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Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia da Bahia
Departamento de Ensino
Coordenação de Engenharia Elétrica
Mayara Cordeiro França
AVALIAÇÃO DE GRANDEZAS ELÉTRICAS NA GERAÇÃO
FOTOVOLTAICA PARA MELHORIA DA EFICIÊNCIA POR SISTEMA DE
ARREFECIMENTO CONVECTIVO
Paulo Afonso
2017
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Mayara Cordeiro França
AVALIAÇÃO DE GRANDEZAS ELÉTRICAS NA GERAÇÃO
FOTOVOLTAICA PARA MELHORIA DA EFICIÊNCIA POR SISTEMA DE
ARREFECIMENTO CONVECTIVO
Trabalho de conclusão de curso apresentado ao
colegiado do curso de Engenharia Elétrica do
Instituto Federal de Educação, Ciência e
Tecnologia da Bahia, como requisito parcial para
obtenção do título de Bacharel em Engenharia
Elétrica.
Orientador: Prof. Dr. Luiz Antônio Pimentel
Cavalcanti
Coorientador: Prof. MSc. Felipe Freire Gonçalves
Paulo Afonso
2017
3
F881a FRANÇA, Mayara Cordeiro
AVALIAÇÃO DE GRANDEZAS ELÉTRICAS NA GERAÇÃO
FOTOVOLTAICA PARA MELHORIA DA EFICIÊNCIA POR SISTEMA
DE ARREFECIMENTO CONVECTIVO / Mayara Cordeiro França. Paulo
Afonso – BA: 2017. 51f.; il.
Orientador: Prof. Dr. Luiz Antônio Pimentel Cavalcanti; Coorientador:
Prof. MSc. Felipe Freire Gonçalves.
Projeto Final de Curso (Graduação) – Instituto Federal de Educação,
Ciência e Tecnologia da Bahia/ IFBA - Campus de Paulo Afonso. Curso:
Bacharelado em Engenharia Elétrica
1. Fontes alternativas 2. Eficiência de placa fotovoltaica
3. Sistema de arrefecimento I. Título
CDD – 621.3
4
Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia da Bahia
Departamento de Ensino
Coordenação de Engenharia Elétrica
Disciplina: Projeto Final de Curso
BANCA EXAMINADORA
_____________________________________
Prof. Dr. Luiz Antônio Pimentel Cavalcanti
_____________________________________
Prof. Dr. Alberto Brandão Torres Neto
_____________________________________
Prof. MSc. Urbano Uelligton Secundes
Aprovado em 7 de dezembro de 2017.
5
“Nada na vida deve ser temido, somente
compreendido. Agora é hora de compreender
mais para temer menos”
― Marie Curie
6
Agradecimentos
Agradeço às forças da natureza as quais nos possibilita viver instantes neste plano.
Agradeço aos meus pais Elza Cordeiro Bezerra e Francisco Alves de França, por terem
se dedicado tanto tempo das suas vidas para cuidar de mim e que me deram apoio e
incentivo nos momentos complicados.
Sou imensamente grata as pessoas que encontrei neste longo caminho e que me apoiaram
quando já em mim não havia apoio, principalmente a Iane Galvão por ter sido quem me
ouvia quando em mim havia apenas a necessidade de ser ouvida.
Meus agradecimentos ao meu irmão, João Paulo Cordeiro França, por ter me ajudado
tanto quanto lhe foi possível, a minha tia Edna Lúcia e aos meus tios e avós, que de
alguma forma também contribuíram para que o sonho da formação acadêmica se tornasse
realidade.
Sou também imensamente grata ao professor Luiz Pimentel que viu no meu projeto uma
oportunidade de concretização e que se mostrou disposto a realizar junto comigo um
trabalho de excelência. Agradeço o apoio do professor Felipe Gonçalves por coorientar
este trabalho.
Agradeço ao governo brasileiro que vislumbrou a necessidade de levar a educação
gratuita e de qualidade para o interior da Bahia e que tem me proporcionado largo acesso
ao conhecimento no qual decidi me especializar.
Grata a cada docente das diversas áreas (cálculo, física, química e engenharia), aos
técnicos administrativos e à direção deste Instituto por toda a dedicação vivida por estes
e necessária para que esta formação acadêmica se torne realidade.
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Resumo. Fontes alternativas de geração de energia elétrica tem sido foco nos últimos
anos visando suprir o consumo energético mundial por vias sustentáveis para diminuir a
dependência por combustíveis fósseis. Uma alternativa parte do efeito fotovoltaico, que
converte diretamente a energia luminosa do sol (abundante e gratuita) em energia
elétrica de forma silenciosa e estática. Este trabalho avalia empiricamente os valores de
tensão de circuito aberto (Voc) gerada pela placa para diferentes condições de
temperatura, controlado através do arrefecimento convectivo da superfície de uma placa
fotovoltaica. Tendo em vista que a Geração Distribuída tem se tornado evidente no
cenário brasileiro e que a eficiência das placas depende não somente da sua construção
química, mas também de fatores externos como a irradiância, a temperatura, o acúmulo
de sujeira, sombreamento e inclinação da placa. O fator que mais afeta o Ponto de
Potência Máximo (PMP) é a temperatura que para a placa utilizada consiste na variação
tensão de 5,6%/°C. Isto implica na necessidade de maximizar a eficiência da geração de
energia elétrica por placas fotovoltaicas a partir do controle da temperatura. Assim, o
sistema de arrefecimento convectivo por película d’água que reutiliza a água para
arrefecer uma placa fotovoltaico se mostra como uma ótima solução para elevar a tensão
de saída da placa em 2,24V, consequentemente elevando PMP.
Palavras-chave: Fontes Alternativas. Eficiência de placa fotovoltaica. Sistema de
arrefecimento.
8
Abstract
Alternative sources of electricity generation have been focus in recent years aiming to
supply the world's energy consumption by sustainable routes to reduce dependence on
fossil fuels. An alternative part of the photovoltaic effect, which directly converts the
luminous energy of the sun (abundant and free) into electrical energy in a silent and static
way. This work empirically evaluates the open-circuit voltage (Voc) values generated by
the plate for different temperature conditions, controlled by the convective cooling of the
surface of a photovoltaic plate. Considering that Distributed Generation has become
evident in the Brazilian scenario and that the efficiency of the plates depends not only on
their chemical construction, but also on external factors such as irradiance, temperature,
dirt accumulation, shading and slope of the plate. The factor that most affects the
Maximum Power Point (PMP) is the temperature that for the plate used consists in the
voltage variation of 5.6% / ° C. This implies the need to maximize the efficiency of electric
power generation by photovoltaic panels from the temperature control. Thus, the water
film convective cooling system which reuses water to cool a photovoltaic plate is shown
as an optimal solution to raise the plate output voltage by 2.24V, thereby raising PMP.
Keywords: Alternative Sources. Photovoltaic system efficiency. Cooling system.
9
Lista de Tabelas
Tabela 1: Valores de irradiação média mensal para a localização de realização das
medições, parte I. (FONTE: CRESESB, 2017) ..............................................................34
Tabela 2 – Tabela de valores típicos da placa utilizada. (FONTE: PHOTOWATT
TECHNOLOGIES, 2017) ...............................................................................................36
Tabela 3: Resultados do cálculo para fluxo de calor por convecção. (FONTE: Autoria
própria, 2017) .................................................................................................................40
Tabela 4: Valores de corrente de circuito aberto calculado com a irradiância média obtido
no banco de dados da CRESESB e parâmetros típicos da placa. (FONTE: Autoria própria,
2017) ...............................................................................................................................41
Tabela 5: Resultados obtidos nas medições realizadas. (FONTE: autoria própria, 2017)
.........................................................................................................................................41
Tabela 6: Resultado do cálculo do balanço energético para irradiação do sol (G).
(FONTE: Autoria própria, 2017) .....................................................................................45
10
Lista de Figuras
Figura 1 – Eficiência das células fotovoltaicas em função do tempo do ano de fabricação.
(FONTE: PINHO e GALDINO, 2014) ............................................................................20
Figura 2: Fatores de perdas de estudo realizado pela sociedade alemã de energia solar.
(FONTE: DGS apud RANK, 2016) .................................................................................21
Figura 3: Diodo Bypass. (FONTE: SUNFIELDS EUROPE, 2017) ................................23
Figura 4: Influência da irradiância do sol no painel fotovoltaico. (FONTE: SILVA, 2016)
.........................................................................................................................................24
Figura 5- Cristal de silício dopado: tipo n e p. (FONTE: MATTOS, 2016) .....................27
Figura 6 - Célula fotovoltaica de silício cristalino. (FONTE: SEGUEL, 2009) ...............27
Figura 7 – Circuito equivalente com um diodo para célula fotovoltaica. (FONTE: PINHO
e GALDINHO, 2014) ......................................................................................................28
Figura 8 - Principais parâmetros elétricos em destaque, ISC é a corrente elétrica em curto
circuito; VOC é a tensão de circuito aberto e PMP a potência máxima (VMP, IMP).
