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Semana da Engenharia – IEP - Curitiba - Dezembro / 2014
Prof. Jair Urbanetz Junior, Dr. Eng.
INTRODUÇÃO A ENERGIA SOLAR
FOTOVOLTAICA E O SFVCR DO
ESCRITÓRIO VERDE DA UTFPR
Curitiba – Dezembro /2014
Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR
Instituto de Engenharia do Paraná - IEP
Semana da Engenharia – IEP - Curitiba - Dezembro / 2014
• Pode ser utilizada para:
Aquecimento (calor – infravermelho) → coletores solares térmicos
Geração indireta de eletricidade (concentrar o calor)
calor concentrado → vapor → turbina → gerador → eletricidade
Geração direta de eletricidade (luz – fótons)
luz → Módulo Fotovoltaico convencional → eletricidade
luz concentrada → módulo fotovoltaico concentrador → eletricidade
1.1 - Tecnologias para Aproveitamento da Energia Solar
Semana da Engenharia – IEP - Curitiba - Dezembro / 2014
• Módulos solares fotovoltaicos (sem concentrador) para geração de
energia elétrica
Geração direta de energia elétrica pelo efeito fotovoltaico.
Sistemas de pequena potência (W, kW) ou de grande potência (MW).
Atualmente é a tecnologia mais usual para geração de energia elétrica a
partir da energia solar.
Módulos
Fotovoltaicos
1.1 - Tecnologias para Aproveitamento da Energia Solar
Semana da Engenharia – IEP - Curitiba - Dezembro / 2014
SISTEMAS
FOTOVOLTAICOS
GERAR ENERGIA ELÉTRICA
DIRETAMENTE A PARTIR DA
ENERGIA DO SOL
Sistemas Fotovoltaicos - Conceitos
Energia Solar
Sistemas Fotovoltaicos
Duas Configurações Básicas:
=> Sistemas Isolados=> Sistemas Conectados à Rede
1.1 - Tecnologias para Aproveitamento da Energia Solar
Semana da Engenharia – IEP - Curitiba - Dezembro / 2014
Sistemas Fotovoltaicos - Conceitos
1.1 - Tecnologias para Aproveitamento da Energia Solar
SISTEMAS
FOTOVOLTAICOS
ISOLADOS
ATENDIMENTO DE LOCAIS SEM
ACESSO À REDE ELÉTRICA(OU APLICAÇÕES ESPECIAIS)
A ENERGIA GERADA É
ARMAZENADA
Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede
Elétrica
Geração Descentralizadade Energia Elétrica(ou Planta Centralizada)
A energia gerada é injetada na rede
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• Radiação solar
Forma de transferência de energia advinda do Sol, através da propagação de ondas eletromagnéticas.
O Sol dista em média cerca de 150.000.000 km da terra.
As radiações emitidas pelo Sol atingem a camada externa da atmosfera terrestre com intensidade que depende da distância Sol-Terra.
A intensidade média é conhecida como “constante solar” (GAM0)
GAM0 = 1.366 W/m2
Na superfície terrestre a intensidade de radiação máxima é cerca de
GHOR = 1.000 W/m²
• Componentes da radiação Solar
radiação direta
radiação difusa
radiação devida ao albedo
1.2 - Radiação solar direta, difusa, global e devido ao Albedo
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RADIAÇÃO SOLAR
INSTANTÂNEA INTEGRADA(Potência/m2) (Energia/m2)
Irradiância (W/m2) Irradiação (Wh/m2)
• Irradiância e Irradiação Medição - Unidades
Piranômetro
Medição de irradiância
Sensor de silício
Unidades usuais
IrradiânciaW/m2
kW/m2
IrradiaçãoWh/m2.diakWh/m2.dia
kWh/m2.ano
1.3 - Conceitos de irradiância e irradiação - Medição - Unidades
Semana da Engenharia – IEP - Curitiba - Dezembro / 2014
• Irradiância (W/m2) - Escritório Verde - UTFPR
1.3 - Conceitos de irradiância e irradiação - Medição - Unidades
0
200
