A forma proposta por este trabalho para se modelar as nuvens sobre a geração fotovoltaica é na verdade modelar seus efeitos a partir da cobertura de nuvens. Os efeitos sobre a irradiância podem ser entendidos como um sinal sendo modulado pela passagem de coberturas de nuvens. Neste trabalho, para realmente avaliar os efeitos de seu encoberto, chegou-se a conclusão que a abordagem mais confiável seria usar séries temporais reais medidas por piranômetros e deles extrair os instantes com maiores taxas de variação de irradiância. Isso porque, assim, o modelo incorpora necessariamente as frequências de variação da irradiância e modulações em amplitude devidas às nuvens.
O correto entendimento deste modelo de céu encoberto demanda que se entenda alguns conceitos de configuração de uma usina fotovoltaica. São eles: os módulos, os strings e os arranjos fotovoltaicos. Os módulos são os elementos básicos formados por células semicondutoras, os strings são módulos ligados eletricamente em série e os arranjos são strings ligados eletricamente em paralelo. Na seção 3.3 do capítulo 3 estes termos são discutidos em detalhes.
Uma ou mais medições de irradiância são espacialmente extrapoladas conforme as dimensões dos arranjos fotovoltaicos que devem cobrir.
A equação (2.19) abaixo expressa como é feita a extrapolação da série de irradiância medida em um ponto para um espaço que cubra vários módulos e modula a amplitude da irradiância por módulo.
( , ) =
( ) ⋱ ( )
( ) ⋱ ( )
( ) ⋱ ( )
. ⋱1 (2.19)
Além da expansão da série medida, , modulam-se também as amplitudes das séries replicas até a p-ésima vez, onde p é o número de strings paralelos (para nuvens movendo-se transversalmente) ou módulos em série (para nuvens movendo-se longitudinalmente). Caso se queira que strings diferentes recebem necessariamente menos irradiância que seus pares, então multiplica-se pelo vetor m. Os valores de m são arbitrários.
Assim, o modelo de céu encoberto deste trabalho é um mapa de medições reais de irradiância com períodos de amostragem ∆ de 1 segundo e espacialmente distribuídas conforme as dimensões dos arranjos fotovoltaicos.
Na Figura 2.38 abaixo é mostrado uma aplicação do modelo sobre um arranjo de 7 strings paralelas sendo varridas longitudinalmente ao longo de um dia inteiro. Os strings têm 1,5 metros de largura, estando a 5 metros de distância, o que equivale a 45,5 metros.
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Figura 2.38 Modelo de céu encoberto por nuvens 3D baseado em dados medidos Fonte: Elaborada pelo autor
2.9.
Considerações Finais
Neste capítulo foram apresentados os fundamentos utilizados para se analisar a radiação solar. Foram apresentadas as classificações de nuvens e seus impactos individuais na intermitência de irradiância, as equações de geometria solar-terrestre e implementadas para criação de um modelo computacional de referência. Foram apresentados dados medidos utilizados para se calcular impacto energético das nuvens, os níveis de queda de irradiância devido à intermitência das nuvens e a dinâmica de radiação modulada pelas nuvens. Conseguir estas medições não é um trabalho simples. Encontrar um local com visada próxima de 180 graus e longe de reflexões de superfície não é muito simples. Foi apresentado considerando um ano de histórico o impacto energético das nuvens de 49% de perda de irradiância global de superfície nesta latitude e foram elencados alguns tipos de nuvens que mais afetam a variabilidade da irradiância. Este capítulo além de trazer estes resultados, é também base para as próximas discussões sobre a usina fotovoltaica e a forma adotada neste trabalho de modelar a passagem de nuvens sobre ela.
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Capítulo 3
Geração de Energia Fotovoltaica
3.1.