(PINHO e GALDINO, 2014) ..........................................................................................30
Figura 9 – Relação entre a tensão e a corrente em função da temperatura nas placas.
(FONTE: PINHO e GALDINO, 2014) ............................................................................31
Figura 10: Anomalias da curva I-V de um painel fotovoltaico. (FONTE: PINHO e
GALDINO apud RANK, 2016) .......................................................................................32
Figura 11 - Curva P-V para diferentes temperaturas. (FONTE: SEGUEL, 2009)
.........................................................................................................................................32
Figura 12 – Localização da realização das medições. (FONTE: google maps, 2017)
.........................................................................................................................................33
Figura 13: Gráfico da irradiância incidente na cidade de Paulo Afonso. (FONTE:
CRESESB, 2017) ............................................................................................................35
11
Figura 14 - Sistema de resfriamento por película d'água protótipo montado no SketchUp
Pro 2017. (FONTE: Autoria própria, 2017) ................................ ....................................37
Figura 15: Inclinação da placa utilizado para realizar as medições. (FONTE: Autoria
própria, 2017) ..................................................................................................................38
Figura 16: O arranjo experimental montado em funcionamento. (FONTE: Autoria
própria, 2017) ..................................................................................................................39
Figura 17: Inclinação da placa para as medições. (FONTE: Autoria própria, 2017) ......39
Figura 18: Variação da tensão (Voc) com a temperatura por regressão linear. (FONTE:
Autoria própria, 2017) ....................................................................................................42
Figura 19: Gráfico de resíduos para o gráfico de tensão em função da temperatura.
(FONTE: Autoria própria, 2017) ...................................................................................43
Figura 20: Variação da corrente (Isc) com a temperatura por regressão linear. (FONTE:
Autoria própria, 2017) ....................................................................................................44
Figura 21: Gráfico de resíduos para o gráfico de corrente em função da temperatura.
(FONTE: Autoria própria) ..............................................................................................44
Figura 22: Ganho de potência do sistema por temperatura. (FONTE: Autoria própria,
2017) ...............................................................................................................................46
Figura 23: Curva de potência I x V para Tplaca de 10°C. (FONTE: Autoria própria, 2017)
.........................................................................................................................................47
Figura 24: Curva de potência I x V para Tplaca de 50°C. (FONTE: Autoria própria, 2017)
.........................................................................................................................................47
Figura 25: Resultado do ponto de máxima potência (PMP) em função das temperaturas.
(FONTE: Autoria própria, 2017) ..................................................................................48
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Lista de siglas e abreviaturas
ANEEL - Agência Nacional de Energia Elétrica
m-Si - silício monocristalino
p-Si - silício policristalino
a-Si - silício Amorfo
CIS - disseleneto de cobre e índio
CIGS - disseleneto de cobre, índio e gálio
CdTe - Telureto de cádmio
P&D - Pesquisa e desenvolvimento
CPV – Concentrated Photovoltaics
DSSC – Dye-Sensitized Solar Cell
OPV – Organic Photovoltaics
PMP - Potência máxima
MPP - Maximum Power Point
CRESESB - Centro de Referência para as Energias Solar e Eólica Sérgio de Salvo Brito
CEPEL - Centro de Pesquisas de Energia Elétrica
STC - Standard Test Conditions
FF- Fator de Forma
13
SUMÁRIO
Lista de Tabelas ...............................................................................................................ix
Lista de Figuras.................................................................................................................x
Lista de Siglas e abreviaturas..........................................................................................xii
1. INTRODUÇÃO ..........................................................................................................14
2. OBJETIVO GERAL....................................................................................................15
2.1 Objetivos específicos.......................................................................................15
3. JUSTIFICATIVA........................................................................................................16
4. FORMULAÇÃO DO PROBLEMA............................................................................16
5. ABORDAGEM GERAL.............................................................................................17
5.1 Fontes de Geração de Energia Convencional ou Alternativa...........................17
5.2 O painel fotovoltaico........................................................................................18
5.2 A eficiência de placas fotovoltaica .................................................................19
5.3 Fatores críticos para a eficiência......................................................................21
5.3.1 Acúmulo de poeira ou sujeira..............................................................22
5.3.2 Sombreamento.....................................................................................22
5.3.3 Irradiação.............................................................................................23
5.3.4 Umidade...............................................................................................24
5.4 Transferência de Calor por Convecção ...........................................................24
5.5 O princípio de funcionamento do painel fotovoltaico .....................................25
5.6 O modelo elétrico equivalente.........................................................................28
5.6.1 Parâmetros elétricos ............................................................................30
5.6.2 Os parâmetros que influenciam...........................................................31
6. MATERIAIS E MÉTODOS........................................................................................33
6.1 Localização e inclinação .................................................................................33
6.2 Placa e parâmetro do fabricante.......................................................................35
7. MEDIDAS DAS VARIÁVEIS ELÉTRICAS............................................................36
8. RESULTADOS ..........................................................................................................38
8.1 Arranjo Experimental.......................................................................................38
8.2 Análises dos Resultados...................................................................................40
8.3 Conclusão ........................................................................................................49
REFERÊNCIAS
14
1. INTRODUÇÃO
Uma maior participação das fontes de energia renováveis na matriz energética
tem sido incentivada em nível mundial, e uma série de políticas públicas vêm sendo
adotadas por diferentes países a fim de se buscar maior segurança energética. Neste
contexto, a energia solar fotovoltaica desempenha, potencialmente, um papel importante
na evolução da participação de fontes alternativas na matriz energética mundial, visto sua
abundância e ampla disponibilidade na superfície terrestre (NAKABAYASHI, 2014).
No Brasil a atratividade econômica da geração com módulos fotovoltaicos está
intrinsecamente relacionada às tarifas de energia elétrica convencional, já que o benefício,
do ponto de vista financeiro, para o micro/minigerador é o custo evitado para a compra
de energia elétrica convencional (NAKABAYASHI, 2014). A Resolução 482/2012 da
Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), trata sobre a micro e minigeração, que
define o sistema de compensação de energia elétrica, mediante o qual a energia injetada
na rede poderá compensar o consumo de energia nos meses subsequentes (FALCÃO,
2013).
Segundo a ANEEL (2015), os estímulos à geração distribuída se justificam pelos
potenciais benefícios que tal modalidade pode proporcionar ao sistema elétrico. Entre
eles, estão o adiantamento de investimentos em expansão dos sistemas de transmissão e
distribuição, o baixo impacto ambiental, a redução no carregamento das redes, a
minimização das perdas e a diversificação da matriz energética. Com o objetivo de reduzir
os custos e tempo para conexão da microgeração e minigração; compatibilizar o Sistema
de Compensação de energia Elétrica com as Condições Gerais de Fornecimento (REN n°
414/2010); aumentar o público alvo; e melhorar as informações na fatura, a ANEEL
publicou a Resolução Normativa n° 697/2015 revisando a REN n°482/2012.
Por tais motivos que ao longo dos últimos anos se verificou o início de um
processo de profundas mudanças tecnológicas no setor elétrico, tendo como característica
mais visível deste processo o ciclo expansionista de fontes renováveis e alternativas na
matriz elétrica. Inicialmente, esta dinâmica esteve basicamente atrelada à difusão da
energia eólica. Mais recentemente, a energia solar fotovoltaica também iniciou uma
dinâmica de crescimento exponencial (RAINERI 2016 apud CASTRO, 2016. p. 5).
Através do efeito fotovoltaico, células solares convertem diretamente a energia do sol em
energia elétrica de forma estática, silenciosa, não-poluente e renovável (RÜTHER, 2004).
15
Segundo a ANEEL, os maiores índices de radiação são observados na região Nordeste
com destaque para o Vale do São Francisco. Este destaque pode ser melhor aproveitado
através do controle da temperatura das placas fotovoltaicas.
Pois, o desempenho das células fotovoltaicas é influenciado pela irradiância
incidente e sua distribuição espectral, bem como pela temperatura de operação da célula.
Em condições de concentração da radiação solar, o que implica na utilização de
dispositivos ópticos (lentes ou espelhos) para obtenção de níveis de irradiância superiores
aos naturais (>1.000 W/m²), a eficiência das células fotovoltaicas pode aumentar, se a
temperatura for controlada (PINHO e GALDINO, 2014).
Segundo Simione (2017), os principais resultados obtidos mostram que o
impacto da temperatura de operação das células fotovoltaicas é expressivo na
identificação das regiões com maiores potenciais solares reais e que a eficiência elétrica
pode ser reduzida em até 15%. Matematicamente, Silva (2016) mostrou que derivando a
fórmula do ponto máximo de potência é possível verificar a variação de potência dos
módulos fotovoltaicos em relação a variação de temperatura que resulta em -0,46[%/°C].
