Trabalho de Introdução a Energias Renováveis: "Estudo de implementação de alimentação eléctrica através de energia solar fotovoltaica para Jardim de Infância" por Rodrigo Neves, Henrique Evaristo e Hugo Amorim

1. ¸˜ ¸˜
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 edif´cio 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 sil´cio 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 ¸˜
sil´cio 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
edif´cio.
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 sil´cio 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 edif´cio, 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 edif´cios
e ı
apesar do seu custo inicial algo elevado garante um retorno, envolventes, nomeadamente durante o per´odo 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

2. 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 mo-
delo 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 sil´cio 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

3. 4.1. Pain´ is de Sil´cio Monocristalino Fixos
e ı ¸˜
composicoes qu´micas (GaInP/GaInAs/Ge) que permitem
ı
¸˜ e ı ´
A utilizacao de pain´ is de sil´cio 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 Sil´cio 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 Sil´cio 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 Sil´cio, como o G´ lio e o Germˆ nio permitem reduzir
ı a a
¸˜
a procura massificada ao Sil´cio 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

4. 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 cont´nuo 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 per´odos de me-
e ı
nor consumo de forma a suprimir totalmente as necessida-
des 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 edif´cio 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 sil´cio 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

5. 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.
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