Módulos Solares Fotovoltaicos

Atualizado: 9 de fev. de 2021

INTRODUÇÃO:

Cada vez mais a energia fotovoltaica está presente em nossas vidas, isso por conta da tendência mundial em se utilizar fontes limpas. As aplicações vão desde instalações em telhados de residências comuns a grandes usinas fotovoltaicas construídas ao redor do mundo. Hoje, venho falar sobre sua utilização em embarcações e também dissertar um pouco sobre módulos solares de aplicações gerais.


FUNCIONAMENTO:

O processo de como é realizada a conversão da energia da radiação solar em energia elétrica foge do escopo deste resumo, então farei uma breve explicação e seguirei para pontos mais relevantes para nós, como algumas curvas de energia, que servem para entender radiação de uma região, além de comportamento etc.


Conversão:

Um painel solar é formado por um conjunto de células fotovoltaicas, estas são feitas de materiais semicondutores, como o silício e o arsenieto de gálio, que possuem a particularidade de ser sensíveis à radiação solar. No momento em que os fótons colidem com as partículas que formam os átomos desses materiais semicondutores, provocam o deslocamento dos elétrons para as camada N do silício, por exemplo - que são as bandas de condução -, (vide Figura 1); assim que estes elétrons “saltam” para suas camada P, ocorre a produção de corrente elétrica, que é ocasionada pela diferença de potencial entre as camadas eletrônicas. Tal conversão é somente possível devido ao efeito fotovoltaico.





Figura 1: Conversão de energia solar

Fonte: Slides do Prof. Dr. Roberto Zilles


TIPOS:

A seguir explicarei as diferenças entre os tipos de módulos, nome técnico do “painel fotovoltaico”; estes são formados por cristais – forma na qual se encontra o silício que compõe a célula fotovoltaica.


Policristalino:

Trata-se do módulo mais comumente encontrado, com as células de coloração azulada . Este tipo de módulo possui um aproveitamento inferior em relação ao Monocristalino, chegando a no máximo 16% de eficiência; porém, para pequenos projetos e devido a seu preço acessível, a utilização desse cristal não apresenta perdas consideráveis em comparação ao Monocristalino. Seu nome vem do fato de ser construído de diversos lingotes de silício cristalizado.


Monocristalino:

Trata-se de um módulo com células de coloração escura (vide Figura 2), aproximando-se da cor preta. Ele é mais dificilmente encontrado no mercado, por ser seu processo de fabricação consideravelmente mais oneroso. Em termos técnicos, tem um aproveitamento melhor, chegando a no máximo 24% de eficiência; porém, seu custo-benefício só é válido em aplicações em que são geradas quantidades substanciais de energia elétrica, como em usinas fotovoltaicas. Seu nome vem do fato de ser construído através da utilização de um único lingote de silício.



Figura 2: Módulo Monocristalino

Fonte: Minha Casa Solar


Existem outras características interessantes no que tange às variações de forma do módulo fotovoltaico, como os flexíveis (vide Figura 3), e os de silício amorfo, ou em pó (vide Figura 4). Com relação a isso, os dois tipos estão intimamente ligados ao silício amorfo e à capacidade de controle de forma de seu cristal.




Figura 3: Módulo flexível Figura 4: Módulo de silício em pó


DIMENSIONAMENTO:


Em primeiro lugar, a explicação a seguir tem como intuito discutir algumas etapas essenciais para a escolha de um módulo adequado a certa aplicação. Portanto, lista-se o que é necessário e mais importante para a seleção de tal módulo. Neste texto, a aplicação considerada foi a embarcação de competição movida a energia solar do Poli Náutico. Recomenda-se a leitura do Manual para Engenharia de Sistemas Fotovoltaicos, bem como artigos do site da CRESESB e posts no blog do Poli Náutico (vide Referências).

Em primeiro lugar é necessário realizar um dimensionamento elétrico que leve em conta principalmente:


  • Demanda do sistema: a quantidade de Watts que o sistema precisa para poder funcionar. No nosso sistema, essa quantidade corresponde ao consumo do motor;

  • Capacidade de armazenamento: todos os dados da bateria em que será estocada a energia, isso em caso de sistemas off-grid – sistemas não ligados à rede elétrica.

  • Dados elétricos: tensões, correntes e potências de todos os componentes envolvidos.

  • Dados geográficos: mapas de incidência solar, características climatológicas de cada época do ano na região da instalação e relação de latitude e longitude. No nosso caso, corresponde à São Francisco do Sul, SC;

  • Limitações: custo do projeto, tempo de execução, espaço disponível para a instalação e acesso aos componentes necessários. Em nosso caso, essas limitações correspondem ao orçamento do projeto, aos patrocínios etc.;

  • Módulo: dados técnicos e especificações dele.