Para a redução de temperatura do painel fotovoltaico, foi desenvolvido um
sistema de refrigeração com água corrente com objetivo de verificar experimentalmente
o resultado teórico do ganho de potência. O mecanismo de arrefecimento consistiu de um
cano de 1/2” de 8 metros, com furos igualmente espaçados e alinhados de diâmetro de
2mm, com conexões para mangueira de água em suas duas extremidades. O sistema foi
fixado juntamente a um conjunto de painéis fotovoltaicos na borda superior dos mesmos.
Com a realização do experimento citado, os autores puderam comprovar que “quanto
menor a temperatura de operação, maior é a potência de saída se comparado com o
conjunto não resfriado” (SILVA, 2016).
2. OBJETIVO GERAL
Avaliar a eficiência elétrica do painel fotovoltaico observando seu desempenho
com o controle da temperatura realizado através de um sistema de arrefecimento.
2.1 Objetivos Específicos
Aferir as grandezas elétricas da placa fotovoltaica para avaliação da eficiência da
geração de energia;
16
Avaliar a eficiência de geração de energia antes de implementar o sistema de
arrefecimento;
Dimensionar, em função da temperatura máxima, o volume do fluído necessário para
arrefecimento do painel;
Calcular o fluxo de calor convectivo através da película de água e estimar a potência
térmica retirada da placa fotovoltaica (energia absorvida na forma de calor por unidade
de tempo);
Avaliar a eficiência de geração de energia após implementação do sistema de
arrefecimento;
Comparar o desempenho da geração antes e após a implementação do sistema de
arrefecimento.
3. JUSTIFICATIVA
Tornar a matriz energética brasileira diversificada possibilita aumentar a
segurança do fornecimento de energia elétrica e permite a valorização das características
e potencialidades regionais. Além de diminuir os custos com transmissão e distribuição,
pois a geração distribuída se encontra próximo ao consumidor. Objetivando assim, a
diminuição da dependência por combustíveis fósseis, normalmente utilizados nas usinas
termelétricas.
Em virtude da expansão dos sistemas de geração distribuída no Brasil,
principalmente através da energia solar, a relevância do aproveitamento total da geração
de energia por painéis fotovoltaicos em regiões com grande capacidade de geração
permite maior incentivo a utilização desta fonte de energia alternativa, tornando-a mais
evidente no cenário energético brasileiro. Com isso, tem como consequência maiores
investimentos nesta fonte energética. E assim, possibilita-se que as unidades geradoras
por placas fotovoltaicas ocupem mais espaço na matriz energética brasileira.
4. FORMULAÇÃO DO PROBLEMA
A temperatura das placas fotovoltaicas é um dos parâmetros que influencia na
geração de energia elétrica. Segundo PINHO e GALDINO (2014), isto se deve ao fato de
17
que a tensão de saída da célula diminui significativamente com o aumento da temperatura,
enquanto que sua corrente sofre uma elevação muito pequena, quase desprezível.
Em consonância com os fatos supracitados, alguns questionamentos podem ser
levantados. A atuação do sistema de arrefecimento seria capaz de elevar a eficiência em
termos de geração de potência do sistema? Qual o percentual recuperado?
5. ABORDAGEM GERAL
A exploração intensa das reservas esgotáveis de combustíveis fósseis e os danos
causados ao meio ambiente apresentam um cenário preocupante para o próximo século.
Nesse contexto assume crucial importância a busca de fontes alternativas de energias
renováveis e não poluentes, visando diversificar a matriz energética que se baseia em
hidrelétrica, é necessária uma fonte energética com várias características particulares:
limpa (não poluente), não escassa, distributiva e que possa ser usada em residências,
indústrias e em estabelecimentos comercias. Uma das que possui todas essas
características é a energia elétrica fotovoltaica (NASCIMENTO, 2004).
O Brasil apresenta uma radiação solar média acima de 2500 horas/ano, por ter
como característica um clima tropical. Desta forma a energia solar fotovoltaica poderá
ser bem mais utilizada, principalmente em regiões remotas em que a rede de distribuição
não alcançou. A preservação do meio ambiente é um fator muito importante e que muitas
vezes é “ignorado” com a ampliação das linhas de transmissão e construções de usinas
hidrelétricas. Além da importante tarefa de conscientização sócio-cultural pelo uso de
uma energia limpa e a economia de energia elétrica convencional (NASCIMENTO,
2004).
Para o entendimento da geração de energia elétrica através de uma fonte
alternativa e assim compreensão da melhoria da eficiência de um módulo fotovoltaico,
deve-se compreender quais são os tipos de geração existentes, qual a eficiência máxima
de uma placa fotovoltaica já produzida. Em seguida complementar com o estudo do
arrefecimento das placas fotovoltaicas bem como a influência da temperatura nas
variáveis elétricas, sendo isto o escopo deste trabalho que nos leva a conceituar como
funciona a convecção da troca de calor entre a superfície da placa e a película d’água e as
características elétricas dos painéis fotovoltaicos.
18
5.1 Fontes de Geração de Energia Convencional e Alternativa
As formas de energia encontradas na natureza e utilizadas para gerar energia
elétrica são chamadas de fontes primárias. As fontes primárias podem ser divididas em
fontes convencionais: formas inicialmente utilizadas que permitiram o uso generalizado
da eletricidade e ainda hoje responsáveis pela maior parte da energia elétrica produzida,
e fontes alternativas: envolvem as formas de obtenção de energia elétrica que diferem
das tradicionais e, embora sejam hoje utilizadas em pequena escala, podem vir a ser
importantes no futuro (FRANCA, 2001)
As principais fontes de energia elétrica são:
Fontes Convencionais
Reação eletroquímica (baterias, pilhas)
Hídrica
Fóssil (carvão, petróleo, gás natural)
Nuclear (fissão do urânio)
Fontes Alternativas
Solar
Eólica
Biomassa
Eletroquímica (células combustíveis)
Geotérmica
Marés
Os geradores (alternadores e dínamos) são encontrados nas centrais produtoras
de energia elétrica (hidrelétricas, termoelétricas, eólicas, maremotrizes, etc.), hospitais e
certos tipos de indústrias, ou mesmo em um automóvel, moto ou bicicleta, por exemplo.
O princípio de funcionamento para geração de energia se baseia na interação
eletromagnética através do movimento relativo entre o campo magnético e um fio no
formato de espira onde irá gerar uma corrente induzida.
Outra forma de gerar energia é a partir do efeito fotovoltaico que converte
diretamente a energia luminosa em corrente elétrica, isto acontece através da interação
entre semicondutores dopados positivamente tipo p e dopados negativamente tipo n,
19
efeito que será melhor descrito a seguir por tratar do princípio de funcionamento básico
das placas fotovoltaicas, objeto de estudo deste trabalho.
5.2 O painel fotovoltaico
A energia solar fotovoltaica é obtida através da conversão direta da luz em
eletricidade. No ano de 1839, Edmond Becquerel observou que a incidência de luz em
um dos eletrodos de uma célula eletrolítica originava uma tensão e corrente elétrica,
chamando este fenômeno de efeito fotovoltaico. Posteriormente no ano de 1888, Hertz
observou que a incidência de luz ultravioleta sobre dois eletrodos provocava a ruptura do
ar com uma menor diferença de potencial (tensão) entre ambos, fez algumas experiências
e deduziu que os metais emitiam cargas negativas, isto é, elétrons, pela ação da luz
(SEGUEL, 2009).
No ano de 1873, W. Smith observou uma variação na capacidade de condução
do selênio pelo efeito da luz. A partir desse descobrimento chamado fotocondutividade,
Siemens construiu um fotômetro, que contribuiu à divulgação do novo fenômeno. Com o
selênio Fritts fez a primeira célula solar nos anos 80 daquele século, com 1% de eficiência.
O desenvolvimento da tecnologia dos semicondutores levou a novos avanços no campo
fotovoltaico e a primeira célula solar de silício monocristalino, com 6% de eficiência, foi
construída em 1954 por Chapin, Fuller e Pearson (SEGUEL, 2009).
5.2 A eficiência de placas fotovoltaica
As principais tecnologias aplicadas na produção de células e módulos
fotovoltaicos são classificadas em três gerações. A primeira geração é dividida em duas
cadeias produtivas: silício monocristalino (m-Si) e silício policristalino (p-Si), que
representam mais de 85% do mercado, por ser considerada uma tecnologia consolidada e
confiável, e por possuir a melhor eficiência comercialmente disponível.
A segunda geração, comercialmente denominada de filmes finos, é dividida em
três cadeias produtivas: silício amorfo (a-Si), disseleneto de cobre e índio (CIS) ou
disseleneto de cobre, índio e gálio (CIGS) e telureto de cádmio (CdTe). Esta geração
apresenta menor eficiência do que a primeira e tem uma modesta participação do
mercado. Existem dificuldades associadas à disponibilidade dos materiais, vida útil,
rendimento das células e, no caso do cádmio, sua toxicidade, que retardam a sua utilização
em maior escala.
