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Estudo Sobre o Uso de Painis Fotovoltaicos no Nissan Leaf e a
sua Relao Energtica e Econmica
Roberto Kasten, Luiz Fernando Copetti, Msc.,Eng.
Engenheiro eletricista Universidade Tecnolgica Federal do Paran
(UTFPR). Av. Sete de Setembro, 3165 Rebouas. CEP 80230-901 Curitiba
PR Brasil.
[email protected]
Resumo: O uso de painis fotovoltaicos como uma fonte de energia
alternativa para a recarga das baterias em
carros eltricos j uma realidade e isso pode ser feito de
diferentes maneiras: Por meio de pontos pblicos de
recarga providos de painis fotovoltaicos e baterias internas que
so utilizadas para recarregar os carros eltricos
a eles conectados ou pontos de recarga instalados em garagens
comerciais e residncias. Os painis fotovoltaicos
podem suprir parte da energia necessria para a recarga das
baterias, evitando e/ou reduzindo o uso de outras
fontes de energia consideradas menos limpas e renovveis, tais
como petrleo, gs natural e o carvo mineral.
Neste artigo ser abordada a economia energtica e financeira
quando painis fotovoltaicos comerciais so
instalados no teto de um carro totalmente eltrico, em pesquisa
do tipo bibliogrfica.
Abstract: The use of photovoltaic panels as an alternative
energy source to recharge batteries in electric cars is
already a reality and it can be done in different ways: through
public charging points provided with photovoltaic
panels and internal batteries that are used to recharge electric
cars connected to them or charging points available
in commercial garages and residences Photovoltaic panels can
supply part of the energy needed to recharge the
batteries, preventing and / or reducing the use of other energy
sources considered less clean and renewable such
as oil, natural gas and coal. In this article it will be
addressed the energetic and financial economy when
commercial photovoltaic panels are installed on the roof of a
fully electric car.
1, Introduo
As crescentes mudanas climticas causadas pela gerao de energia
por meio do petrleo, do gs, do
carvo e outras de fontes emissoras de CO2, obrigam governos,
empresas e a sociedade a buscarem novas
solues como fontes limpas e renovveis que permitam a
sustentabilidade a fim de suprir as demandas
enrgicas atuais (MARCOLINO, 2011). O efeito estufa, resultado da
queima do petrleo, carvo mineral e gs
natural, hoje um dos principais responsveis pelas mudanas
climticas percebidas e discutidas na sociedade.
H consenso de que o planeta no suportar o uso de petrleo no
sculo 21 da mesma forma que foi usado no
sculo 20 (EXAME,2006).
No s a possvel falta de energia uma preocupao mundial, mas tambm
a forma como gerada.
Neste contexto a procura por fontes de energia renovveis e
ecologicamente corretas desempenhar um
importante papel na tendncia de gerao mundial de energia
(COUTINHO,2011). Ainda neste tema, o Sol
mostra-se como fonte de energia renovvel e utilizada para produo
de energia eltrica, sendo uma alternativa
promissora diante de um cenrio de desafios energticos e
ambientais. O Sol libera uma enorme quantidade de
energia irradiada para o sistema solar. Sensores de radiao solar
mostram que no espao extraterrestre a
irradincia medida entre o Sol e Terra cerca de 1353 W/m2 e parte
desta energia, tipicamente 1000 W/m
2 incide
na superfcie da Terra. Ainda assim, o montante da energia do Sol
que atinge a superfcie da Terra a cada hora
maior do que a quantidade de energia utilizada em um ano pela
populao mundial. (BRUSCHI,2010).
Seguindo a linha de energia limpa e renovvel, os carros eltricos
tm uma importante parcela de
contribuio na reduo da emisso de CO2 na atmosfera, pois no usam
como combustvel o petrleo e seus
derivados, principais causadores do efeito estufa. Por outro
lado, os carros eltricos dependem de uma fonte
externa de energia para efetuar a recarga de suas baterias
embarcadas. Um exemplo desta tecnologia o carro
Nissan LEAF, que necessita uma potncia de 3,3 KW durante 7 horas
para recarregar as suas baterias
completamente partindo da descarga completa (NISSAN,2012). Parte
da energia pode ser suprida atravs do uso
de painis fotovoltaicos, reduzindo assim o tempo de recarga e
consequentemente o consumo de energia vindo
de outras fontes geradoras, como as que utilizam combustveis
fsseis citadas anteriormente.