Com todos esses dados em mente, comecemos nosso dimensionamento pela necessidade do sistema. Novamente, será abordado um sistema off-grid, neste caso iremos calcular as demandas de tensão, corrente, potência e independência. Faz-se necessário saber todos os dados elétricos, levando em conta, é claro, algumas perdas que podem ser obtidas através de medições e estimativas sobre tudo que consome energia no sistema e, consequentemente, será alimentado pelos módulos.


Dimensionamento do Consumo:



Sobre a equação acima, vale lembrar que se usa ng entre 0.8 e 0.85, já que ng representa a eficiência da bateria e esta nunca é 100% também devido a profundidade de descarga, enquanto Ninv deve ser encontrada na documentação do inversor. No caso do Poli Náutico, não há consumo em corrente contínua, apenas em corrente alternada devido ao motor. Logo, essa equação é simplificada.


Dimensionamento da Bateria:



Sobre a equação acima, vale lembrar que N pode representar valores menores do que 1, que Pdmax é a porcentagem da carga que se pretende usar da bateria do projeto e L é a energia final demandada, calculado acima no dimensionamento do consumo. No caso de nossa equipe, o valor da capacidade de armazenamento é definido pelo edital da competição da qual participaremos, o Desafio Solar Brasil (DSB 2021); em nosso caso, tal capacidade é de 1,5 kWh.


Dados geográficos:

Agora serão feitas análises da questão geográfica e climatológica do local da competição, São Francisco do Sul, Santa Catarina. Isto é importante devido ao fato de que, fatores como nuvens e vento podem afetar, também, o desempenho do Módulo Fotovoltaico.

Em primeiro lugar, analisaremos a incidência solar no local. Para isso, usaremos os dados da CRESEB, Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio de Salvo Brito, onde encontra-se um extenso registro de dados solares do país baseado na inclinação, latitude e longitude (vide Figura 5).



Como pode-se observar na figura acima, a melhor inclinação para os módulos no mês da competição, janeiro, é 0º. Também já obtemos a quantidade de irradiação solar de 5,24 kWh/m2dia; com isso, temos a parte mais importante dos dados geográficos e climatológicos para esta ocasião.


O vento e a temperatura são dados secundários, mas sua importância diz respeito a se ter uma noção da temperatura do módulo, já que a convecção forçada afeta sua produção de energia, como será mostrado mais adiante. Porém, como os módulos estarão em movimento e consideram-se fatores como a reflexão do mar e a mudança de sentido e direção do módulo – devido ao movimento da embarcação –, esses fatores tornam-se difíceis de se prever e, portanto, de se calcular.


Limitações:


Algumas das limitações e/ou parâmetros pré-estabelecidos do nosso projeto são:

  1. Capacidade de armazenamento: 1,5 kWh;

  2. Inclinação do módulo solar: 0º – 10º;

  3. Número de módulos: 3 módulos no máximo;

  4. Recursos: variável conforme patrocínios, porém limitado;

  5. Local: São Francisco do Sul, Santa Catarina, Brasil;


Associação:

Por último, um pouco sobre as associações entre os módulos que podem ser feitas.


Em série:

Os módulos podem ser ligados em série para manter a mesma corrente, e ter suas tensões somadas, o que é vantajoso quando existem limitações de tensão do sistema e/ou corrente. Segue uma imagem da ligação em série dos módulos (vide Figura 6):




Figura 6: Associação em série dos módulos

Fonte: Você Solar


Em paralelo:

É vantajosa, pois a tensão final é a mesma; no entanto, as correntes se somam. No geral ela é usada se a tensão requerida em um módulo for a desejada para todo o sistema. Esse tipo de associação foi o escolhido pelo Poli Náutico.



Figura 7: Associação em paralelo dos módulos

Fonte: Você Solar


Mista:

Uma associação que mistura série e paralelo – a mais comum de se ver em usinas fotovoltaicas e grandes associações entre módulos. Segue uma imagem (vide Figura 8).


Figura 8: Associação mista de módulos


CONCLUSÃO:

Optar por energia fotovoltaica é uma ótima escolha, já que permite independência em casos off-grid, além de permitir a poupança de dinheiro a longo prazo em sistemas on-grid; porém, a opção vem carregada de necessidades de dimensionamento do sistema fotovoltaico e da grande variedade de arranjos, tanto dos tipos de módulos quanto da quantidade de conexões que podem ser utilizadas. Novamente, ressalto a importância da leitura de textos mais profundos, que terão seus links disponibilizados nas referências, e/ou a consulta de profissionais da área e de dados disponibilizados por empresas do ramo.


Até a próxima, marujos!


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