20
A terceira geração, ainda em fase de Pesquisa e Desenvolvimento (P&D), testes
e produção em pequena escala, é dividida em três cadeias produtivas: células fotovoltaicas
multijunção, as que possuem maior eficiência, Figura 1, célula fotovoltaica para
concentração (CPV – Concentrated Photovoltaics), células sensibilizadas por corante
(DSSC – Dye-Sensitized Solar Cell) e células orgânicas ou poliméricas (OPV – Organic
Photovoltaics). A tecnologia CPV, por exemplo, demonstrou ter um potencial para
produção de módulos com altas eficiências, embora o seu custo ainda não seja
competitivo com as tecnologias que atualmente dominam o mercado (PINHO e
GALDINO, 2014).
Figura 1 – Eficiência das células fotovoltaicas em função do tempo do ano de fabricação.
(FONTE: PINHO e GALDINO, 2014)
Pode-se observar que as células fabricadas com multijunção possuem maior
eficiência comparada com qualquer outro tipo, entretanto ainda não é financeiramente
competitiva. As de p-Si e m-Si são as que mais evidentes no mercado. Portanto, a
eficiência depende da forma que o material é constituído. A fundição dos cristais
do Painel Solar Fotovoltaico de Silício Policristalino determina a sua eficiência, os
cristais de silício são fundidos em blocos preservando a formação dos componentes
(PINHO e GALDINO, 2014).
As vantagens do Painel Solar Fotovoltaico de Silício Policristalino são a
durabilidade podendo ser mais de 30 anos quando em boa conservação, o custo de
21
produção é mais barato e a quantidade de silício residual utilizado no processo de
fabricação é menor do que os outros sistemas fotovoltaicos. As desvantagens que
podemos observar estão na eficiência, pois a pureza do polisilício nas células é menor,
pelo fato de que a corrente elétrica terá maior dificuldade para fluir até o destino do
circuito como veremos a seguir no modelo elétrico da placa o qual se caracteriza como
perda ôhmica, como consequência a área de colocação dos painéis tenderá a ser maior,
utilizando mais placas solares, aumentando o seu custo.
5.3 Fatores críticos para a eficiência
Dentre os principais fatores críticos para o desempenho dos módulos destacam-
se: a temperatura de operação, umidade, espectro solar, irradiação, acúmulo de sujeira e
sombreamento. Alguns deles observados na Figura 2.
Figura 2: Fatores de perdas de estudo realizado pela sociedade alemã de energia solar.
(FONTE: DGS, 2013 apud RANK, 2016)
22
O desempenho real dos módulos fotovoltaicos é determinado pelas condições
ambientais, as quais podem causar efeitos que se traduzem em perda de eficiência. Estes
fatores são capazes de reduzir a eficiência de conversão em até 15% e podem levar a
degradação das células e módulos (SIMIONE, 2017).
5.3.1 Acúmulo de poeira ou sujeira
Em áreas industriais, com grande tráfego de automóveis, ou com clima seco, por
exemplo, ocorre maior acúmulo de sujeira nos painéis fotovoltaicos. O efeito do acúmulo
de sujeira é menor quando o módulo é limpo com a água da chuva. Uma angulação de
pelo menos 10° é normalmente suficiente para que isto ocorra. Quanto maior a inclinação
do módulo, mais fácil para que esta autolimpeza aconteça. Além disso, o design do painel
pode ajudar a promover um maior acúmulo de sujeira, quando este contém bordas
elevadas. Se o sistema estiver localizado em áreas com muito acúmulo de poeira, uma
limpeza regular vai aumentar significantemente o desempenho do sistema (DGS, 2013
apud RANK, 2016).
As perdas pelo acúmulo de poeira sobre os módulos podem chegar a 15% em
locais secos, onde a limpeza torna-se uma atividade indispensável. Neste caso, a
disponibilidade de água e recursos podem levar a custos adicionais para operação e
manutenção destes sistemas. Em termos médios, o acúmulo de poeira provoca perdas
médias de 4% ao ano. Já em condições ambientais favoráveis à agravação do problema o
acúmulo pode gerar perdas de até 35% num período de seis meses (SIMIONE, 2017).
Sendo este mais um dos motivos que se mostra interessante a proposta deste trabalho,
sugerindo o arrefecimento e como consequência a limpeza de painéis.
5.3.2 Sombreamento
Quando sombreada uma célula fotovoltaica conectada a outras células opera
como uma carga, devido à polarização reversa, e não mais como uma unidade geradora.
Nestes casos, forma-se um ponto quente, que pode danificar irreversivelmente as células.
Os pontos quentes provocam a formação de um circuito aberto no arranjo série paralelo
do módulo, podendo danificá-lo. Mesmo que a célula e o módulo não sejam danificados,
23
as perdas de desempenho pelo sombreamento de uma única célula de um módulo podem
chegar a 30% (SIMIONE, 2017).
Devido ao fato das células solares do módulo fotovoltaico serem ligados em
série, na ocorrência do sombreamento parcial da superfície do módulo, sua potência de
saída cairá drasticamente. Para que a corrente de um modulo não seja limitada por uma
célula de pior desempenho (no caso de estar encoberta), usa-se um diodo de passagem ou
‘bypass’, mostrado na Figura 3. Este diodo serve como um caminho alternativo para a
corrente e limita a dissipação de calor na célula encoberta (CARVALHO, 2012)
Figura 3: Diodo Bypass.
.
(FONTE: SUNFIELDS EUROPE, 2017)
5.3.3 Irradiação
A potência gerada por um módulo depende diretamente da irradiação incidente,
em uma relação linear diretamente proporcional. Com o aumento da irradiação incidente
um número maior de fótons é absorvido produzindo mais corrente, o que eleva a potência
produzida. Por outro lado, a elevação de corrente e maior excitação de elétrons pode
provocar aumento de temperatura de operação, o que se traduz em diminuição da
eficiência de conversão (SIMIONE, 2017).
Como mostra na Figura 4, a corrente pelo módulo aumenta linearmente com o
aumento da irradiância. O sol possui movimento aparente no céu de acordo com a hora
24
do dia e com o dia do ano. Para receber maior intensidade luminosa é necessário
acompanhamento destes movimentos. Entretanto, os módulos, normalmente, são
instalados em posição fixa, devido ao elevado custo dos equipamentos que permitem sua
movimentação (seguidores ou trackers). Dessa forma, é fundamental determinar a melhor
inclinação para cada região em função da latitude do sítio de instalação do painel
(CARVALHO, 2012).
Figura 4: Influência da irradiância do sol no painel fotovoltaico.
(FONTE: SILVA, 2016).
5.3.4 Umidade
A umidade pode levar a perdas de eficiência à medida que reduz a absorção
devido à reflexão, refração ou difração dos raios luminosos quando estes atingem as
gotículas de água. A presença de umidade no interior do módulo pode causar fuga de
corrente elétrica devido à redução da resistência elétrica entre materiais. Além disso, a
umidade pode: facilitar o acumulo de sujeira sobre a superfície dos módulos; provocar
corrosão e degradação dos condutores e componentes metálicos; danificar o material
25
encapsulante; e reduzir a adesão entre pontos de ligação. Estes efeitos em conjunto podem
se traduzir em perdas significativas de desempenho e durabilidade dos módulos, quando
submetidos a estas condições por longos períodos de tempo (SIMIONE, 2017).
5.4 Transferência de Calor por Convecção
Estamos especialmente interessados na transferência de calor por convecção,
que ocorre com o contato entre um fluido em movimento e uma superfície, estando os
dois a diferentes temperaturas (INCROPERA, 2008). A transferência de calor por
convecção pode ser classificada de acordo com a natureza do escoamento do fluido.
A Equação (1) mostra a taxa de transferência de calor por convecção
independente da natureza específica do processo.
𝑞𝑛 = ℎ(𝑇𝑠 − 𝑇∞) (1)
Sendo qn o fluxo de calor por convecção (W/m²), Ts a temperatura da superfície
e T∞ a temperatura do fluido. Essa expressão é conhecida como a lei do resfriamento de
Newton e o parâmetro h (W/(m².K)) é chamado de coeficiente de transferência de calor
por convecção.
O resfriamento forçado será obtido por convecção entre o fluído (a água) e a
superfície da placa com o escoamento causado pela gravidade considerando que as placas
fotovoltaicas possuem uma inclinação de aproximadamente 15° nas suas estruturas de
instalação. O processo para reabastecer o reservatório superior será realizado através de
uma bomba d’água.