400
600
800
1000
1200
Irradiância ao longo do dia (W/m2)
Dia Ensolarado (13/07/2012) Dia Chuvoso (07/07/2012)
0
200
400
600
800
1000
1200
Irradiância ao longo do dia (W/m2)
Dia Ensolarado (24/12/2012) Dia Chuvoso (14/12/2012)
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• Irradiação (Wh/m2) - Escritório Verde - UTFPR
1.3 - Conceitos de irradiância e irradiação - Medição - Unidades
0,0
1000,0
2000,0
3000,0
4000,0
5000,0
6000,0
7000,0
8000,0
9000,0
1 2 3 4 5 6 7 8 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
Novembro/2012
0,0
1000,0
2000,0
3000,0
4000,0
5000,0
6000,0
7000,0
8000,0
9000,0
1 2 3 4 5 6 7 8 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
Julho/2012
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• Irradiação (Wh/m2) - Escritório Verde - UTFPR
1.3 - Conceitos de irradiância e irradiação - Medição - Unidades
3054,40
4393,054557,23
4288,124586,19
5315,31
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Irradiação média obtida pelo piranômetro (Wh/m2.dia)
0,0
1000,0
2000,0
3000,0
4000,0
5000,0
6000,0
7000,0
8000,0
9000,0
1 2 3 4 5 6 7 8 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
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24
25
26
27
28
29
30
31
Dezembro/2012
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• Potencial Solar Brasileiro Atlas Brasileiro de Energia Solar
- Mapas de irradiação global horizontal e inclinada (latitude)
- Mapas sazonais e anuais
- Banco de dados
Modelo BRASIL-SR
1.4 - Banco de dados de irradiação solar - Projeto SWERA
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• Atlas Brasileiro deEnergia Solar
Mapa de Irradiação
Global horizontal
Média anual
kWh/m2.dia
1.5 – Atlas Brasileiro de Energia Solar
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• Atlas Brasileiro deEnergia Solar
Mapa de Irradiação
(no Plano Inclinado)
(Inclinação igual à latitude local)
Média anual
kWh/m2.dia
1.5 – Atlas Brasileiro de Energia Solar
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Estado do Paraná
1.6 – Potencial Fotovoltaico do Estado do Paraná
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1.6 – Potencial Fotovoltaico do Estado do Paraná
Fonte: TIEPOLO, URBANETZ, CANCIGLIERI, VIANA, PEREIRA. V CBENS - 2014
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1.6 – Potencial Fotovoltaico do Estado do Paraná
PARANÁ x ALEMANHA;
ITÁLIA e ESPANHA
Fonte: TIEPOLO, URBANETZ,
CANCIGLIERI, VIANA, PEREIRA.
V CBENS - 2014
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• Tecnologia Solar Fotovoltaica
Alta tecnologia, mas é simples de utilizar
Não poluente e fonte renovável
Não produz ruído
Baixa manutenção
Operação desassistida
Altamente confiável
uso em satélites
Instalações desde baixa
potência (W) até (MW).
Característica modularo sistema pode ser ampliado
conforme a necessidade, podeser desmontado e montado emoutra localidade.
2 - Fundamentos da Tecnologia Fotovoltaica
http://newtech.aurum3.com
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• Efeito Fotovoltaico
• Conversão direta da energia da luz (espectro visível) em energia
elétrica.
• Célula fotovoltaica elemento que realiza a conversão
Célula fotovoltaica de silício
• A tecnologia solar fotovoltaica é diferente da tecnologia solar térmica,
que utiliza o calor (radiação infravermelha) para aquecimento.
