"Estudo de implementação de alimentação eléctrica através de energia solar fotovoltaica para Jardim de Infância" por Rodrigo Neves, Henrique Evaristo e Hugo Amorim

¸˜ ¸˜ Estudo de implementacao de alimentacao el´ ctrica atrav´ s de energia solar e e fotovoltaica para Jardim de Infˆ ncia a R. S. Neves, H. A. Evaristo e H. E. Amorim ¸˜ ` Disciplina de Introducao as Energias Renov´ veis a ¸˜ Mestrado Integrado em Engenharia Electr´ nica e de Telecomunicacoes o Faculdade de Ciˆ ncias e Tecnologia e Universidade do Algarve Campus de Gambelas Resumo ´ A enorme variedade de tecnologias existentes na area per- ¸˜ mitem actualmente a personalizacao de uma solucao de ¸˜ Neste trabalho ser´ efectuado um estudo aprofundado a ¸˜ efic´ cia elevada para cada situacao. Tanto o aproveitamento a ¸˜ ¸˜ das condicoes de radiacao solar do edifćio do Jardim ı ¸˜ eficaz da irradiacao solar dispon´vel (directa, difusa e at´ ı e a a ¸˜ de Infˆ ncia situado em Olh˜ o e respectiva simulacao de mesmo reflectida) como o aproveitamento inteligente dos ¸˜ instalacao de pain´ is receptores solares fotovoltaicos para e ` ¸˜ sombreamentos impostos, aliados a utilizacao de compo- posterior implementacao. ¸˜ nentes electr´ nicos eficazes e de consumo reduzido per- o ¸˜ Foi adoptado como modelo de simulacao da radiacao so-¸˜ ¸˜ mitem a uma instituicao como o Jardim de Infˆ ncia uma a ¸˜ lar um conjunto de equacoes expostas por M. Iqbal [1] cujo ¸˜ ¸˜ enorme reducao dos custos de manutencao e aumento do ´ ¸˜ objectivo e calcular a irradiacao solar global composta por conforto dos seus utentes e funcion´ rios. a ¸˜ irradiacao directa e difusa. Ap´ s um levantamento geral das tecnologias dispon´veis ac- o ı Numa segunda fase do estudo, s˜ o apresentadas algumas a tualmente no mercado, foram seleccionadas algumas para ¸˜ ¸˜ solucoes poss´veis, suas vantagens e limitacoes, nomeada- ı ¸˜ ` an´ lise mais detalhada e poss´vel adaptacao a solucao a ı ¸˜ mente atrav´ s de pain´ is de silćio monocristalino fixos e e e ı ˆ pretendida. Neste ambito foram estudados pain´ is de e e ¸˜ m´ veis e pain´ is de concentracao solar. o ¸˜ silćio monocristalino e policristalino, com instalacao fixa ı ˆ Este estudo foi efectuado no ambito da disciplina de (em plano inclinado) ou m´ vel para maior aproveitamento o ¸˜ Introducao a Energias Renov´ veis e pretende, para al´ m da a e ¸˜ ´ energ´ tico, e pain´ is de concentracao solar. Estes ultimos e e ´ ¸˜ obvia componente de avaliacao necess´ ria, dar um contri- a englobam s´ por si, uma vasta gama de tecnologias e abor- o buto para o avanco do projecto j´ existente relativo a este ¸ a ´ dagens e s˜ o actualmente uma das areas de maior inves- a edifćio. ı ¸˜ timento financeiro a n´vel da investigacao. Cada uma das ı ¸˜ solucoes mais aprofundadas ser´ descrita em pormenor no a Palavras-Chave: Energia solar fotovoltaica, Irradiacao so- ¸˜ cap´tulo 4. ı lar, Energias Renov´ veis, Pain´ is de silćio monocris- a e ı ¸˜ talino, Pain´ is de concentracao solar. e ¸˜ 2. An´ lise de Irradiacao Solar a ¸˜ 1. Introducao Foram inicialmente cedidos pelo Professor Eus´ bio e ¸˜ ¸˜ Conceicao alguns dados de irradiacao solar incidente em Portugal, e nomeadamente o Algarve, encontra-se numa 32 c´ lulas fotovoltaicas e 3 colectores solares supostamente e zona privilegiada para aproveitamento da energia solar nas instalados no topo do edifćio, para um dia t´pico de Ver˜ o ı ı a ¸˜ suas mais variadas formas. A sua utilizacao consciente, (Figura 1) e outro de Inverno (Figura 2). Nestes gr´ ficos a de forma activa e/ou passiva poder´ , a curto-m´ dio prazo, a e podem ser visualizados a vermelho os dados de irradiacao ¸˜ ¸˜ permitir uma reducao importante no consumo de energias ¸˜ para cada c´ lula e a preto a m´ dia geral da irradiacao in- e e ı o ¸˜ provenientes de combust´veis f´ sseis. A implementacao de cidente. Estes permitem-nos de forma simples observar a todo o tipo de sistemas de aproveitamento energ´ tico solar, e influˆ ncia dos sombreamentos provocados pelos edifćios e ı apesar do seu custo inicial algo elevado garante um retorno, envolventes, nomeadamente durante o peródo de Inverno ı n˜ o s´ a n´vel financeiro (a m´ dio prazo), como a n´vel am- a o ı e ı ˆ ´ quando o angulo do Sol e muito menor (Apˆ ndice 1). e biental que n˜ o deve ser desprezado. a 1