5.5 O princípio de funcionamento do painel fotovoltaico
O painel fotovoltaico é formado por células fotovoltaicas de silício, elemento
básico para a transformação da radiação eletromagnética em energia elétrica e pode ser
compreendida como um dispositivo semicondutor que produz uma corrente elétrica
quando exposta à luz (SEGUEL, 2009). Este fenômeno físico-químico é chamado de
efeito fotovoltaico que ocorre em materiais semicondutores, sendo o mais utilizado para
compor células fotovoltaicas é o silício (Si), onde cada átomo seu possui quatro elétrons
em sua banda de valência (MATTOS, 2016).
O princípio de funcionamento das células fotovoltaicas depende do
entendimento dos materiais semicondutores dopados, pois são caracterizados pela
26
condução de energia quando expostos à radiação, diferentemente dos materiais não-
dopados que possuem um ótimo papel como isolantes elétricos. Segundo Seguel (2009)
um semicondutor a zero Kelvin possui uma banda preenchida por elétrons, chamada de
banda de valência e uma segunda banda de nível mais alto que está despopulada, chamada
a banda de condução. Entre essas duas bandas existe uma banda, que os elétrons não
podem ocupar, chamada de banda proibida (gap). Para que o elétron passe da banda de
valência para a de condução, uma quantidade mínima de energia é necessária, sendo uma
constante característica para cada material.
Uma propriedade fundamental para as células fotovoltaicas é a possibilidade de
fótons, na faixa do visível, com energia suficiente, excitar os elétrons à banda de
condução. Esse efeito, que pode ser observado em semicondutores puros, também
chamados de intrínsecos, não garante por si só o funcionamento de células fotovoltaicas.
Para obtê-las é necessária uma estrutura apropriada, em que os elétrons excitados possam
ser coletados, gerando uma corrente útil. Os elementos pertencentes a família 4A da tabela
periódica, como o silício e o germânio, possuem como principal característica a presença
de quatro elétrons de valência que se ligam aos vizinhos em ligações covalentes,
formando uma rede cristalina. Ao adicionar átomos pentavalentes haverá um elétron em
excesso para formar as ligações covalentes, ficando fracamente ligado a seu átomo de
origem. Nesse caso, necessita-se de somente uma pequena quantidade de energia para
liberar este elétron para a banda de condução, algo em torno de 0,02eV (SEGUEL, 2009).
Os semicondutores dopados são aqueles que recebem em sua estrutura outros
elementos químicos. Uma estrutura dopada pode ser dividida, ainda, nos tipos n ou p.
Quando o elemento químico dopante for da família 3A da tabela periódica, diz-se que o
dopante é do tipo p - receptores de elétrons e quando for da família 5A dopante tipo n -
doadores de elétrons (MATTOS, 2016).
A dopagem desses semicondutores normalmente é feita com dois elementos, um
que possua a característica do tipo p e outro do tipo n. Por exemplo, dopagem com fósforo
(P) família 5A e boro (B) família 3A. Dessa forma o fósforo com excesso de elétrons e o
boro com excesso de lacunas faz com que seja necessária pouca energia para que haja a
movimentação dos elétrons do fósforo para o boro, mostrado na Figura 5.
27
Figura 5- Cristal de silício dopado: tipo n e p.
(FONTE: MATTOS, 2016)
Se um condutor conecta ambas faces da célula, quando a mesma é iluminada,
circulará uma corrente, cuja intensidade é proporcional à irradiância que incide sobre a
célula, conhecida como corrente de curto circuito. A Figura 6 mostra a estrutura básica
desse tipo de célula (SEGUEL, 2009).
Figura 6 - Célula fotovoltaica de silício cristalino.
(FONTE: SEGUEL, 2009)
Quando a região da união é iluminada os fótons com energia igual ou maior ao
band-gap do material semicondutor utilizado podem ser absorvidos e produzirem elétrons
livres. Ou seja, que os fótons arrancam elétrons das ligações covalentes, formando pares
elétrons-lacunas que serão acelerados por efeito do campo elétrico em sentidos opostos.
Este fenômeno é em essência, o efeito fotovoltaico. A consequência desta “separação de
28
carga” é a formação de uma diferença de potencial entre as superfícies opostas da célula.
Esta tensão é chamada tensão de circuito aberto (SEGUEL, 2009).
A separação de portadores de carga pela junção pn dá origem ao efeito
fotovoltaico, que é a conversão de energia luminosa em energia elétrica associada a uma
corrente elétrica e uma diferença de potencial. Este efeito na verdade ocorre com qualquer
diodo semicondutor que for exposto a radiação, portanto, as células fotovoltaicas podem
ser entendidas essencialmente como diodos de grande área otimizada para
aproveitamento do efeito fotovoltaico (PINHO e GALDINO, 2014).
5.6 O modelo elétrico equivalente
A corrente em célula fotovoltaica pode ser considerada como a soma de corrente
de uma junção pn no escuro (diodo semicondutor) com a corrente gerada pelos fótons
absorvidos da radiação solar (PINHO e GALDINHO, 2014). Podendo ser descrita a partir
da equação de Schockley de diodo, Equação 2:
𝐼 = 𝐼𝐿 − 𝐼0 [(𝑒𝑞𝑉
𝑛𝑘𝑇) − 1] (2)
Onde:
IL – Corrente fotogerada (A);
I0 – Corrente de Saturação reversa do diodo (A);
n – Fator de idealidade do diodo, número adimensional geralmente entre 1 e 2,
obtido por ajuste de dados experimentais medidos;
q – Carga do elétron (1,6x10-19C);
k – Constante de Boltzman (1,38x10-23j/K);
T – Temperatura absoluta.
Podemos observar a partida da Equação 2 que se IL for zero a célula fotovoltaica se
comportará como um diodo.
Figura 7 – Circuito equivalente com um diodo para célula fotovoltaica.
(FONTE: PINHO e GALDINHO, 2014)
29
Os componentes descritos na Figura 7 que descrevem os seguintes fenômenos,
segundo Silva (2016):
Rs – Descreve as perdas ôhmicas do material semicondutor, nas conexões em
geral;
Rp – Descreve as perdas que surgem principalmente através das perturbações
elétricas causadas pelas impurezas e defeitos da estrutura cristalina;
IL – representa a corrente a uma determina isolação;
D – a junção P-N;
V – A tensão de saída nos terminais da célula.
Como observado no circuito equivalente existe uma resistência em série - RS
devido a junção metal-semicondutor, malhas metálicas, regiões dopadas, etc e uma
resistência em paralelo RP proveniente de ponto de curto-circuito na junção pn.
𝐼 = 𝐼𝐿 − 𝐼0 [𝑒𝑞(𝑉+𝐼𝑅𝑆)
𝑛𝑘𝑇 − 1] −𝑉 − 𝐼𝑅𝑆
𝑅𝑃 (3)
Ao termo exponencial acrescentou a queda de tensão no resistor em série e a
fórmula inicial foi diminuído a corrente relativa a resistência em paralelo. Para o modelo
elétrico, estes termos podem ser considerados as perdas elétricas da placa fotovoltaica.
Uma única célula fotovoltaica, isoladamente, tem capacidade reduzida de
produção de energia elétrica, tipicamente entre 1 e 2W, correspondente a uma tensão de
0,5V e uma corrente entre 2 e 4A. Portanto, para atingir determinados níveis de tensão e
corrente, faz-se necessária a associação de várias células, através de ligações série e
paralelo, formando os painéis fotovoltaicos (SEGUEL, 2009).
A Equação 3, segundo Gow e Manning (1999) apud Seguel (2009) irá sofrer as
modificações apresentadas na Equação 4 a depender da quantidade de células conectadas
em paralelo e em série:
𝐼 = 𝑛𝑃 {𝐼𝐿 − 𝐼0 [𝑒
𝑞(𝑉
𝑛𝑆+
𝐼𝑅𝑆𝑛𝑃
)
𝑛𝑘𝑇 − 1] −
𝑉𝑛𝑆
−𝐼𝑅𝑆
𝑛𝑃
𝑅𝑃} (4)
Onde:
nP – Número de células conectadas em paralelo; ns – Número de células conectadas em
série.
30
5.6.1 Parâmetros elétricos
A partir da a Figura 8 que apresenta a curva I-V com os principais parâmetros
elétricos que caracterizam os módulos fotovoltaicos: tensão de circuito aberto, corrente
de curto-circuito, fator de forma e eficiência (PINHO e GALDINHO, 2014).
- Tensão de circuito aberto (Voc): é a tensão entre os terminais de uma célula
fotovoltaica quando não há corrente elétrica circulando e é a máxima tensão que uma
célula fotovoltaica pode produzir.
- Corrente de curto-circuito (Isc): é a máxima corrente que se pode obter e é
medida na célula fotovoltaica quando a tensão elétrica em seus terminais é igual a zero.
Figura 8 - Principais parâmetros elétricos em destaque, ISC é a corrente elétrica em curto
circuito; VOC é a tensão de circuito aberto e PMP a potência máxima (VMP, IMP).