Este estudo visa mostrar a economia energtica e financeira
quando diferentes painis fotovoltaicos
disponveis no mercado so instalados no teto de um carro eltrico
com a finalidade de ser uma fonte alternativa
de energia no processo de recarga das baterias embarcadas. Para
os clculos, utiliza-se a ficha tcnica do carro
Nissan Leaf, uma referncia oficial de um carro vendido
comercialmente, e tambm os dados tcnicos dos
fabricantes de painis fotovoltaicos de diferentes tecnologias:
Silcio mono cristalino (m-Si), Silcio poli
cristalino (p-Si), Silcio Amorfo (a-Si), Telureto de Cdmio
(CdTe), Disseleneto de Cobre e ndio (CIS) e HIT
(Heterojunction with Intrinsic Thin layer).
-
2. Pesquisa
Os painis fotovoltaicos so utilizados para converter a energia
da luz do Sol em energia eltrica e so
compostos por um conjunto de clulas, podendo ser fabricados
utilizando diferentes materiais. O silcio o
material predominante na fabricao de clulas solares que compoem
os painis fotovoltaicos. Sua eficincia
basicamente determinada pela potncia gerada em relao potncia da
radiao solar incidente
(ALONSO,2009).
Uma nica clula solar produz uma diferena de potencial entre 0,5
e 0,6V e potncia entre 1,0 e 1,5W.
Usualmente so ligadas em arranjos srie-paralelo formando os
mdulos (painis). Estes arranjos permitem o
atendimento de cargas maiores (EPE,2012).
Na produo de clulas fotovoltaicas de silcio monocristalino
(m-Si), o monocristal crescido por um banho de silcio fundido de
alta pureza (Si = 99,99% a 99,9999%). Para isso, reatores sob
atmosfera controlada e
em altas temperaturas (1400oC) so usados no processo de
fabricao. Etapas complementares de finalizao do
processo, usinagem, corte das lminas, lapidao, ataque qumico e
polimento geram 50 % de perda de material.
O processo finalizado com difuso / dopagem, mscara condutora da
eletricidade e interconexes de clulas
para obteno do modulo fotovoltaico.
O silcio policristalino (p-Si), tambm usado na produo de clulas
fotovoltaicas, possui uma menor
eficincia de converso energtica quando comparado ao
monocristalino (m-Si), mas em contrapartida o custo de
produo mais baixo. O custo e a eficincia so mais baixas devido
ao processo de produo onde o silcio
fundido e solidificado direcionalmente, resultando no bloco uma
grande quantidade de gros ou cristais que geram defeitos, deixando
a clula menos eficiente, ou seja, uma estrutura cristalina de menor
qualidade. Da
mesma forma que silcio monocristalino (m-Si), o processo final
tambm gera uma perda considervel devido ao
corte do lingote de silcio policristalino em fatias
(RUTHER,2004).
A utilizao de silcio Amorfo (a-Si) na produo de clulas
fotovoltaicas era considerada no incio dos
anos 80 a nica tecnologia vivel para clulas fotovoltaicas
aplicadas em filmes finos, ou seja, pelculas
delgadas. O Silcio Amorfo (a-Si) teve a sua aplicao difundida
atravs de aparelhos como calculadoras,
relgios e outros dispositivos com baixo consumo energtico. Por
ter um desempenho melhor na regio azul do
espectro eletromagntico, os painis de Silcio Amorfo (a-Si) so
extremamente eficientes sob iluminao
artificial e dias nublados, quando comparadas com as clulas
fotovoltaicas de Silcio monocristalino (m-Si) e
silcio policristalino (p-Si).
No processo de fabricao do a-SI so empregadas temperaturas mais
baixas (< 300C) e substratos mais
baratos (inox, vidro e plstico). Os mdulos formados desta
maneira so flexveis, moldveis em superfcies
curvas, robustos e/ou transparentes, e so muito versteis em
aplicaes de mercado. Um fator favorvel
tecnologia do a-Si a baixa influncia que tem o aumento da
temperatura no desempenho dos mdulos
fotovoltaicos e que nas outras tecnologias, de forma distinta,
uma correo de desempenho em funo da
temperatura deve ser considerada nos clculos potenciais
(RUTHER,2004).