CB-SOLAR / PUC RS Foto: Trajano Viana
2.1 - Efeito fotovoltaico - Princípio de funcionamento da célula FV
Materialtipo P
-Tensãoelétrica
+
Material tipo N
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• Tecnologia tradicional lâminas de silício cristalino
- Silício monocristalino (m-Si)
- Silício policristalino (p-Si) ou silício multicristalino
Cerca de 90% da produção mundial de módulos é baseada
no silício cristalino (m-Si e p-Si)
• Tecnologia de filmes finos filmes finos de silício ou outros
materiais – depositados sobre substratos rígidos ou flexíveis
- Silício amorfo ou silício amorfo hidrogenado (a-Si)
- Telureto de cádmio (CdTe)
- Disseleneto de cobre e índio (CIS)
- Disseleneto de cobre, índio e gálio (CIGS)
- Micromorfo ou microcristalino (μcSi/a-Si)
2.2 - Tecnologias fotovoltaicas - Células e módulos fotovoltaicos
Semana da Engenharia – IEP - Curitiba - Dezembro / 2014
2.2 - Tecnologias fotovoltaicas - Células e módulos fotovoltaicos
Semana da Engenharia – IEP - Curitiba - Dezembro / 2014
• Parâmetros característicos
• Eficiência de conversão (Módulos comerciais @ STC)
• m-Si 12 - 15 %
• m-Si especiais 17 – 19 % (“HIT” ; “back contact”)
• p-Si 11 - 14 %
• a-Si 6 - 8 % (estabilizado)
• CdTe 7 - 10 %
• CIGS 9 - 11 %
• a-Si/µc-Si~ 8 - 9 %
• Escolha da Tecnologia
• Aspectos energéticos
• Aspectos arquitetônicos – Estética – Aplicação
• Área disponível potência instalada (Wp)
• Maior eficiência menor área
Eficiência Área
2.3 - Eficiência de conversão da célula FV e do módulo FV
Semana da Engenharia – IEP - Curitiba - Dezembro / 2014
2.3 - Eficiência de conversão da célula FV e do módulo FV
m2
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
7 - 9
8 - 11
11 - 13
14 - 18
16 - 20
Silício policristalino
p-Si
Silício monocristalino
m-Si
Disseleneto de cobre e índio
CIS - CIGS
Telureto de Cádmio
CdTe
Silício amorfo
a-Si
Fonte: SMA
Área necessária para instalar 1kWp
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Silício amorfo (a-Si)
Silício cristalinoTelureto de cádmio (CdTe)
Disseleneto de cobre e índio (CIS)
Comprimento de onda (nm)
Inte
ns
idad
e r
ela
tiva
• A radiação solar não é monocromática, apresenta diferentes comprimentos
de onda;
• As células FV, dependendo dos materiais empregados, apresentam
diferentes sensibilidades para cada comprimento de onda da radiação solar
incidente.
2.4 - Resposta espectral dos diferentes tipos de células FV
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• Parâmetros característicos
• Coeficientes de temperatura
O aumento da temperatura de
operação, de um modo geral, tem
efeito negativo no desempenho dos
dispositivos fotovoltaicos, reduzindo a
eficiência de conversão.
Coeficiente de temperatura
sobre a corrente (α)
ISC aumenta ligeiramente
Coeficiente de temperatura
sobre a tensão (β)
VOC diminui acentuadamente
Coeficiente de temperatura
sobre a potência (γ)
A potência máxima diminui, pois o
efeito da temperatura sobre VOC é
maior do que sobre ISC.
2.5 - Efeitos da temperatura – Coeficientes de temperatura
Exemplo para:
c-Si: γ = -0,45 %/ºC
a-Si: γ = -0,13 %/ºC
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• Sistemas fotovoltaicos isolados (SFVI) ou (SFI) Não possuem conexão com o sistema público de fornecimento de
energia elétrica;
Normalmente são instalados em locais sem acesso à rede
elétrica ou visando atender cargas especiais;
A energia elétrica gerada normalmente é armazenada em
baterias;
• Sistemas fotovoltaicos conectados à rede elétrica
(SFVCR) ou (SFCR) Operam com conexão à rede elétrica pública;
A energia gerada é injetada na rede elétrica. Não necessitam de
elemento armazenador;
Na falta da rede elétrica (desligamento para manutenção ou
falha) os SFCR se desconectam automaticamente da rede,
deixando de fornecer energia, evitando o ilhamento;
Segurança da rede e dos usuários
3 – Classificação dos Sistemas FV
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• Diagrama pictográfico de um SFVI
3.1 – Componentes dos Sistemas FV Isolados
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Componentes
• Painel fotovoltaico Módulos fotovoltaicos
• Inversor
InversorCC => CA
Módulos Fotovoltaicos
REDEMedidor
(kWh)
CARGAS CA
Medidor
Opcional
(kWh)
4 – Sistemas FV Conectados à Rede Elétrica
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• Sistemas FV Conectados à Rede Elétrica (SFCR) ou (SFVCR)
Operam com conexão à rede elétrica pública;
A energia gerada é injetada na rede elétrica. Não necessitam de elemento armazenador;
Na falta da rede elétrica (desligamento para manutenção ou falha) os SFCR se desconectam automaticamente da rede, deixando de fornecer energia, evitando o ilhamento;
Segurança da rede e dos usuários
Quando a rede elétrica é restabelecida, automaticamente os SFCR se reconectam e passam a fornecer energia à rede;
Utilizados como forma de geração distribuída, integrados a edificações urbanas (kW);
Utilizados para geração centralizada, com grande potência instalada (MW);
Elevada produtividade (YIELD) – kWh/kWp.
