Sistemas Fotovoltaicos Flutuantes

Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Pernambuco[pic 1]

SISTEMAS FOTOVOLTAICOS FLUTUANTES: análise do tema e

estudo de caso para os lagos do IFPE

Álvaro, Caio, Gustavo, Otávio Henrique, Wilson

Resumo

Sistemas fotovoltaicos flutuantes vêm ganhando espaço em diversos países, e por se tratar de uma nova estratégia, apenas alguns estudos sobre o tema podem ser encontrados na literatura.  Percebe-se que estes tipos de instalações podem contribuir para diminuição da evaporação de superfícies d’água, para redução do crescimento de algas e, por efeito do resfriamento dos módulos fotovoltaicos, há a contribuição para aumento na eficiência de conversão dos mesmos. O estudo de caso realizado para os lagos existentes no Instituto Federal de Pernambuco – campus Recife mostra o potencial da instalação de um sistema fotovoltaico flutuante no local, para operar com o atual sistema Fotovoltaico, com a possibilidade desse sistema fornecer parte da demanda de eletricidade, além de poder servir como fonte de pesquisas, colaborando para aprofundar conhecimentos na área.

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1.0 INTRODUÇÃO

O Modelo energético brasileiro sofreu uma grave crise com o apagão energético em 2001. Desde então apostou-se na expansão da geração hídrica complementada pelo acionamento das usinas térmicas nos períodos de seca e de pico do sistema elétrico (FGV, 2016). Em 2017, essas duas fontes compõem cerca de 91% do parque gerador [2]. As hidrelétricas (com baixas emissões e menor custo) representavam 63,9%, enquanto as termelétricas (com altas emissões e maior custo) 26,1%.

A geração de energia elétrica é responsável por relevantes impactos no meio ambiente com aumentos de emissões dos gases do efeito estufa e poluição [3]. Tal verdade impõe limites para o atual modelo de expansão energético brasileiro e cria oportunidades para a introdução de fontes energéticas consideradas “limpas” e economicamente viáveis que possam substituir essa geração termelétrica.

Atualmente, o uso da energia solar fotovoltaica (FV) apresenta um potencial de redução de custos [4] e é considerada uma das gerações menos poluentes [3]. A utilização de espaços ociosos das usinas hidrelétricas, como o reservatório de água, possibilita ganhos de geração destas além de permitir uma geração coordenada que possibilite a complementaridade hídrica a partir da geração solar flutuante (UFV) [5].

Este trabalho visa analisar os aspectos relativos a instalações de sistemas solares fotovoltaicos sobre a água, como em lagos, represas de usinas, no mar, uma prática que recentemente vem ganhando cada vez mais espaço no cenário mundial. São avaliadas as características destes tipos de instalações, incluindo-se também uma estimativa da potência que poderia ser instalada nos lagos localizados nas dependências do Instituto Federal de Pernambuco, Campus Recife.

2. SISTEMAS FOTOVOLTAICOS FLUTUANTES

Há um grande número de superfícies de água que poderiam ser utilizadas para instalações fotovoltaicas, como em represas de hidrelétricas, reservatórios de balanço, lagos, lagoas (UEDA et al, 2012). As principais vantagens da tecnologia solar flutuante são maior eficiência das placas solares e redução da evaporação da água. De acordo com Choi (2014) estes tipos de sistemas podem ser utilizados para substituir usinas que são instaladas sobre áreas de florestas, áreas agrícolas e construções. Uma instalação fotovoltaica flutuante consiste, como pode ser observado na Figura 1 de sistema de flutuação, sistema de ancoragem, o próprio sistema fotovoltaico, e cabos de energia (Choi, 2014):

i) sistema de flutuação: consiste de um corpo flutuante (estrutura mais flutuador) que permite a instalação do módulo fotovoltaico;

ii) sistema de ancoragem: permite que haja o ajuste às flutuações do nível de água enquanto se mantém a posição do sistema na direção norte (hemisfério sul);

iii) sistema fotovoltaico: equipamentos de geração solar fotovoltaica, instalados sobre o sistema de flutuação;

iv) cabos de energia: responsáveis pela transferência de energia.

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Figura 1. Esboço de uma instalação fotovoltaica flutuante.

Fonte: Choi (2014).

Vários tipos de sistemas do tipo já estão instalados em diversos países, como na Itália, Estados Unidos, Espanha, França, dentre outros países. Segundo os autores, dentre estes projetos estão incluídos sistemas fotovoltaicos convencionais e sistemas fotovoltaicos concentrados, além disso, os projetos existentes são montados em uma estrutura flutuante rígida e variam entre instalações horizontais e inclinadas. Na Figura 2 é possível observar alguns tipos de tecnologias propostas e utilizadas para sistemas fotovoltaicos flutuantes. [pic 3]

Figura 2. Exemplos de tecnologias para sistema fotovoltaico flutuante.

Fonte: (a) Adaptado de Lee, Joo & Yoon (2014); (b) Adaptado de Gozálvez et al (2012); (c) Trapani & Santafé (2014); (d) Adaptado de Floating Solar Panels (2016).

Benefícios do uso destes sistemas flutuantes incluem a possibilidade de redução da evaporação da água em reservatórios e diminuição no crescimento de algas devido à redução na quantidade de luz do sol dentro do corpo d’água (Trapani & Santafé, 2014). A Figura 7 mostra o exemplo de um balanço energético para reservatórios com e sem sistema fotovoltaico flutuante. Sistemas flutuantes podem ainda trazer o benefício de resfriar os módulos utilizados nestas instalações, levando a uma melhora no rendimento da eficiência de usinas fotovoltaicas. A eficiência de módulos que utilizam da tecnologia de silício cristalino aumenta na medida em que a temperatura diminui (Sacramento et al, 2015).

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Figura 7. Balanço de energia para um reservatório sem cobertura e reservatório com um sistema fotovoltaico flutuante.

Fonte: Traduzido de Santafé et al (2014).

Sacramento et al (2015) realizaram um estudo para avaliar o aumento da eficiência de conversão de energia em módulos instalados em sistemas flutuantes. Em comparação com sistemas montados sobre o solo, os autores verificaram um aumento médio na eficiência de conversão de 12,5% sobre as condições climáticas do local onde foram realizadas as medidas. McKay (2013) realizou um estudo similar para três lagos nos Estados Unidos, sendo eles conhecidos como Silver Lake, Folsom Lake e Lake Mead, e o aumento na produção de energia foi encontrada como sendo de 10%, 12% e 10%, respectivamente. McKay (2013), utilizando modelo matemático, estimou ainda uma redução de 70% na evaporação quando há cobertura de sistema solar em um reservatório. Santafé et al (2014) propuseram a instalação de sistema solar flutuante em reservatórios usados para irrigação. Em estudo prático, na Espanha, foi instalado em um reservatório um protótipo de 20 kWp, e devido ao sucesso dos resultados observados, toda a superfície do reservatório foi coberta (4490m² e 300 kWp). Os autores estimaram ainda a economia de 5000 m³ de água (25% da capacidade de armazenamento) por ano com a cobertura do reservatório e redução da evaporação.