A tecnologia Telureto de Cdmio (CdTe) em painis fotovoltaicos,
da mesma forma que o Silcio Amorfo
(a-Si), tem baixo custo de produo, aplicada a filmes ou pelculas
delgadas e possui baixa eficincia na
converso de energia solar em eltrica. Outras desvantagens so a
pequena abundncia dos elementos envolvidos
na natureza e a sua alta toxidade (RUTHER,2004).
Os painis fotovoltaicos produzidos a partir de Disseleneto de
Cobre e ndio (CIS) contm a tecnologia de
compostos baseados no disseleneto de cobre e ndio (CuInSe2) ou
simplesmente (CIS), e possuem uma
eficincia energtica de converso relativamente elevada. Em
laboratrio, estas clulas fotoeltricas de pequenas
reas apresentaram eficincias energticas na converso em torno dos
18% e de 9-10% para os mdulos de reas
maiores. Como no caso da tecnologia Telureto de Cdmio (CdTe), os
aspectos como a toxicidade e pouca
abundncia so levados em conta na produo e na comercializao
destes painis fotovoltaicos em larga escala.
(RUTHER,2004).
A tecnologia Heterojunction with Intrinsic Thin layer (HIT) foi
desenvolvida pela empresa japonesa
Sanyo e a sua produo utiliza avanadas tcnicas baseadas em clulas
cristalinas com camadas ultrafinas de
silcio amorfo. Sua grande vantagem a associao da eficincia do
silcio cristalino com as caractersticas
positivas do silcio amorfo. De maneira anloga ao CIS, tem,
entretanto, um coeficiente de temperatura negativo
elevado na ordem de -0,33%/0C que deve ser levado em considerao
nos clculos (RUTHER,2004).
Em resumo, a tabela 1 apresenta as tecnologias dos mdulos
fotovoltaicos e suas caractersticas que sero
utilizadas nos clculos, com destaque para as eficincias em
porcentagem no padro Standard Test Conditions
(STC) na ltima coluna.
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Tecnologia Fabricante Modelo Pot. Nominal (W) rea do Mdulo (m2)
EFFSTC (%)
m-Si BP Solar BP 5170 S 170 1,26 13,50
a-Si Bekaert ECD
Solar Systems
Uni-Solar
US-64 64 1,12 6,30
p-Si BP Solar BP 375 S 75 0,64 11,60
CdTe First Solar FS 50 D 50 0,72 6,90
CIS Wurth Solar WS 11007 60 0,73 8,20
HIT Sanyo HIP
J54BA2 180 1,18 17,30
Tabela 1. Caractersticas dos painis fotovoltaicos estudados.
Fonte: (RUTHER,2004).
Conforme citado, a tecnologia de painis fotovoltaicos baseada em
Silcio Amorfo (a-Si) no possui
coeficiente negativo de temperatura e por isso no diminui sua
eficincia energtica frente ao aumento de
temperatura de trabalho. Para as outras tecnologias citadas uma
correo feita para estimar o valor da eficincia
energtica para uma temperatura mais elevada do que a usada nos
padres de testes. A tabela 2 mostra as
correes das eficincias dos painis fotovoltaicos estudados para
uma temperatura nominal de operao de
450C, ou seja, Nominal Operating Cell Temperature (NOCT3).
Com os valores do tabela1, utiliza-se a equao (1) para obter os
valores corrigidos das eficincias
energticas dos painis fotovoltaicos frente nova temperatura
nominal de operao. A tabela 2 mostra os novos
valores obtidos. O termo EFFNOCT refere-se eficincia corrigida
para a nova temperatura, EFFSTC eficincia
do painel na condio padro (STC), TCOEFF ao coeficiente negativo
de temperatura e T variao de temperatura entre a temperatura padro
STC a NOCT3.