3. Potˆ ncia El´ ctrica Necess´ ria e e a Antes de poder analisar com precis˜ o algumas solucoes a ¸˜ ´ poss´veis, e necess´ rio ter uma ideia da potˆ ncia necess´ ria. ı a e a Para esse efeito utiliz´ mos um estudo previamente desen- a volvido e gentilmente cedido pelo Eng. Jo˜ o Gomes que a analisa quatro cen´ rios de consumo energ´ tico poss´veis. a e ı Neste estudo foram tidas em conta as seguintes cargas: • 4 Ventiladores • Bomba de Calor Figura 1: Dia t´pico de Ver˜ o ı a • Circuito de iluminacao interior ¸˜ Assim sendo, foram calculados os consumos para os cen´ rios delineados, cujas conclus˜ es s˜ o apresentadas de a o a seguida: Cen´ rio 1 Circuito de iluminacao interior + 4 ventiladores a ¸˜ + Bomba de calor: P = 5210W Cen´ rio 2 Circuito de iluminacao interior + 4 ventiladores: a ¸˜ P = 4660W Cen´ rio 3 Circuito de iluminacao interior + Bomba de ca- a ¸˜ lor: Figura 2: Dia t´pico de Inverno ı P = 2550W Cen´ rio 4 Circuito de iluminacao interior: a ¸˜ ¸˜ Para facilitar o estudo aprofundado desta situacao em par- P = 2000W ticular e de outras semelhantes, foi decidido criar um modelo inform´ tico que nos permitisse obter todos os dados a ¸˜ Para melhor visualizacao dos cen´ rios de consumo e da vi- a necess´ rios a uma an´ lise cuidada de uma futura instalacao a a ¸˜ ¸˜ ¸˜ abilidade de alimentacao atrav´ s das solucoes apresentadas e de forma r´ pida e automatizada. Esta ferramenta permite a de seguida, aconselhamos a consulta dos gr´ ficos apresen- a a ¸˜ n˜ o s´ a an´ lise da irradiacao solar global num dado ponto a o tados no Apˆ ndice 4. e (di´ ria, mensal ou anual), atrav´ s do modelo exposto por a e ¸˜ M. Iqbal [1], como tamb´ m a aplicacao de determinados e a e e a ´ parˆ metros de eficiˆ ncia, potˆ ncia m´ xima e area de in- ¸˜ 4. Solucoes Propostas cidˆ ncia para c´ lculo de potˆ ncias efectivas produzidas. e a e ¸˜ Ser˜ o apresentadas algumas diferentes solucoes para resol- a Para o desenvolvimento desta ferramenta foi escolhido o ver um mesmo problema. Foram estudadas algumas mais ¸˜ ambiente de programacao proporcionado pela ferramenta do que as que se seguem, no entanto foram seleccionadas a ¸˜ Matlab que permite uma f´ cil aplicacao de modelos ma- ¸˜ apenas as mais interessantes para a situacao em causa. No a ı ¸˜ tem´ ticos devido ao seu n´vel de abstraccao em termos de ¸˜ ` processo de seleccao foi dada prioridade a eficiˆ ncia e qua- e ¸˜ programacao inform´ tica. a ¸˜ lidade em detrimento do custo inicial de instalacao. Desta Esta ferramenta permite tamb´ m que, para uma deter- e ¸˜ forma se justifica, por exemplo, a implementacao de pain´ is e ´ minada area dispon´vel, possamos calcular o n´ mero de ı u de silćio monocristalino ao inv´ s de policristalino que, ape- ı e pain´ is passiveis de serem instalados com um angulo e e ˆ ¸˜ sar do seu custo de producao mais reduzido, tˆ m maiores e ¸˜ ´ direccao optimos para o melhor aproveitamento ao longo ¸˜ limitacoes a n´vel de eficiˆ ncia. ı e de todo o ano. 2