Introdução
Uma vez que a radiação solar e os efeitos atmosféricos foram descritos no Capitulo anterior, é possível analisar neste capítulo a usina fotovoltaica que receberá esta radiação solar. Inicialmente são apresentados os elementos básicos de uma usina fotovoltaica, módulos, arranjos e conversores. Posteriormente, os fenômenos que afetam estes elementos como a temperatura, sombreamentos, ventos e montagem. Por fim, são considerados como os arranjos fotovoltaicos foram configurados e conectados aos inversores para então fornecerem energia à rede elétrica dentro do escopo deste trabalho. O escopo desse capítulo é apresentar a montagem de uma usina fotovoltaica nos moldes que se pretende discutir neste trabalho e sua inserção na rede elétrica.
3.2.
Células Fotovoltaicas
Uma célula solar é um dispositivo semicondutor que converte a onda eletromagnética da luz solar em eletricidade. A radiação luminosa incidente sobre a célula fotovoltaica produz uma corrente e uma tensão para gerar energia elétrica. Este processo requer um material semicondutor dopado, no qual a absorção de luz eleve os eletrons do material para um estado de energia mais elevado liberando-os para se movem para um circuito externo. Os elétrons então dissipam a sua energia no circuito externo e retornam para a célula solar. Uma variedade de materiais podem, em princípio, satisfazer os requisitos para a conversão de energia fotovoltaica. Na prática, quase toda a conversão de energia fotovoltaica atual utiliza materiais semicondutores (silício na imensa maioria) com dopagens de outros semicondutores. Descrições detalhadas da física das células fotovoltaicas se afastam bastante do escopo deste trabalho, podendo ser encontradas nas referências Masters (2004) e Messenger & Ventre (2004).
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3.2.1. Tipos de células
Neste trabalho utilizou apenas módulos policristalinos, não sendo relevante descrever na forma de revisão bibliográfica outras tecnologias. Apenas faz-se aqui menção a elas para deixar registrado que os problemas de sombreamentos são os mesmos, independente de qual tecnologia usada. Os modelos para usina propostos permitem utilizar qualquer tecnologia fotovoltaica abaixo, bastando que tenham os datasheets dos módulos, as tensões de bandgap específica e o fator de qualidade do diodo específico.
3.2.1.1. Silício Policristalino - m-Si
As células policrsitalinas de Silício constituem uma das tecnologias mais largamente utilizadas hoje, junto com aquelas com silício monocristalinos. Tem eficiência de conversão entre 12% e 15% e tende a ser o que produz a célula mais barata em função dos longos anos de pesquisa sobre ele. Seu fator de forma (FF), ver secção 3.2.2.4, é entre 65% e 75%. Tem uma vantagem estrutural que é devido a possibilidade de se obter células quadradas, permite que a densidade de área de captação seja maior que outras tecnologias com células mais circulares ou octagonais. A aparência da célula recortada da célula se deve pelo processo de fabricação. A qualidade do semicondutor é menor do que a do material monocristalino devido ao processo de solidificação. Estas bordas recortadas introduzem regiões de alta recombinação elétron-lacuna, devido a introdução de níveis de energia extra para a lacuna da banda, reduzindo assim o tempo de vida global de portadores minoritários. As bordas reduzem o desempenho da célula solar, bloqueando os fluxos de transporte e fornecendo caminhos opcionais para o fluxo de corrente através da junção PN.
3.2.1.2. Silício Monocristalino - c-Si
São também bastante utilizadas as células com Silício monocristalino. Elas são um pouco mais caras que as policristalinas, mas são mais eficientes devido ao nível de pureza obtidos no processo do Silício de grau metalúrgico (Masters, 2004). Esta tecnologia não foi utilizada neste trabalho, mas certamente existirão na usina que é estudo de caso escolhida.
3.2.1.3. Tecnologias de filmes finos (Thin Film)
São representadas principalmente pelas tecnologias de Silício Amorfo - a- Si, Telureto de Cadmio (CdTe) e Disseleneto de Cobre e Índio (CIS) mas que não foram utilizadas neste trabalho.
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