EFFNOCT = EFFSTC {[100- (|TCOEFF | x T)]/100} (1)
Tecnologia EFFSTC (%) TCOEFF (%/ 0C) NOCT (0C) EFFNOCT (%)
m-Si 13,50 -0,404 45 12,42
a-Si 6,30 0,004 45 6,30
p-Si 11,60 -0,405 45 10,67
CdTe 6,90 -0,205 45 6,62
CIS 8,20 -0,455 45 7,46
HIT 17,30 -0,336 45 16,16
Tabela 2. Valores corrigidos das eficincias energticas dos
painis fotovoltaicos para a temperatura de
operao de 450C.
3. Proposta
A proposta desse artigo apresentar um estudo referente relao
energtica e financeira anual dos
painis fotovoltaicos citados neste artigo quando instalados no
teto do carro modelo Nissan Leaf, usado como
base nos clculos. Para o incio dos clculos a determinao da rea
do teto do carro um fator muito
importante, pois define a rea til usada pelos diferentes tipos
de painis fotovoltaicos considerados.
Ainda com referncia aos clculos, deve-se considerar que o carro
estudado ficar estacionado durante o
dia num local sem cobertura de telhados ou que possa ter o
bloqueio da luz solar por rvores e far um
deslocamento mdio dirio durante o ano. Com relao aos valores de
irradiao solar tpica, os clculos e as
concluses sero feitos para o melhor e pior caso no Brasil.
Avaliar, com base nos clculos feitos, se a aplicao de painis
fotovoltaicos para o carro eltrico Nissan
Leaf no Brasil frente irradiao solar incidente vivel, bem como a
economia anual energtica e financeira
propiciada.
4. Metodologia
A determinao da rea til do teto do Nissan Leaf feita de forma
aproximada em funo das poucas
informaes disponveis referentes a esta parte do carro. Segundo o
fabricante a distncia entre eixos e da largura
total do carro so 270 cm e 177 cm, respectivamente, e por meio
de uma projeo destas medidas conhecidas
calcula-se a rea aproximada do teto do carro com a equao
(2).
-
A figura 1 mostra as medidas projetadas de comprimento e largura
do teto do Nissan Leaf frente s
medidas conhecidas, como a distncia entre eixos e largura total.
Obtiveram-se os valores de 190 cm para o
comprimento do teto e 128 cm para a largura, conforme a figura
2.
Figura 1. Dimenses do teto do carro projetadas (foto
adaptada).
Fonte: (NISSAN,2012)
rea do teto = C x L, onde C o comprimento e L a largura
projetada. (2)
(2)
A Figura 2 mostra a rea calculada pela da equao (2).
Figura 2. rea do teto carro aproximada (foto adaptada).
Fonte: (NISSAN,2012)
A irradiao solar determinante para qualquer projeto que envolva
painis fotovoltaicos. Este valor varia
de acordo com a regio. A figura 3 mostra os nveis de irradiao
solar no Brasil que so mdias dirias tpicas
medidas durante o ano.
-
Figura 3. Irradiao solar no Brasil em (Wh/m
2.dia) (adaptado).
Fonte: (ANEEL,2008).
Com base na figura 3, que mostra a irradiao solar mdia no
Brasil, determina-se que a menor irradiao
solar incidente de 4500 (Wh/m2.dia) na regio sul litornea e o
maior de 6100 (Wh/m
2.dia) no interior da
regio nordeste do Brasil.
Para determinar a rea total necessria dos painis fotovoltaicos
para atender a demanda da energtica do
carro frente irradiao incidente no Brasil, os dados tcnicos do
carro estudado bem como os dados estatsticos
e comportamentais do usurio so usados. Considera-se tambm que o
sistema fotovoltaico a ser calculado um
sistema isolado, pois no h troca de energia com a rede
eltrica.
O tabela 3mostra as caractersticas tcnicas do carro Nissan Leaf
fornecida pelo fabricante. O dado
referente autonomia do carro baseada na condio em que o carro
percorra uma estrada plana com velocidade
constante de 60 km/h aproximadamente, com uma temperatura
externa de 20oC para evitar o consumo de energia
pela utilizao do sistema de climatizao do carro.
Potncia consumida na recarga das baterias 3,3 kW
Tempo necessrio para realizar a recarga completa das baterias 7
h
Autonomia do carro com uma recarga completa na condio citada 222
km
Mdia anual percorrida para carros com at um ano de uso no Brasil
22000 km
Tabela 3. Dados tcnicos do carro e estatstica do usurio.