(FONTE: PINHO e GALDINO, 2014)
- Fator de forma (FF): é a razão entre a máxima potência da célula e o produto
da corrente de curto circuito com a tensão de circuito aberto (Equação 5).
𝐹𝐹 = 𝑉𝑀𝑃𝐼𝑀𝑃
𝑉𝑜𝑐𝐼𝑠𝑐 (5)
- Eficiência (𝜂): é o parâmetro que define quão efetivo é o processo de conversão
de energia solar em energia elétrica. Representa a relação entre a potência elétrica
produzida pela célula fotovoltaica e a potência da energia solar incidente e pode ser
definida como (Equação 6):
31
𝜂 =𝐼𝑠𝑐𝑉𝑜𝑐𝐹𝐹
𝐴𝐺× 100% (6)
Onde,
A (m²) é a área da célula;
G (W/m²) é a irradiância solar incidente.
5.6.2 Os parâmetros que influenciam
Existem dois parâmetros externos que afetam as características elétricas dos
painéis fotovoltaicos: a irradiância solar e a temperatura. A irradiância solar é uma
característica intrínseca a região de instalação dos módulos solares. O aumento da
irradiância incidente e/ou da temperatura ambiente produz um aumento da temperatura
da célula, e consequentemente tende a reduzir a sua eficiência (PINHO e GALDINO, 2014).
Facilmente observado na Figura 9.
Figura 9 – Relação entre a tensão e a corrente em função da temperatura nas placas.
(FONTE: PINHO e GALDINO, 2014).
Um modo de se analisar alguns dos fatores de perdas da instalação é observando
a curva característica I-V do sistema, como mostra na Figura 10. Esta curva mostra os
valores da corrente de saída de um conversor fotovoltaico, em função da sua tensão de
saída, em condições preestabelecidas de temperatura e irradiância total. O Ponto de
Potência Máxima (PMP) ou também denominado como MPP (Maximum Power Point) é
o ponto da curva na qual o produto da corrente pela tensão é máximo (URBANETZ, 2014
apud RANK, 2016).
32
Figura 10: Anomalias da curva I-V de um painel fotovoltaico.
(FONTE: PINHO e GALDINO, 2014 apud RANK, 2016).
A corrente gerada pelo módulo fotovoltaico apresenta poucas variações com a
alteração da temperatura da célula fotovoltaica, porém, com o aumento da temperatura da
célula, a tensão de circuito aberto do módulo fotovoltaico apresenta uma diminuição em
seus valores muito mais significativa, em consequência com o aumento da temperatura,
além de ocorrer um deslocamento para baixo do ponto de máxima potência, este também
é deslocado significativamente à esquerda, observado na Figura 11 (SEGUEL, 2009).
Figura 11 - Curva P-V para diferentes temperaturas.
(FONTE: SEGUEL, 2009)
33
O aumento da temperatura faz com que a banda de energia do material
semicondutor diminua, resultando em um acréscimo da fotocorrente gerada, de
aproximadamente 0,1%. Entretanto, a tensão de circuito aberto, decresce a uma taxa de
0,3%/°C (SEGUEL, 2009).
6. MATERIAIS E MÉTODOS
6.1 Localização e inclinação
As medições foram realizadas no prédio anexo do sal torrado do IFBA, campus
de Paulo Afonso. Sua localização, observada na Figura 12, possui latitude de -9.38170334
e longitude de -38.22547495 e elevação de 254m, segundo dados do GOOGLE MAPS.
Figura 12 – Localização da realização das medições.
(FONTE: Google maps, 2017)
Os valores da temperatura e irradiância ao longo do ano para qualquer sítio no
Brasil são fornecidos pelo CRESESB – Centro de Referência para as Energias Solar e
Eólica Sérgio de Salvo Brito (CRESESB, 2012) do Centro de Pesquisas de Energia
Elétrica – CEPEL, que disponibiliza o programa Sundata. A partir deste banco de dados
do site CRESESB com a entrada das informações de latitude e longitude, pode-se
determinar a angulação adequada para posicionamento da placa observando a Tabela 1,
34
considerando qual a maior média anual de irradiância incidente na cidade de Paulo
Afonso mostrada na Figura 13.
Tabela 1: Valores de irradiação média mensal para a localização de realização das
medições.
(FONTE: CRESESB, 2017)
Figura 13: Gráfico da irradiância incidente na cidade de Paulo Afonso.
(FONTE: CRESESB, 2017)
Ângulo
Inclinação
Irradiação solar diária média mensal
(kW/m².dia)
Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul
Plano Horizontal 0°N 5,78 5,67 5,69 5,03 4,36 4,06 4,31
Ângulo igual a
latitude
9°N 5,49 5,51 5,70 5,21 4,64 4,38 4,63
Maior média anual 6°N 5,60 5,57 5,71 5,16 4,56 4,28 4,53
Maior mínimo
mensal
25°N 4,77 5,01 5,46 5,29 4,93 4,76 4,99
Ângulo
Inclinação
Irradiação solar diária média mensal
(kW/m².dia)
Ago Set Out Nov Dez Média Delta
Plano Horizontal 0°N 5,25 5,44 6,36 6,50 6,17 5,39 2,44
Ângulo igual a
latitude
9°N 5,52 5,52 6,23 6,19 5,81 5,40 1,85
Maior média anual 6°N 5,44 5,50 6,29 6,30 5,94 5,41 2,02
Maior mínimo
mensal
25°N 5,75 5,41 5,73 5,39 4,96 5,20 0,99
35
6.2 Placa e parâmetro do fabricante
A placa utilizada é do PHOTOWATT PW500 – 12V. O módulo usa tecnologia
policristalina. A eficiência desse tipo de placa não é a melhor dentre as placas fotovoltaica
já fabricadas em contrapartida a durabilidade do módulo é extensa chegando a 30 anos
quando bem conservados. Os valores típicos de funcionamento da placa em questão estão
dispostos na Tabela 2.
Tabela 2 – Tabela de valores típicos da placa utilizada.
Típica potência W 45 50 55
Mínima potência W 40,1 45,1 50,1
Tensão de típica potência V 17 17,2 17,3
Corrente de típica potência A 2,65 2,9 3,2
Corrente de curto circuito A 2,9 3,2 3,45
Tensão de circuito aberto V 21,4 21,6 21,7
Máxima tensão do sistema V
Coeficientes de temperatura
PW50
600 DC
α = +1,46mA/°C; β = -79mV/°C; γ P/P = -0,43% /°C
Especificações de potência para 1000W/m² : 25°C : AM 1,5
12V configuração
(FONTE: PHOTOWATT TECHNOLOGIES, 2017)
Segundo Silva (2016), a corrente de curto circuito da placa fotovoltaica, para
uma dada temperatura, é relacionada pela Equação 7.
𝐼𝑠𝑐(𝑇) = (𝐼𝑠𝑐 + 𝛼. ∆𝑇).𝑆
1000 (7)
Onde:
𝛼: Coeficiente de temperatura da corrente de curto-circuito;
S: Radiação incidente em W/m²;
Isc: Corrente de curto-circuito da célula na Standard Test Conditions (STC),
irradiação igual a 1000 W/m², temperatura do módulo em 25°C e massa absoluta
de ar equivalente a 1,5;
∆𝑇: Temperatura de operação
36
MEDIDAS DAS VARIÁVEIS ELÉTRICAS
A aferição das grandezas elétricas foi realizada com o uso de dois multímetros,
um de marca Hikari – modelo HM-1100 para aferir os valores de tensão de circuito aberto
(Voc) e outro de marca MXT – modelo DT83B para aferir os valores de corrente de curto-
circuito (Isc), tais variáveis elétricas sem carga, aferido nos terminais de saída da placa
fotovoltaica. Estes mesmos equipamentos foram utilizados para constatar os valores de
tensão e corrente na carga.
Com o termômetro digital infravermelho com mira à laser Minipa – modelo MT-
350, aferiu-se a temperatura da água utilizada para arrefecer a placa (antes e depois de
iniciar o ciclo de arrefecimento), a temperatura da placa (sendo este realizado em 3 pontos
e resultando na média) e a temperatura do chão (para comparação). Estes valores indicará
a quantidade de calor absorvida pela água, assim possibilitando quantificar
aproximadamente a troca de calor da superfície da placa com a água.
As medições de temperatura foram realizadas em intervalos de tempo uniformes,
permitindo que o tempo de contato entre a água e a superfície seja o mesmo. Para avaliar
a eficiência utilizaremos a Equação 6, considerando o valor obtido da irradiância solar
sobre a célula segundo a Tabela 1 do CRESESB tendo com média mensal de 5,41
kW/m².dia e para calcularmos o Fator de Forma (FF), iremos realizar a medição da
máxima potência de saída utilizando uma resistência de 25Ω como carga.