4.1. Pain´ is de Silćio Monocristalino Fixos e ı ¸˜ composicoes qu´micas (GaInP/GaInAs/Ge) que permitem ı ¸˜ e ı ´ A utilizacao de pain´ is de silćio monocristalino fixos e, das ¸˜ a absorcao de partes do espectro solar, baixas frequˆ ncias, e ¸˜ ¸˜ ´ trˆ s apresentadas, a solucao mais barata. A sua instalacao e e m´ dias frequˆ ncias e infra-vermelhos respectivamente. e e ¸˜ simples e os seus custos de manutencao extremamente re- Este tipo de pain´ is s˜ o comercializados pela empresa e a duzidos. No entanto, o facto de se encontrarem fixos, ainda alem˜ Concentrix Solar [3] e atingem rendimentos na or- a ˆ ´ ¸˜ que com um angulo optimo e uma direccao optimizada, dem dos 23%. S˜ o produzidos em conjuntos de c´ lulas com a e ¸˜ limita demasiado a producao energ´ tica obrigando a uma e cerca de 5.5m por 6.5m o que d´ uma area total de 35m2 . a ´ ´ maior area dispon´vel como forma de garantir a potˆ ncia ne- ı e cess´ ria. Uma breve an´ lise do mercado permite-nos facil- a a 4.4 Resultados Obtidos mente situar a sua eficiˆ ncia algures entre os 15% e os 17% e e as areas comuns de cada painel em cerca de 1.2m2 . Estes ´ Utilizando os valores obtidos atrav´ s do modelo de e ˆ tamanhos padr˜ o em conjunto com um angulo aceit´ vel de a a ¸˜ irradiacao solar desenvolvido e aplicando os valores de cerca de 47o de inclinacao implicariam um afastamento en- ¸˜ e e a ´ eficiˆ ncia, potˆ ncia m´ xima e area coberta pelos pain´ is e tre pain´ is de cerca de 1.9m (Apˆ ndice 2) para evitar som- e e (29 ∗ 1.2 ≈ 35m2 para 29 pain´ is de Silćio e 35m2 para e ı breamentos entre estes durante o Inverno obrigando assim a ¸˜ um painel de concentracao solar), foi-nos poss´vel obter ı ´ ¸˜ uma area ainda maior para a instalacao. ¸˜ uma relacao entre as potˆ ncias m´ ximas produzidas num e a dia t´pico de Ver˜ o (Figura 4) e um dia t´pico de Inverno. ı a ı Estes gr´ ficos mostram claramente o elevado ganho em a 4.2. Pain´ is de Silćio Monocristalino M´ veis e ı o Existem in´ meras tecnologias de alinhamento com o Sol u ¸˜ ¸˜ (sensores, GPS, pr´ -programacao, etc) mas para a situacao e ¸˜ em estudo torna-se pouco relevante. A utilizacao de um ¸˜ sistema simples de localizacao, por exemplo atrav´ s de sen- e ¸˜ sores de luminosidade, e um mecanismo de rotacao a dois ¸˜ eixos - Norte/Sul e Este/Oeste - tornariam a solucao muito ¸˜ mais eficaz. A simples implementacao de um sistema de alinhamento solar permite um grande melhoramento em ter- ` ¸˜ mos de potˆ ncia produzida relativamente a solucao anterior. e ´ O seu custo aumenta um pouco, mas o ganho e significa- tivo. Este ganho deve-se sobretudo ao aproveitamento mais ¸˜ eficaz da irradiacao directa em detrimento da difusa. Mais ´ ¸˜ uma vez, e necess´ rio ter especial atencao ao sombreamento a entre pain´ is que, neste caso merece um estudo mais cui- e dado. ¸˜ 4.3. Pain´ is de Concentracao Solar e Figura 3: Dia t´pico de Ver˜ o ı a ¸˜ ´ O conceito de concentracao solar e neste momento uma ´ ¸˜ das areas de maior investimento no que toca a investigacao. e ¸˜ potˆ ncia dos pain´ is de concentracao solar estudados sobre- e Foi inicialmente desenvolvido com vista ao aproveitamento a ¸˜ tudo no ver˜ o, onde a componente directa da irradiacao glo- t´ rmico da energia solar e posteriormente desenvolvido e bal toma valores mais elevados. Neste caso o painel chega como forma de aproveitamento el´ ctrico. Existem in´ meras e u inclusivamente a atingir a sua potˆ ncia m´ xima, notada pelo e a ¸˜ ` ´ aproximacoes a tecnologia mas a sua base e sobretudo corte na parte superior do gr´ fico. a ¸˜ a mesma: concentrar o espectro da irradiacao solar num ponto de forma a captura-lo de forma localizada ao inv´ s e ´ de dispersa numa area maior. A tecnologia que opt´ mos a ¸˜ por aprofundar baseia-se na concentracao do espectro solar atrav´ s de lentes de Fresnel [2] em c´ lulas especialmente e e concebidas para capturar uma gama elevada de frequˆ ncias e ¸˜ do espectro solar. A utilizacao de materiais alternativos ao Silćio, como o G´ lio e o Germˆ nio permitem reduzir ı a a ¸˜ a procura massificada ao Silćio e como tal a reducao da ı ¸˜ especulacao no mercado dos semicondutores. As c´ lulas e utilizadas s˜ o constitu´das por trˆ s camadas de diferentes a ı e 3

