DESENVOLVIMENTO DE UM PROGRAMA COMPUTACIONAL

PARA O DIMENSIONAMENTO DE SISTEMAS FOTOVOLTÁICOS

DE ENERGIA

Dionízio Paschoareli Jr. Rodrigo M. Sanches, Rodrigo R. de Paula e Falcondes J. M. Seixas

Grupo de Pesquisa em Fontes Alternativas e Aproveitamento de Energia

UNESP - Universidade Estadual Paulista - DEE - Departamento de Engenharia Elétrica

Av. Brasil, 364 - Caixa Postal 31 - CEP: 15385-000 - Ilha Solteira - SP

Fone: (18) 3743-1150 Fax: (18) 3743-1163 - http://www.dee.feis.unesp.br

RESUMO

Este trabalho apresenta um programa computacionalcapaz de dimensionar um módulo fotovoltáico apartir de dados da potência requerida, dacaracterística de insolação e ausência de radiaçãosolar. Este dimensionamento compreende atotalização do número e características dos painéissolares, do controlador de carga e dos elementosacumuladores de energia (baterias chumbo-ácido)que são utilizados.

É apresentada também uma análise econômica,indicando o custo total do módulo a partir deinformações dos custos individuais de cadacomponente. Uma biblioteca contendo váriosfabricantes de componentes é apresentada, com apossibilidade de inclusão de outros fabricantes. Oprograma utiliza a linguagem computacional VisualBasic, com a possibilidade de ser utilizado pelaconexão da internet através da execução de umapplet. A interatividade com o usuário e aapresentação de figuras ou fotografias doscomponentes selecionados (quando disponível),permitem a qualquer usuário (tecnicamenteinformado ou não) uma rápida e precisa visualizaçãodo sistema de geração fotovoltáica requerido.

ABSTRACT

This work presents a software which defines aphotovoltaic system from data of power demand,

solar incidence and absence of solar radiation. Theamount and characteristics of the solar panels, theload controller and of the energy storage (lead-acidbatteries) are considered.

It is also presented an economical analysis of thetotal cost of a solar system from information of theindividual costs of each component. A librarycontaining several component manufacturers ispresented, with the possibility of including newmanufacturers. The program uses Visual Basic as thecomputational language, allowing the use in theinternet by the execution of applets. Theinteractivity with the user and the presentation ofillustrations or pictures of the selected components(when available) allow to any user (technicallyinformed or not) a quick view and dimensioning ofthe photovoltaic generation system required for agiven power demand.

INTRODUÇÃO

A utilização da energia solar é uma alternativa àsformas convencionais de geração de energia que estácrescendo com o passar dos anos devido a reduçãodos custos e vantagens ambientais.

A escassez de fontes primárias (não renováveis) deenergia e o prejuízo ambiental resultante daconstrução de grandes usinas geradoras (como ashidrelétricas e termelétricas) motivam a busca de

fontes alternativas de energia. Tais fontes devem sercapaz de suprir a demanda necessária preservando omeio ambiente, motivo de grande preocupação. Poresta razão, denominam-se tais tipos de energia como“energia verde” (do inglês green energy) ou energialimpa.

Um dos tipos de energia alternativa é a energia solarfotovoltáica. A energia solar consiste na conversãoda radiação solar em energia elétrica utilizando-sepainéis fotovoltáicos constituídos de materialsemicondutor que, quando expostos à radiação solar,geram um diferença de potencial em seus terminais.Esta diferença, quando ligada a uma carga, faz surgiruma corrente elétrica. Sua difusão, de uma maneirageral, não é muito significativa. Porém, existemcasos isolados de utilização em grande escala para ageração independente de energia ou também para aco-geração.

A utilização da energia solar no Brasil é justificadapelo grande potencial energético (radiação solar) aoqual é submetido. Entretanto, o sistema solarfotovoltáico ainda é caro e tem baixa eficiência.