Utilizou-se uma bomba de aquário do tipo Submersible Pump, modelo SP-500
de marca JAD com potência de 6W que consegue elevar a água até no máximo 60cm de
altura para transportar a água do reservatório retangular plástico de dimensões
9x33x54cm. E uma mangueia de 150cm acoplada a um cano de policloreto de vinila
(PVC) de 60cm com furos de 2mm espaçados simetricamente para despejar a água sobre
a superfície da placa (Figura 14), este líquido será distribuído uniformemente sobre a
superfície da mesma formando uma película d’água. A quantidade de fluído foi
considerado em função do nível solicitado pela bomba que precisa estar completamente
submersa.
Foram realizadas medições de temperatura durante a operação da placa
fotovoltaica com a finalidade de comparar os dados quando a placa estiver gerando
energia sem controle de temperatura e com o controle. O valor da temperatura medida
será interligada a valores das variáveis elétricas no mesmo momento de medição para
37
constatar a variação da potência de saída em função da temperatura da placa. O protótipo
foi construído a partir de materiais de fontes recicláveis e reutilizados.
Figura 14 - Sistema de resfriamento por película d'água protótipo montado no
SketchUp Pro 2017.
(FONTE: Autoria própria, 2017)
As temperaturas de operação da placa serão aferidas com o auxílio de um
termômetro digital infravermelho com mira à laser marca Minipa, modelo Mt 320. E com
estes dados, poderemos estimar a quantidade de calor que foi retirado da placa. Por fim,
faremos as análises dos dados colhidos. Realizando o comparativo entre valores medidos
em condições similares de operação. Com isto, pretende-se incorporar a pesquisa
realizada por Silva (2016), um sistema de controle de temperatura a partir do
arrefecimento da placa por película d’água, assim melhorando a eficiência da geração de
energia elétrica para regiões com temperaturas elevadas.
7 RESULTADOS
7.1 Arranjo Experimental
A partir dos dados mostrados na Tabela 1 e na Figura 13 apresentados na Seção
6.1, optou-se pela inclinação de 6° a Norte posição que encontra maior média anual de
irradiação como no protótipo mostrado na Figura 15.
38
Figura 15: Inclinação da placa utilizado para realizar as medições.
(FONTE: Autoria própria, 2017)
Para realização das medições foi montado um arranjo experimental que arrefece
a placa com água elevada de um reservatório inferior. Este reservatório também é
responsável por captar a água que foi despejada sobre a placa e fechar um sistema de
reciclo.
Figura 16: O arranjo experimental montado em funcionamento.
(FONTE: Autoria própria, 2017)
39
Observa-se na Figura 16 que basicamente a bomba tem como função impulsionar
a água para a borda superior da placa, despejando uniformemente sobre a mesma, e a
inclinação de 6° da placa observado na Figura 17, é suficiente para direcionar a água para
o mesmo reservatório.
Figura 17: Inclinação da placa para as medições.
(FONTE: Autoria própria, 2017)
7.2 Análises dos resultados
O arrefecimento da placa foi realizado pela película d’água despejada sobre a
mesma por circulação forçada com auxílio de uma bomba. O fluxo de calor por convecção
para as variações das temperaturas apresentada na Tabela 4, tem como resultado os
valores da Tabela 3.
Tabela 3: Resultados do cálculo para fluxo de calor por convecção.
𝒒𝒏 (W/m²) (𝑻𝒔 − 𝑻∞) Tplaca (°C)
450 4,5 10
100 1 20
700 7 30
100 1 40
-1500 -15 50
(FONTE: Autoria própria, 2017)
40
O coeficiente de transferência de calor por convecção (h) utilizado será de 100,
tendo em vista que este valor pode variar de 100 para 2000 para líquidos segundo dados
da Escola Politécnica da universidade de São Paulo. Pode-se observar que quanto maior
a diferença de temperatura maior o fluxo de calor por convecção (𝒒𝒏), pois as
temperaturas dos corpos tendem ao equilíbrio, isto implica que quando a temperatura da
água for menor que a da placa, a transferência de calor é grande para a água ou quando a
temperatura da água for maior, exemplo da temperatura da placa de 50°C, então a placa
que ganha calor. Foi necessário submeter a placa a valor de temperatura da água elevados
para obter valores de temperatura superficial da placa diferentes.
Utilizando o valor 𝛼 igual a +0,00146A/°C e o valor de Isc de 3,45 ambos
mostrados na Tabela 2, a radiação incidente média anual 5410 W/m².dia mostrado na
Tabela 1, dividido por 12h para obtermos a radiação média de 450,83 W/m² e utilizando
diferentes temperaturas 40°, 30°C e 20°C , os resultados Tabela 4.
Tabela 4: Valores de corrente de circuito aberto calculado com a irradiância média
obtido no banco de dados da CRESESB e parâmetros típicos da placa.
T (°C) Isc (A)
40 1,5817
30 1,5751
20 1,5685
(FONTE: Autoria própria, 2017)
Pode-se observar que como exposto pela literatura a variação de corrente é
mínima mesmo que a variação da temperatura superficial da placa seja grande de 10°C a
20°C. Isto foi constatado nas medições, pode-se comparar os valores de corrente medidos
Tabela 5 com os valores calculados, obtemos uma boa aproximação. Entretanto, os
valores de correntes sofrem grande interferência da irradiância ou da passagem de nuvens
no céu, mesmo com estas interferências os valores ficaram dentro de um limite
considerável com uma variação menor que 1%/°C.
41
Tabela 5: Resultados obtidos nas medições realizadas.
*T = 40°C é a temperatura de referência.
(FONTE: autoria própria, 2017)
A Figura 18 exibe uma reta de Voc em função da temperatura média da placa.
Observa-se a equação do modelo empírico da reta de tensão desta placa utilizada no
arranjo experimental. Os valores das temperaturas de 40° e 50° são os que apresentam
maior diferença com a reta, caracterizado por gerar maiores perturbações causado pelo
aumento da temperatura.
Figura 18: Variação da tensão (Voc) com a temperatura por regressão linear.
(FONTE: Autoria própria, 2017)
A Figura 19 nos mostra o gráfico de resíduos, estes dados são responsáveis para
expressar se os valores obtidos no arranjo experimental se encaixam com o modelo obtido
Gráfico de Tensão em Função da Temperatura
VOC (V) = 21,468-0,0584*x; 0,95 Conf.Int.
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55
Tplaca (°C)
18,4
18,6
18,8
19,0
19,2
19,4
19,6
19,8
20,0
20,2
20,4
20,6
20,8
21,0
VO
C (
V)
Tplaca (°C):VOC (V): r2 = 0,9845; r = -0,9922; p = 0,0008; y = 21,468 - 0,0584*x
Voc
(V) Isc
(A) Tplaca
(°C) Tchão
(°C) Tágua
(°C) Vcarga
(V) Icarga
(A) Pcarga
(W)
20,9 1,64 10 52,5 5,5 18,90 0,78 14,742
20,3 1,71 20 56 19 18,43 0,75 13,823
19,78 1,77 30 55 23 18,18 0,77 13,999
18,94 1,79 40* 50 39 17,14 0,71 12,169
18,66 2,01 50 56,6 65 16,14 0,71 11,459
42
empiricamente. Pode-se notar que quanto maior a temperatura maiores as diferenças dos
resíduos. Nota-se também que estes valores oscilam positivamente e negativamente,
garantido maior confiabilidade ao sistema, pois estatisticamente quando os resíduos estão
distribuídos de forma aleatória em torno da origem indica a condição na qual o modelo
melhor se ajuda aos dados experimentais obtidos. Observa-se que o valor de 20°C é o de
melhor resultado.
Figura 19: Gráfico de resíduos para o gráfico de tensão em função da
temperatura.
(FONTE: Autoria própria, 2017)
O gráfico mostrado na Figura 20 indica o aumento da corrente com o aumento
da temperatura de acordo com a literatura. Note-se o valor de corrente para a temperatura
de 40°C bem fora da reta. Isto tem como resultado a influência da irradiância, quando
esta diminui sua incidência por algum processo impeditivo, a corrente diminui
drasticamente. Nos testes os esforços foram máximos para que estas influências não
atingissem os resultados. O gráfico da Figura 21 possui uma distribuição normal no qual
os resíduos estão ordenados de forma crescente.
Gráfico dos Resíduos
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55
Tplaca (°C)
-0,2
-0,1
0,0
0,1
0,2
Resíd
uo (
V)
43
Figura 20: Variação da corrente (Isc) com a temperatura por regressão linear.
(FONTE: Autoria própria, 2017)
Figura 21: Gráfico de resíduos para o gráfico de corrente em função da temperatura.
(FONTE: Autoria própria)
Gráfico da Corrente em Função da Temperatura
ISC (A) = 1,538+0,0082*x; 0,95 Conf.Int.