4.1 – Características dos Sistemas FV Conectados à Rede
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• Diagrama básico de um SFCR integrado à edificação
Painel
fotovoltaico
COMERCIALIZAÇÃO DA
ENERGIA FV
Modelo Net Metering
O gerador fotovoltaico
TROCA a energia que
produz (recebendo créditos
em kWh) para serem
consumidos.
Modelo da TARIFA-PRÊMIO
O gerador fotovoltaico vende
TUDO o que produz
(recebendo a tarifa-prêmio)
e o consumidor compra
TUDO o que utiliza da
concesionária (pagando a
tarifa de sua classe tarifária).
4.2 – Componentes dos Sistemas FV Conectados à Rede Elétrica
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• Diagrama básico de um SFVCR integrado à edificação
4.2 – Componentes dos Sistemas FV Conectados à Rede Elétrica
No Brasil:
Sistema de Compensação,
similar ao Net Metering
O gerador fotovoltaico
TROCA a energia que
produz (recebendo
créditos em kWh) para
serem consumidos,
porém há incidência de
impostos no momento do
consumo da energia
fotogerada.
Fonte: GARCETE, 2013
Ex: Tarifa residencial no Paraná (julho/2014)
• Sem impostos: R$ 0,32637 / kWh;
• Com impostos: R$ 0,49078 / kWh
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Capacidade mundial instalada de SFCR:
4.3 – Capacidade Instalada de Sistemas FV Conectados à Rede Elétrica
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4.3 – Capacidade Instalada de Sistemas FV Conectados à Rede Elétrica
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• Capacidade instalada no Brasil de SFVCR
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
≈ 3,14 MWp
(até jan / 2013)
Atualmente > 14 MWp (Fonte: ANEEL, 2014)
4.3 – Capacidade Instalada de Sistemas FV Conectados à Rede Elétrica
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Dez/2011, inaugurado EV;
Edificação sustentável; 150m²; LED; coleta de água da
chuva; conforto térmico; baixo carbono; energia solar FV
(SFVI e SFVCR); ZEB; etc.
4.4 – Sistema FV Conectado à Rede Elétrica do EV da UTFPR
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• Exemplos de SFCR no Brasil
2,1 kWp, UTFPR, Escritório Verde, Curitiba – PR (2011)
4.4 – Sistema FV Conectado à Rede Elétrica do EV da UTFPR
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2,1 kWp, UTFPR, Escritório Verde, Curitiba – PR (2011)
( Fases da montagem )
4.4 – Sistema FV Conectado à Rede Elétrica do EV da UTFPR
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2,1 kWp, UTFPR, Escritório Verde, Curitiba – PR (2011)
( Fases da montagem )
4.4 – Sistema FV Conectado à Rede Elétrica do EV da UTFPR
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2,1 kWp, UTFPR, Escritório Verde, Curitiba – PR (2011)
( Fases da montagem )
4.4 – Sistema FV Conectado à Rede Elétrica do EV da UTFPR
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≈ 7 MWh (em 35 meses de operação)
Geração anual ≈ 2,4 MWh/ano
Média mensal ≈ 200 kWh
4.4 – Sistema FV Conectado à Rede Elétrica do EV da UTFPR
Geração
(kWh/mês)
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DESEMPENHO DO SFVCR DO EV
Baseado na energia gerada;
Nos dados de irradiação solar do INMET (estação A807)
e uso do RADIASOL;
Índices de Mérito:
Yield (kWh/kWp);
Performance Ratio (%);
Fator de Capacidade (%).