O uso da energia solar torna-se viável em locaisisolados, distantes das linhas de transmissão, cujoscustos da ligação do consumidor ao sistema elétricotorna-se elevado.

Um módulo fotovoltáico compreende basicamentetrês componentes para a conversão da radiação solarem energia elétrica [1-5]:• painel fotovoltáico propriamente dito;• controlador de carga da bateria (que servirá

como armazenador de energia para o sistema);• conversor estático (que fará o condicionamento

da energia gerada para ser fornecida para acarga ou para o armazenamento).

Cada um dos componentes pode ser utilizadounitariamente ou em combinações que permitam aadequação das grandezas elétricas geradas (tensão,corrente e potência nominais) às características deconsumo (carga).

A grande variedade de componentes dos módulosfotovoltáicos pode causar certa dificuldade nomomento do planejamento e dimensionamento dosgeradores solares.

Os sistemas de energia solar têm sido utilizados paraos mais variados fins. Podem-se citar alguns deles:• Eletrificação de cercas;

• Iluminação pública;• Alimentação de telefones públicos em locais

remotos;• Alimentação de sistemas de sinalização e

outros.

O baixo rendimento dos painéis fotovoltáicos, oelevado custo e a dificuldade de escolha doscomponentes que constituirão o sistemafotovoltáico, tais como painéis fotovoltáicos,controladores e acumuladores de carga dificultam odimensionamento de um sistema fotovoltáico. Alémdisso, existe uma grande quantidade de modelos nomercado. Outra dificuldade de dimensionamento dosistema diz respeito a quantidade de cadacomponente a ser utilizado e como ser utilizado.

O programa computacional desenvolvido faz taldimensionamento através de valores de potênciarequerida, insolação e da ausência de radiação solar.Para o dimensionamento, o usuário deve selecionarinicialmente um modelo de módulo fotovoltáico quepode ter sido inserido ou que já consta na bibliotecado programa. O procedimento seguinte é escolherum modelo de controlador de carga e de acumuladorde carga, inseridos ou presentes na biblioteca doprograma. São então apresentadas características doscomponentes utilizados assim como quantidade, tipode associação, custo unitário e custo total dosistema.

PROGRAMA

Desenvolvido em linguagem computacional VisualBasic, o programa para o dimensionamento desistemas fotovoltáicos tem como objetivo auxiliar nadeterminação dos componentes fundamentais para ofuncionamento de um sistema de geração de energiasolar.

A tela inicial do programa é apresentada na Fig. 1.

O programa pode ser dividido em três partesfundamentais distintas, sendo elas analisadasseparadamente.

Parte 1 – Inserção dos dados e escolha dosmodelos

Na Fig. 2, pode-se observar que existem três campospara preenchimento: potência requerida, insolaçãolocal e período sem radiação solar.

Fig. 1. Tela inicial do programa.

Fig. 2. Parte de introdução de dados do programa.

Potência requerida: neste campo, o usuário deveinserir o valor de potência que deve ser alimentadapelo sistema, em Watts.

Insolação local: o usuário deve ter em mãos o valorda insolação média, em horas, do local onde osistema será instalado.

Período sem sol: período de ausência de radiaçãosolar suficiente para funcionamento correto dospainéis fotovoltáicos no qual os acumuladores decarga devem fornecer energia. Período dado em dias.

Na Fig. 2 observa-se também três campos queservirão para a escolha dos modelos de componentes(painel fotovoltáico, controlador de carga eacumulador de carga). Estes modelos podem ser osmodelos existentes na própria biblioteca doprograma ou inseridos pelo usuário. (Procedimentodiscutido posteriormente).

Quando um modelo é selecionado, se este possuirfigura para ilustração, esta é exibida na tela mostradana Fig. 3.

Fig. 3. Figura do componente selecionado.

