi possível calcular os valores de fator de forma
e rendimento por meio dos valores obtidos por meio do sistema de aquisição de dados criado.
TABELA 6.1: Dados do módulo fotovoltaico em diferentes horas do dia
VARIÁVEL
Pmáx
Imáx
Vmáx
Icc
Vca
Fator de Forma
Rendimento
10:00h
62,48
4,40
14,20
4,98
18,82
0,67
0,65
11:30h
VALOR
63
4,50
14,00
5,38
18,1
0,65
0,65
15:00h
46,56
3,27
14,25
3,83
18,13
0,67
0,48
UNIDADE
(W)
(A)
(V)
(A)
(V)
---
Como se observa na TABELA 6.1: Dados do módulo fotovoltaico em diferentes horas do dia
, os valores de fator de forma variam pouco durante o dia e o rendimento do sistema tende a
diminuir conforme diminui a incidência solar durante o dia.
Conforme citado, os parâmetros da TABELA 6.1: Dados do módulo fotovoltaico em
diferentes horas do dia foram tirados pela análise de apenas um módulo fotovoltaico,
entretanto, considerando que os sistema possui um painel fotovoltaico composto por 4
módulos interligados em paralelo, pode-se dizer que os parâmetros - corrente e potência serão quatro vezes maiores, visto que nesta configuração tem-se que a corrente de cada
módulo se soma enquanto a tensão permanece constante. Desta forma é possível reformular a
TABELA 6.1: Dados do módulo fotovoltaico em diferentes horas do dia construindo uma
nova tabela considerando o sistema como um todo, como apresenta a TABELA 6.2.
TABELA 6.2: Dados do sistema fotovoltaico em diferentes horas do dia
VARIÁVEL
10:00h
11:30h
15:00h
UNIDADE
51
Pmáx
Imáx
Vmáx
Icc
Vca
Fator de Forma
Rendimento
249,92
17,60
14,20
4,98
18,82
0,67
0,65
VALOR
252
18,00
14,00
5,38
18,10
0,65
0,65
186,24
13,08
14,25
3,83
18,13
0,67
0,48
(W)
(A)
(V)
(A)
(V)
---
Após analisar as curvas características do painel solar observou-se o comportamento da
tensão de circuito aberto durante um dia de irradiação solar.
Como a tensão de circuito aberto é diretamente proporcional à irradiação solar incidente no
painel solar é possível estimar o comportamento da incidência solar durante o dia. A variação
da tensão diária indicará, proporcionalmente, a variação da luminosidade solar sobre o painel.
A curva do GRÁFICO 6.4 mostra a variação real da tensão de circuito aberto durante um
período de irradiação comum. Percebe-se que
a tensão aumenta até um ponto onde a
luminosidade tende a permanecer constante e depois decresce conforme diminui a incidência
Tensão de circuito aberto (V)
solar.
20
15
Tensão diária real
10
Tensão diária teórica
5
0
GRÁFICO 6.4: Curva de variação da tensão de circuito aberto durante o dia
52
Durante o período de regime permanente de luminosidade solar nota-se que a tensão oscila.
Isto é devido ao efeito de sombreamento sobre o painel causado pelo surgimento de nuvens,
que diminuem a incidência solar.
53
7. CONCLUSÃO
A conversão de energia luminosa em energia elétrica ocorre através das células fotovoltaicas,
que são arranjadas série-paralelo, constituindo um painel fotovoltaico para a obtenção de uma
maior capacidade de geração de energia. A energia luminosa convertida é armazenada em
baterias e para o gerenciamento e processamento desta energia necessita-se de um sistema
constituído de reguladores, conversores e componentes eletrônicos cuja finalidade é a
aquisição de uma máxima eficiência de conversão fotovoltaica.
Visando um projeto específico, é necessário um minucioso estudo do potencial no local de
instalação do sistema, sendo recomendável a realização de medições para se avaliar as
influências localizadas de relevo, poluição e outros. Também é importante o conhecimento
das variações anuais, sazonais e diárias da radiação solar. Uma avaliação da potencialidade
desses recursos exige a realização de um levantamento abrangente dos níveis de radiação
solar por meio de medições com instrumentos solarimétricos e a utilização de modelos
matemáticos para extrapolação dos valores medidos para áreas desprovidas de dados.
Verifica-se que com o aumento da temperatura, a corrente pouco varia, o mesmo não acontece
para a tensão que é inversamente proporcional ao aumento da temperatura.
Quando se diminui a irradiação, observa-se uma queda na tensão de circuito aberto fornecida
pelo sistema. Isso comprova que a incidência solar é diretamente proporcional à tensão
fornecida.
O sistema implantado tem uma capacidade de carregar uma bateria de 115Ah em cerca de 6h
de pleno funcionamento. Essa carga é capaz de sustentar, por exemplo, onze lâmpadas de
20W e 12V por cerca de 6 horas. Desta forma, verifica-se que o sistema implantado tem
aplicações práticas possíveis.
Por meio de um projeto contendo a demanda necessária para o seu funcionamento pode-se
desenvolver um sistema fotovoltaico para atendê-lo, uma vez que se notou a viabilidade da
implantação de um sistema de geração fotovoltaica na localidade.
8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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