4.4 – Sistema FV Conectado à Rede Elétrica do EV da UTFPR
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ÍNDICES DE MÉRITO DO SFVCR DO EV
São utilizados para comparar a operação de
SFVCR com diferentes potências e/ou
localidades.
Yield
Performance Ratio
Fator de Capacidade
4.4 – Sistema FV Conectado à Rede Elétrica do EV da UTFPR
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Irradiação diária média no plano horizontal
(estação A807 do INMET)
4.4 – Sistema FV Conectado à Rede Elétrica do EV da UTFPR
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IRRADIAÇÃO SOBRE O PAINEL FV
4.4 – Sistema FV Conectado à Rede Elétrica do EV da UTFPR
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IRRADIAÇÃO SOBRE O PAINEL FV
4.4 – Sistema FV Conectado à Rede Elétrica do EV da UTFPR
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YIELD(PRODUTIVIDADE)
Produtividade anual ≈ 1.127 kWh/kWp
4.4 – Sistema FV Conectado à Rede Elétrica do EV da UTFPR
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PERFORMANCE
RATIO(TAXA DE DESEMPENHO)
Taxa de Desempenho anual ≈ 70%
4.4 – Sistema FV Conectado à Rede Elétrica do EV da UTFPR
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FATOR DE
CAPACIDADE
Fator de Capacidade anual ≈ 13%
4.4 – Sistema FV Conectado à Rede Elétrica do EV da UTFPR
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FATORES QUE INFLUENCIARAM NO DESEMPENHO
Inclinação e orientação (15º e desvio 22º oeste);
Inversor (rendimento máximo 92%);
Sombreamento parcial
no fim do dia;
Acúmulo de sujeira(foi efetuada a lavagem do
painel FV em 31/08/2013).
4.4 – Sistema FV Conectado à Rede Elétrica do EV da UTFPR
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CONCLUSÕES
O SFVCR do EV gerou em em média ≈200kWh/mês;
Quantidade superior a necessária para atender a
edificação, tornando-se uma edificação de energia zero
(ZEB – zero energy building);
No verão chegou a atingir 304kWh/mês, o que permitiu
exportar energia (tornou-se uma edificação de energia
positiva);
Quanto aos índices de mérito, os valores estão regulares se
comparados aos divulgados por outras Universidades que
desenvolvem pesquisas com SFVCRs, como UFSC e USP
(Yield anual médio de 1.127kWh/kWp; Performance Ratio
médio de 70% e Fator de Capacidade médio de 13%)
4.4 – Sistema FV Conectado à Rede Elétrica do EV da UTFPR
Semana da Engenharia – IEP - Curitiba - Dezembro / 2014
CONCLUSÕES
O acompanhamento ao longo destes quase três anos de
operação do SFVCR do EV em Curitiba confirma ser um
sistema de alta confiabilidade (opera de forma ininterrupta
desde sua instalação), a geração de energia elétrica está
próxima aos valores esperados, opera de forma limpa e
silenciosa e não necessita de área adicional, visto que o
painel fotovoltaico é instalado sobre o telhado da edificação.
Estas características fazem da geração fotovoltaica, a
forma mais promissora de geração distribuída para o
ambiente urbano.
4.4 – Sistema FV Conectado à Rede Elétrica do EV da UTFPR
Semana da Engenharia – IEP - Curitiba - Dezembro / 2014
Provar a viabilidade da geração FV no Paraná;
Ampliar a capacitação de profissionais em todos os níveis de
escolaridade, em fontes alternativas de energia;
Mostrar que os custos já são atrativos ao consumidor
residencial
(no uso concomitante com a geração)
( ≈ R$ 8,00 / Wp instalado → ≈ R$ 0,40 a R$ 0,50 / kWh );
Tributação: Estadual → o ICMS é 29%;
Municipal → não existem incentivos municipais.
6 – Desafios a serem vencidos no estado do Paraná
Semana da Engenharia – IEP - Curitiba - Dezembro / 2014
Prof. Jair Urbanetz Junior, Dr. Eng.
OBRIGADO PELA ATENÇÃO !!!
Curitiba – Dezembro / 2014