pelas estruturas envolventes nem os dias nublados. Figura 4: Dia t´pico de Inverno ı ¸˜ Figura 5: Comparacao entre o modelo desenvolvido e os 5. Conclus˜ es o dados fornecidos para um dia t´pico de Ver˜ o ı a Atendendo aos diferentes cen´ rios de consumo estudados, a considerando-se um funcionamento di´ rio contńuo das 8h a ı ` as 18h30, verifica-se que independentemente da solucao ¸˜ o´ adoptada, s´ e poss´vel garantir potˆ ncia suficiente para os ı e cen´ rios 3 e 4 (Apˆ ndice X). Procedendo a uma poss´vel a e ı an´ lise mais detalhada do consumo real poder´ ter-se em a a ¸˜ ¸˜ consideracao a instalacao de um sistema de armazenamento atrav´ s de baterias acumulando energia nos peródos de me- e ı nor consumo de forma a suprimir totalmente as necessidades energ´ ticas. Tendo em conta o Apˆ ndice D3, Figura e e ¸˜ ´ D.16, o painel de concentracao solar e claramente aquele ` que melhor se adapta as necessidades do edifćio garantindo ı quase por completo os consumos mensais para o terceiro cen´ rio. a Relativamente ao modelo desenvolvido verificou-se que a ¸˜ ´ ˆ ´ direccao optima e o angulo optimo que garantem uma maior producao de energia anual foram respectivamente 180◦ e ¸˜ 26◦ . Comparando o nosso modelo com os dados fornecidos para os dias t´picos, Figuras 5 e 6, concluimos que o facto ı ¸˜ Figura 6: Comparacao entre o modelo desenvolvido e os de obtermos curvas ligeiramente diferentes poder´ ser de- a dados fornecidos para um dia t´pico de Inverno ı ` vido a maior simplicidade ou algum detalhe que no curto espaco de tempo de desenvolvimento possa ter sido despre- ¸ zado. Ou seja, o angulo optimo obtido de 26◦ poder´ n˜ o ˆ ´ a a ˆ ´ ser o angulo optimo real e apenas poder´ ser validado ap´ s a o ¸˜ verificacao do c´ digo do modelo. o ¸˜ Neste estudo n˜ o foi tido em consideracao o custo dos equi- a pamentos e como tal adopta-se o painel de concentracao so- ¸˜ ¸˜ lar como solucao ideal. Se tal n˜ o fosse o caso, uma solucao a ¸˜ mais barata como por exemplo os pain´ is de silćio mono- e ı cristalino m´ veis em dois eixos, poderia suprir as necessi- o dades num cen´ rio 3 durante cinco/seis meses do ano. E ne- a ´ a e ¸˜ cess´ rio ter tamb´ m em atencao que o modelo desenvolvido n˜ o tem em conta os sombreamentos e reflex˜ es causados a o 4

Referˆ ncias e [1] M. Iqbal, “An Introduction to Solar Radiation,” Academic Press Canada, 1983. [2] Michigan Lighthouse Conservancy, “Fresnel Lenses,” http://www.michiganlights.com/fresnel.htm, 2001-2008. [3] Concentrix Solar, http://www.concentrix-solar.de, 2008. 5

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by Núcleo de Electrónica e Informática da Universidade do Algarve

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