Fontes: (NISSAN,2012)e (WILLS,2007).
Atravs da equao (3) calcula-se a energia total necessria para
carregar as baterias do carro estudado
quando complemente descarregadas.
Energia Total de Carga = Potncia consumida na carga das baterias
x Tempo necessrio para realizar a carga
completa das baterias. (3)
(3)
Com o valor da mdia anual percorrida para carros com at um ano
de uso no Brasil, determina-se o
nmero de recargas realizadas durante um ano atravs da equao
(4).
Nmero de recargas realizadas (ano) = Distncia total percorrida
(ano) / Autonomia do carro com uma carga
completa. (4)
-
(4)
Com o valor obtido na equao (4) referente ao nmero de recargas
realizadas no ano, calcula-se atravs
da equao (5) a energia anual necessria para efetuar as cargas
das baterias.
Energia Total de carga (ano) = Nmero de cargas realizadas (ano)
x Energia Total de carga (5)
(5)
No passo seguinte determina-se a potncia do painel fotovoltaico
para atender a demanda, calculada
atravs da equao (6) para um sistema isolado fotovoltaico.
PFV
=
(6)
O termo PFV da equao (6) corresponde potncia do painel
fotovoltaico (Wp), E corresponde
demanda de energia total anual (GWh/ano) que nesse clculo o
valor da Energia Total de carga (ano), G
corresponde irradincia nas condies STC (1000W.m2) , HTOT a
irradiao solar incidente no plano normal
dos mdulos (KWh/m2/ano), R o rendimento do conjunto de aparelhos
e componentes do sistema com valor
tpico entre 60 a 75% para sistemas isolados e FCARREG o valor de
carregamento dirio das baterias como valor
tpico de 1.1.(JUNIOR,2012).
Conforme mencionado, so considerados o maior e o menor valor de
irradiao solar incidente no Brasil,
valores estes retirados do mapa da Figura 3 e usados para
determinar aproximadamente o HTOT mximo e
mnimo atravs da equao (7).
(7)
)
E com os valores obtidos da irradiao incidente mxima e mnima,
determinam-se os valores da potncia
do painel fotovoltaico para um rendimento do conjunto adotado de
70%.
Finalmente, usa-se a equao (8) para determinar as reas
requeridas para o menor e maior ndice de
radiao solar no Brasil frente s diferentes eficincias dos painis
fotovoltaicos estudados neste artigo. Os
valores obtidos so mostrados na tabela 4 e atendem a demanda
energtica anual para o Nissan Leaf.
(8)
-
Tecnologia EFFNOCT (%) rea requerida para o menor
ndice de irradiao (m2)
rea requerida para o maior
ndice de irradiao (m2)
m-Si 12,42 17,61 12,99
a-Si 6,30 34,72 25,61
p-Si 10,67 20,50 15,12
CdTe 6,62 33,04 24,37
CIS 7,46 29,32 21,63
HIT 16,16 13,53 9,98
Tabela 4. rea requerida para o menor e maior ndice de irradiao
no Brasil para atender a demanda
energtica anual do carro eltrico estudado.
Com os valores obtidos da tabela 4, conclui-se que as reas
necessrias para atender a demanda energtica
anual do carro Nissan Leaf extrapolam a rea til determinada para
a instalao dos painis fotovoltaicos no teto,
ou seja, nenhuma das tecnologias dos painis fotovoltaicos
pesquisadas consegue atender a demanda enrgica
em 2,43m2 de rea de teto.
Uma vez que as reas calculadas dos painis fotovoltaicos
extrapolam a rea do teto do carro, o clculo da
energia gerada usando a rea pr-determinada de 2,43m2 frente s
diferentes tecnologias ser feito para mostrar a
economia energtica e financeira obtida.
Calcula-se a potncia do painel fotovoltaico para a rea
pr-determinada de 2,43m2 atravs da equao (9)
e em seguida a energia anual total gerada mxima e mnima para a
mesma rea pr-determinada atravs da
equao (10). Os resultados obtidos da energia anual gerada so
apresentados na tabela 5.