Inseridos os dados e selecionados os modelos, osistema é dimensionado clicando-se no botão“Dimensionar”, mostrado na Fig. 1. Dá-se início àparte seguinte do programa.

Parte 2 – Apresentação dos resultados

O sistema dimensionado é apresentado conformemostrado na Fig. 4.

Fig. 4. Apresentação dos resultados dimensionados.

Na Fig. 4 pode-se observar que são mostradas ascaracterísticas construtivas de cada componente(tensão nominal, corrente nominal, por exemplo),bem como a quantidade, tipo de associação e preçounitário dos componentes. É também apresentado ocusto total do sistema caso todos os componentespossuam preço.

A terceira parte do programa não é conseqüência dasdemais, podendo ser considerada à parte.

Parte 3 – Inclusão e edição de modelos

O usuário pode possuir modelos de componentesque não se encontram na biblioteca do programa. Épossível que ele adicione tais modelos para que osistema seja dimensionado com estes modelos, casosejam selecionados.

Para que o usuário possa incluir modelos decomponentes diferentes, deve clicar no botãorelativo ao tipo de componente a ser inserido(“Painéis”, “Controladores” e “Acumuladores”)mostrado na Fig. 1. É então apresentada uma novatela, mostrada na Fig. 5.

No caso, a tela mostrada na Fig. 5 refere-se à telapara inclusão de modelo de módulo fotovoltáico. Asoutras telas para inclusão de novos modelos decontroladores e acumuladores são similares.

As informações para o preenchimento dos campossão mostradas na tela de ajuda, mostrada ao clicar-seno botão “Ajuda”.

Caso o usuário possua um valor para atualização dosdados de modelos da biblioteca do programa, pode-se fazer a alteração dos valores através do processode edição.

No processo de edição, o usuário pode alterar dadosde um modelo de painel solar, por exemplo,atualizar o preço de um modelo.

Para isso, deve clicar no botão “Editar” da Fig. 5,fazendo com que a tela da Fig. 6 seja mostrada.

Fig. 5. Tela para inserir novo modelo de painel solar fotovoltáico.

Fig. 6. Tela de edição de modelo de painel solar.

Na edição de dados, o usuário deve primeiramenteselecionar um modelo da biblioteca e alterar o quefor necessário.

DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA

O dimensionamento do sistema só é executado apósterem sido inseridos os valores necessários para ocálculo e escolhidos o painel fotovoltáico, ocontrolador de carga e o acumulador de carga.

Basicamente, o dimensionamento do sistema foifeito através dos seguintes passos:

1º passo: Cálculo da corrente utilizada pela carga(Icarga)

Considerando que o sistema opera com tensãonominal igual a 12 V, a corrente utilizada pela cargaé a razão entre a potência requerida (Prequerida) e atensão nominal de operação do sistema (V), dadapela equação (1).

arg [ / ]requeridac a

PI W V

V= (1)

2º passo: Cálculo da energia diária necessária(Ediária)

Supondo que o sistema opere 12 horas diárias, aenergia diária necessária para acionar a carga serádada pelo produto entre a corrente utilizada pelacarga (Icarga) e o número de horas de operação dosistema (n), conforme a equação (2).

][ arg AhnIE acdiária = (2)

3º passo: Fator de segurança (Eextra)

O valor de energia diária calculado pela equação (2)não possui uma margem de segurança. Inclui-seentão um fator de segurança e recarga ao mesmopara que seja garantida a recarga do acumuladorapós dias nublados. Este fator assegura uma energiaextra ao sistema, calculada pelo produto entre aenergia diária (Ediária) e o fator de segurança (fs),conforme a equação (3).

][ . AhfsEE diáriaextra = (3)

Na equação (3), utilizou-se um fator de segurançaigual a 10%.

4º passo: Cálculo da corrente fornecida pelopainel fotovoltáico (Ipainel)

Com o valor de insolação local inserido pelousuário, calcula-se o valor da corrente que deve serfornecida pelo painel solar como a razão entre aenergia extra (Eextra) e o valor de insolação (ins)através da equação (4).

