Avaliação por simulação de projetos de sistemas fotovoltaicos

Abstract

O presente trabalho teve como objetivo o estudo dos efeitos da inclinação e orientação de uma superfície absorvedora sobre a radiação solar anual incidente e do potencial de aumento da radiação incidente por meio de sistemas de rastreamento em dois eixos com controle sem retroalimentação para sete cidades brasileiras distribuídas pelo Brasil com latitudes variando de 3° S a 30° S. Os efeitos da inclinação e orientação de sistemas fixos sobre a radiação solar anual incidente foram avaliados com base em dados típicos de radiação solar global em superfície horizontal. Foi observado que os conjuntos de valores fixos de inclinação e orientação que resultavam na máxima radiação solar incidente apresentavam um aumento na radiação de até 6,44 % em relação a superfícies horizontais. Este aumento foi nulo para a cidade de Manaus, AM (3° S) e aumentou gradativamente até 6,44 % para a cidade de São Gabriel (30° S), cidades de menor e maior latitude estudadas, respectivamente. Para as cidades com as menores latitudes estudadas, i.e. 3o S e 8° S, a orientação do sistema não influenciou de forma significativa a radiação incidente, para valor fixo de inclinação do sistema. Nestes casos, a radiação solar anual incidente permaneceu acima de 98 % da radiação solar máxima encontrada para as respectivas cidades independente da orientação do sistema. Esta influência se tornou mais significativa a medida que o valor de latitude aumentou encontrando-se que a orientação pode apresentar um desvio de 35° em relação a orientação com máxima radiação solar incidente, ou seja, em direção ao norte, para o caso de São Gabriel, RS, com latitude de 30° S. A inclinação com máxima radiação solar incidente do sistema apresentou valores inferiores aos valores tradicionalmente indicados, i.e., inclinação igual à latitude, para todas as cidades, para orientação fixa em direção ao norte. Nesse caso, a inclinação igual à latitude pertencia à faixa de valores que recebem radiação solar superior a 98 % da radiação máxima para todos os casos estudados. A avaliação dos sistemas de rastreamento em dois eixos e controle sem retroalimentação foi realizada por meio de simulações com cinco tipos de algoritmos de rastreamento solar. O primeiro algoritmo realiza a reorientação do sistema em função do intervalo entre valores do ângulo horário , o segundo em função da diferença entre o ângulo de incidência e seu valor ideal i.e., superfície sempre perpendicular aos raios solares, , o terceiro em função da diferença entre o ângulo de inclinação e no seu valor ideal , o quarto em função da diferença entre o ângulo de azimute e seu valor ideal duas diferenças anteriores e o quinto em função da combinação das . Os desempenhos dos algoritmos foram comparados por meio das médias anuais do número de reorientações diárias requerido para que a radiação incidente sobre a superfície fosse superior a 95 % da radiação solar no caso de rastreamento ideal, i.e. superfície sempre perpendicular à radiação solar. Os melhores resultados foram obtidos para as cidades estudadas com valor intermediário de latitude, i.e. Brasília, Belo Horizonte e Campo Grande. Foi observado ainda que a discrepância entre todos os algoritmos analisados foi menor para as cidades com maior valor de latitude. Foi obtido um melhor desempenho dos algoritmos com base em e para todas as cidades, sendo superior a 95 % da radiação no caso ideal e com uma média anual de cerca de 12 reorientações diárias. O quinto algoritmo estudado, com base em avaliou combinações de pesos para os critérios intermediário entre os algoritmos baseados em e e , , obtendo-se desempenho . Portanto, o algoritmo de rastreamento com base no ângulo horário foi considerado o mais indicado por apresentar maior incidência de radiação na superfície absorvedora para uma menor média de reorientações diárias e apresentar maior simplicidade de implementação.

The objective of this work was to study the effects of the inclination and orientation of a surface on its annual incident radiation through simulations and the potential increase in the incident radiation by the use of open-loop dual axis tracking control systems for seven Brazilian cities with latitudes varying from 3° S to 30° S. The effects of the inclination and orientation of fixed system on the annual incident solar radiation based on typical annual solar radiation data for horizontal surfaces were evaluated. It was obtained that the set of inclination and orientation values with maximum solar radiation provided gains in incident solar radiation of up to 6.44 % over horizontal surfaces. There was no gain for the city of Manaus, AM (3o S) and increased up to 6.44 % for the city of São Gabriel, RS (30o S), cities with the lowest and highest values of latitude, respectively. For the studied cities with lowest latitudes, i.e. 3° S and 8° S, the system orientation did not affect significantly the incident solar radiation, for a fixed inclination angle. In such cases, the yearly incident solar radiation remained above 98 % of the maximum estimated solar radiation independent of the system orientation. This effect becomes more significant as the latitude rises and it was obtained that the orientation can have a deviation of up to 35° in relation to the orientation with maximum value of incident solar radiation, i.e. oriented towards the north, for the city of São Gabriel, RS (30° S). The system inclination with maximum incident solar radiation values was found to be lower than the usually indicated values, i.e., inclination equal to the latitude, for all locations studied, for surfaces oriented towards the north. In such cases, the inclination equal to the latitude belonged to the range of values that resulted in radiation higher than 98 % of the optimal case, in all studied cases. The evaluation of dual axis open loop solar tracking systems consisted in the simulation of five types of solar tracking algorithms. The first based on the interval between solar hour , the second based on the difference between the incidence angle and its ideal value , the third based on the difference between the inclination and its ideal value value , the fourth based on the difference between the orientation and its ideal and one algorithm based on the combination of the two latter differences . The performance of the algorithms were compared using the annual mean values of daily reorientations required to receive at least 95 % of the radiation received in the ideal case, i.e. surface always perpendicular to the solar radiation. The biggest gains were obtained for surfaces located in the studied cities with intermediary values of latitude, i.e. Brasilia, Belo Horizonte and Campo Grande. It was also observed that the difference between the algorithms became smaller as the value of local latitude increased. For all cities the best performance was obtained for the algorithms based on and , reaching 95 % of the ideal case radiation and with an annual mean of 12 daily reorientations. The algorithms based on were studied varying the weights given to performance between the algorithms based on and , obtaining intermediary and based on . Therefore, the algorithm based solely on the hour angle was found to be the most appropriate for the evaluated cases as it provides higher energy for lower values of yearly mean number of daily reorientations and is simpler to implement.