(9)
(10)
Tecnologia rea do teto do carro
(m2)
PFV (kWp) em
2,43 m2 de rea
Etotal(ano) para HTOTmn
(GW.h/ano)
Etotal(ano) para HTOTmx
(GW.h/ano)
m-Si 2,43 0,302 0,315 0,428
a-Si 2,43 0,153 0,160 0,217
p-Si 2,43 0,259 0,271 0,367
CdTe 2,43 0,161 0,168 0,228
CIS 2,43 0,181 0,189 0,257
HIT 2,43 0,393 0,410 0,556
Tabela 5. Energia total anual mxima e mnima gerada pelos
diferentes painis fotovoltaicos em 2,43m2
de teto.
Observa-se que a tecnologia Heterojunction with Intrinsic Thin
layer (HIT) de painis fotovoltaicos
produz uma maior quantidade de energia em 2,43m2 durante um ano
frente mxima e mnima irradiao solar
incidente, quando comparada as outras tecnologias estudas.
Para determinar os valores da economia gerada, tanto energtica
como financeira, os dados da tabela 5
so usados e uma relao entre a energia anual gerada pelos
diferentes painis fotovoltaicos instalados no teto e a
energia anual necessria para carregar as baterias calculada
atravs da equao (11) e os valores obtidos
mostrados na tabela 6.
Como o custo do kW.h diretamente proporcional a energia
consumida, logo os valores percentuais
encontrados na equao (11) so os mesmos para a economia
financeira obtida.
nergia Total de arga (11)
-
Tecnologia
Energia Total de
Carga Anual
(GW.h/ano)
EFFNOCT
(%)
Etotal (ano)
(GW.h/ano)
Economia Energtica e
Financeira gerada (%)
HTOTmn HTOTmx Mnima Mxima
m-Si 2,286 12,42 0,315 0,428 13,78% 18,72%
a-Si 2,286 6,30 0,160 0,217 7,00% 9,49%
p-Si 2,286 10,67 0,271 0,367 11,85% 16,05%
CdTe 2,286 6,62 0,168 0,228 7,35% 9,97%
CIS 2,286 7,46 0,189 0,257 8,27% 11,24%
HIT 2,286 16,16 0,410 0,556 17,94% 24,32%
Tabela 6. Economia anual energtica e financeira gerada pelos
diferentes painis fotovoltaicos instalados
no teto do Nissan Leaf.
Observa-se atravs dos valores fornecidos pela tabela 6 que a
tecnologia Heterojunction with Intrinsic
Thin layer (HIT) de painis fotovoltaicos gera uma economia
significativa de 24,32% e 17,94% frente a maior e
menor incidncia de irradiao solar respectivamente.
5. Concluses finais e trabalhos futuros.
Diante dos resultados observados para as diferentes tecnologias
de painis fotovoltaicos, obteve-se um
percentual de economia anual significativo quando os mesmos so
instalados em uma rea fixa no teto do carro
Nissan Leaf. Os valores obtidos de economia enrgica e financeira
ficaram entre o menor de 7,00 % para a
tecnologia de Silcio Amorfo (a-Si) no menor ndice de irradiao
solar e o maior de 24,32% para a tecnologia
Heterojunction with Intrinsic Thin layer (HIT) no maior ndice de
irradiao solar no Brasil. Visto que a rea do
teto do carro no possui outra funo alm da proteo dos usurios e
tambm como parte estrutural, instalar
painis fotovoltaicos nestas reas e utilizar esta energia limpa e
renovvel gerada torna-se interessante do ponto
de vista econmico e principalmente ecolgico, relacionado ao
aquecimento global.
Recentemente o governo federal do Brasil, atravs da Agncia
Nacional de Energia Eltrica (ANEEL),
aprovou a resoluo normativa N0
482 permitindo que a gerao solar independente injete o seu
excedente
energtico na rede eltrica da concessionria de energia e que este
excedente injetado na rede poder ser
consumido em at 36 meses (ANEEL,2012). Diante deste cenrio
promissor, instalar painis fotovoltaicos
adicionais aos propostos nesse trabalho em residncias visando
complementar a demanda energtica do carro
eltrico estudado, gera um lucro financeiro para o usurio,
contribuiu para um planeta mais sustentvel e serve
como fonte de pesquisa para trabalhos futuros.
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