][ Ains

EI extra

painel = (4)

5º passo: Quantidade de painéis fotovoltáicos(npainel)

Com o resultado obtido na equação (4) e com ovalor de corrente nominal do painel (Inpainel)escolhido pelo usuário, calcula-se a quantidade demódulos.

6º passo: Cálculo da corrente suportada pelocontrolador de carga (Icontrol)

Utilizando-se o valor da corrente de curto circuito dopainel fotovoltáico escolhido (Iccpainel) e com o valorda corrente utilizada pela carga (Icarga), através dasoma das mesmas calcula-se a corrente suportadapelo controlador de carga (equação (5)).

][ arg AIIccI acpainelcontrol += (5)

Os modelos de controladores de carga apresentadossão somente aqueles que têm máxima corrente demódulo igual ou superior à corrente calculada pelaequação (5).

7º passo: Cálculo dos acumuladores de carga

Assumindo-se que os acumuladores têm máximaprofundidade de descarga igual a 50% e com o valorde ausência de radiação solar (período sem sol)inserido pelo usuário, calculou-se a carga doacumulador necessária para tal sistema pela razãoentre o produto da energia extra (Eextra) multiplicada

pelo valor de ausência de radiação (rad) e o valor demáxima profundidade de descarga do acumulador(max). Tal cálculo é feito com a utilização daequação (6).

. [ . ]extraE rad

carga Ah diamax

= (6)

Para os acumuladores e controladores de carga sãotambém calculadas as quantidades de cadacomponente utilizado.

O sistema será determinado se forem inseridosvalores válidos para os cáculos. São eles:§ Valores numéricos;§ Valores não nulos e§ Valores positivos, se decimais, separados por

vírgula

INTERNET

A utilização deste programa na internet pode serfeita de algumas maneiras. Uma maneira é a criaçãode um applet. Este applet pode ser desenvolvido nalinguagem computacional Java (mais convencional)é então colocado em uma página da internet,hospedada num servidor. O usuário acessa a páginae executa o applet não necessitando que o programaseja instalado em seu computador.

Uma outra maneira é adotar o mesmo procedimentoacima, porém utilizando uma outra linguagem parainternet (ASP, HTML e outras). Desta maneira ousuário também não precisa instalar o programa emseu computador.

Uma terceira maneira é adicionar em uma página dainternet um link para que o usuário faça o downloaddo programa juntamente com os arquivos deinstalação necessários para o correto funcionamentodo mesmo. Neste caso, é necessário que o usuárioinstale o programa em seu computador.

CONCLUSÕES

O programa para o dimensionamento de sistemasfotovoltáicos apresentado constitui-se em umaferramenta computacional importante para que ousuário possa obter uma análise prévia de custos edimensão do sistema a ser utilizado, mesmo semconhecimento prévio em sistemas de energiaelétrico.

O desenvolvimento de applets para a utilização viainternet facilita o acesso ao programa, permitindoinclusive sua utilização para fins didáticos.

A maneira simples e rápida de manipulação dosdados dos modelos existentes, além da fácil inserção

de novos modelos, torna o programa bastantedinâmico.

Além do mais, este trabalho tem permitido a alunosdo curso de graduação em engenharia elétrica ocontato com esta nova realidade da geração deenergia elétrica, que é a utilização de sistemasalternativos, principalmente os sistemas solaresfotovoltáicos.

PALAVRAS-CHAVE

Energia solar; painéis fotovoltáicos; energiaalternativa; software

REFERÊNCIAS

[1] Siemens Ltda; Guia geral para módulos solaresfotovoltáicos Siemens; São Paulo; outubro;2000.

[2] http:// www.cresesb.cepel.br

[3] http:// www.siemens.com.br

[4] http:// www.heliodinamica.com.br

[5] http:// www.energiapura.br