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55
Tplaca (°C)
1,60
1,65
1,70
1,75
1,80
1,85
1,90
1,95
2,00
2,05
I SC (
A)
Tplaca (°C):ISC (A): r2 = 0,8674; r = 0,9313; p = 0,0214; y = 1,538 + 0,0082*x
Gráfico dos Resíduos
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55
Tplaca (°C)
-1,0
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Resíd
uo (
A)
44
Uma vez que o processo apresenta condições de regime estacionário e não existe
transferência de calor pela superfície inferior da placa, a placa deve ser isotérmica (Ts =
T). O balanço energético do processo é resumido a energia de entrada menos energia de
saída, considerando que não há energia acumulada.
𝐸𝑒𝑛𝑡 − 𝐸𝑠𝑎𝑖
= 0
Com a entrada de energia devido à absorção da irradiação do sol pela superfície
da placa e a saída de energia devido à convecção forçada pelo líquido, segue-se:
(𝛼𝐺)𝑠𝑜𝑙 − 𝑞𝑛𝑐𝑜𝑛𝑣
− 𝑞𝑛𝑟𝑎𝑑
= 0
Substituindo (𝑞𝑛𝑐𝑜𝑛𝑣
) pela Equação 1 e (𝑞𝑛𝑟𝑎𝑑
) por 𝑞𝑛𝑟𝑎𝑑
= 𝜀𝜎(𝑇4 − 𝑇𝑣𝑖𝑧4 ), temos a
Equação como resultado:
(𝛼𝐺)𝑠𝑜𝑙 − ℎ(𝑇𝑠 − 𝑇∞) − 𝜀𝜎(𝑇𝑠4 − 𝑇𝑣𝑖𝑧
4 ) = 0 (8)
Substituindo-os pelos valores numéricos de α = 0,8; ε = 0,5; σ = 5,67 x 10^-8
W/(m².K^4); Ts a temperatura da superfície Tabela 5; Tviz a temperatura da vizinhança de
40°; T∞ a temperatura do fluido Tabela 5.
Tabela 6: Resultado do cálculo do balanço energético para irradiação do sol (G).
G(w/m²) (𝑻𝒔 − 𝑻∞)(°C) Tplaca (°C) 𝒒𝒏𝒓𝒂𝒅
-1874,87 -15,0000 50,0000 -0,1046
125,09 1,0000 40,0000 0,0000
874,94 7,0000 30,0000 +0,0496
125,09 1,0000 20,0000 +0,0680
562,59 4,5000 10,0000 0,0723
(FONTE: Autoria própria, 2017)
A variação de temperatura superficial da placa versus a temperatura da água é
determinante para calcular o valor da irradiância mostrado na Tabela 6, considerando o
balanço energético. Nota-se, por exemplo, a irradiância de -1874,87W/m², isto se explica
pois foi jogada sobre a placa uma temperatura muito superior, este distúrbio influência
no resultado. Também pode-se perceber que a radiação do solo (𝑞𝑛𝑟𝑎𝑑
) possui uma
contribuição bem pequena, podendo ser considerada irrelevante ou de pouco impacto nos
resultados.
45
Figura 22: Ganho de potência do sistema por temperatura.
(FONTE: Autoria própria, 2017)
O aumento da potência com a mudança da temperatura se mostra muito mais na
tensão na carga que aumenta proporcionando um ganho de potência de 28,65%, Figura
22. A corrente neste caso também há aumento, isto não condiz com a literatura. Dar-se
ao fato da carga utilizada ser um resistor de 25Ω, não sendo o valor da resistência de
Thèvenin para que ocorra a máxima transferência de potência do dispositivo. Mas a
análise do ganho de potência é notável mesmo nestas condições.
Com os valores adquiridos nos testes, pode-se observar que a tensão de circuito
aberto (Voc) da placa aumenta quando a temperatura é controlada, com o valor de 18,66V
com a temperatura de 50°C para 20,9V a uma temperatura de 10°C, sendo um acréscimo
de tensão de 5,6%/°C. A análise da eficiência da placa é realizada pelo Fator de Forma
(FF). O FF é a grandeza que expressa o quanto a curva característica do painel se
aproxima de um retângulo no diagrama I-V. Iremos realizar o cálculo do FF para os
valores referentes a temperatura de 50°C (pior caso) e para 10°C (melhor caso), utilizando
a Equação 5 temos:
𝐹𝐹 = 18,90 × 0,78
20,9 × 1,64=
14,742
34,276= 0,43
𝑓𝑎𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑎 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 10°𝐶
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
T = 10°C T = 20°C T = 30°C T = 40°C T = 50°C
18,9 18,43 18,1817,14
16,14
0,78 0,75 0,77 0,71 0,71
14,74213,823 13,999
12,16911,459
POTÊNCIA
Vcarga Icarga Potência
46
Figura 23: Curva de potência I x V para Tplaca de 10°C.
(FONTE: Autoria própria, 2017)
𝐹𝐹 = 16,14 × 0,71
18,66 × 2,01=
11,459
37,506= 0,31
𝑓𝑎𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑎 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 50°𝐶
Figura 24: Curva de potência I x V para Tplaca de 50°C.
(FONTE: Autoria própria, 2017)
0; 1,64
18,9; 0,78
20,9; 00
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
0 5 10 15 20 25
T=10°C
T=10°C
0; 2,01
16,14; 0,71
18,66; 00
0,5
1
1,5
2
2,5
0 5 10 15 20
T=50°C
T=50°C
47
O fator de forma considerado bom é aquele que se aproxima de 1, isto significa
que a curva se aproxima do retângulo formado pelas componentes de Voc e Isc. As
Figuras 20 e 21 mostram a curva de potência para temperaturas distintas. Pode-se notar
que a curva relativa a temperatura de 10°C se aproxima melhor que o de 50°C. Entretanto,
estes valores costumam se aproximar ainda mais com valores entre 0,6, deve-se ao fato
da carga não ser a de máxima potência, mesmo nesta condição o aumento do FF é
expressivo.
A Figura 25 expressa a curva de potência para pontos de máxima potência em
função das temperaturas. E resulta em um aumento de potência quando controlado a
temperatura como esperado.
Figura 25: Resultado do ponto de máxima potência (PMP) em função das temperaturas.
(FONTE: Autoria própria, 2017)
Iremos considerar a potência máxima para o cálculo da eficiência da placa,
Equação 9. A média da irradiação de 450,83 W/m², a área de 0,46m² e 𝑃𝑚á𝑥 = 14,742 W
como observado na Tabela 5. Obtemos que a placa possui uma eficiência de 7,11%, um
pouco abaixo dos valores sugeridos pela literatura.
𝜂 =𝑃𝑀𝑃
𝐴 × 𝐺× 100% (9)
Mas se calcularmos o valor da eficiência para uma irradiância de 1000W/m²,
máximo possível naturalmente e sabendo que a placa em questão consegue gerar até 55W
0
0,5
1
1,5
2
2,5
0 5 10 15 20 25
Corrente x Tensão
T=10°C
T=20°C
T=30°C
T=40°C
T=50°C
48
de potência segundo dados do fabricante, Tabela 2, encontra-se a eficiência de 11,96%.
Valor mais aceitável dentro dos limites da literatura. E isto também mostra porque a
eficiência calculada anteriormente foi pequena, pois a eficiência da própria placa é baixa.
Este valor de eficiência se dá pelo fato de quanto mais próximo do limite máximo
de geração maior as perdas por condução e temperatura, pelo fato que no circuito da placa
terá mais corrente circulando, aumentando a resistência com resíduos químicos não
retirados no processo de produção.
Caracterizados pelas perdas elétricas causada pelos resistores denominados Rs e
Rp, onde a resistência em série (Rs) descreve as perdas ôhmicas do material semicondutor
e nas conexões em geral e a resistência em paralelo (Rp) descreve as perdas que surgem
principalmente através das perturbações elétricas causadas pelas impurezas e defeitos da
estrutura cristalina.
8 CONCLUSÃO
O estudo do controle de temperatura para microgerações proveniente do efeito
fotovoltaica é bastante atrativo devido ao cenário atual nacional que vem incentivando a
diversificação da matriz energética. Os resultados obtidos mostram que a perda de
potência causada pelo efeito da temperatura nas placas não pode ser ignorada, uma vez
que o controle da temperatura mostrou resultado do ganho de potência de 28,65%.
Apesar das limitações encontradas para obtenção de uma carga que efetivasse a
máxima transferência de potência da placa, tornando necessário realizar as análises de
forma simplificada, o resultado encontrado do ganho de potência ainda é expressivo para
se concluir a importância do controle da temperatura em sistemas que geram energia
elétrica a partir da luminosidade do sol.
Além disso, a análise estatística sobre os valores de tensão de circuito aberto,
variável que mais sofre com a influência térmica, confirma através dos resíduos que os
dados obtidos se encontram na condição em que o modelo se caracteriza como ajustado.
Confirmando que o controle térmico interfere de fato nas variáveis elétricas de tensão e
consequentemente de potência.
49
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