Simulação computacional como ferramenta de otimização na geração de energia solar fotovoltaica
Palavras-chave:
Desenvolvimento sustentável, Energia renovável, Modelagem matemática.Resumo
Nos últimos anos, o crescimento econômico e populacional causou um aumento na demanda de energia, o que, por consequência, impulsionou o desenvolvimento e as melhorias de sistemas de energia renovável, e em especial no Brasil, da energia proveniente de painéis fotovoltaicos. Diante deste cenário, este artigo objetivou otimizar o sistema de geração de energia solar fotovoltaica de uma empresa com a finalidade de contribuir com a matriz energética e o desenvolvimento sustentável urbano pela aplicação da modelagem matemática e simulação com o uso do software MATLAB® (versão 2018), por meio da análise de dados meteorológicos e das especificações do sistema de módulos, por um período de 12 meses. No total, foram apresentadas três simulações que otimizaram o sistema instalado. No entanto, foi possível ressaltar o melhor modelo proposto, que resultou em 75.220 kWh/ano de geração de energia e proporcionou um ganho de geração de 2,35%, correspondente a 8,58 dias a mais de geração em relação ao sistema instalado. Portanto, a simulação computacional como ferramenta de otimização na geração de energia solar fotovoltaica mostrou ser uma prática de gestão de recursos eficaz aplicada no contexto urbano, de modo a contribuir para o atendimento dos objetivos do desenvolvimento sustentável da Agenda 2030.
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Referências
Adams, W. G., & Day, R. E. (1877). IX. The action of light on selenium. Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 167, 313-349. http://dx.doi.org/10.1098/rstl.1877.0009.
Altoé, L., Costa, J. M., Oliveira, D., Fo., Martinez, F. J. R., Ferrarez, A. H., & Viana, L. D. A. (2017). Políticas públicas de incentivo à eficiência energética. Estudos Avançados, 31(89), 285-297. http://dx.doi.org/10.1590/s0103-40142017.31890022.
Becquerel, M. E. (1839). Mémoire sur les effets électriques produits sous l'influence des rayons solaires (Vol. 9). Paris: l'Académie des sciences. Comptes rendus hebdomadaires des séances.
Boland, J., Scott, L., & Luther, M. (2001). Modelling the diffuse fraction of global solar radiation on a horizontal surface. Environmetrics, 12(2), 103-116. http://dx.doi.org/10.1002/1099-095X(200103)12:2<103:AID-ENV447>3.0.CO;2-2.
Canadian Solar Datasheet- CANADIAN. (2018). Recuperado em 30 de Janeiro de 2019, de https://www.canadiansolar.com/downloads/datasheets/v5.4/Canadian_Solar-Datasheet-.
Connolly, D., Lund, H., Mathiesen, B. V., & Leahy, M. (2010). A review of computer tools for analysing the integration of renewable energy into various energy systems. Applied Energy, 87(4), 1059-1082. http://dx.doi.org/10.1016/j.apenergy.2009.09.026.
Corcelli, F., Fiorentino, G., Petit-Boix, A., Rieradevall, J., & Gabarrell, X. (2019). Transforming rooftops into productive urban spaces in the Mediterranean. An LCA comparison of agri-urban production and photovoltaic energy generation. Resources, Conservation and Recycling, 144, 321-336. http://dx.doi.org/10.1016/j.resconrec.2019.01.040.
Costanzo, V., Yao, R., Essah, E., Shao, L., Shahrestani, M., Oliveira, A. C., Araz, M., Hepbasli, A., & Biyik, E. (2018). A method of strategic evaluation of energy performance of Building Integrated Photovoltaic in the urban context. Journal of Cleaner Production, 184, 82-91. http://dx.doi.org/10.1016/j.jclepro.2018.02.139.
Chapin, D. M., Fuller, C. S., & Pearson, G. L. (1954). A new silicon p‐n junction photocell for converting solar radiation into electrical power. Journal of Applied Physics, 25(5), 676-677. http://dx.doi.org/10.1063/1.1721711.
Dong, C. R., Wang, Y., Zhang, K., & Zeng, H. (2020). Halide perovskite materials as light harvesters for solar energy conversion. EnergyChem, 2, 100026. http://dx.doi.org/10.1016/j.enchem.2020.100026.
Empresa de Pesquisa Energética – EPE. (2018). Anuário Estatístico de Energia Elétrica 2018 no Ano Base de 2017. Rio de Janeiro: EPE. Recuperado em 19 de abril de 2020, de www.epe.gov.br
Erbs, D. G., Klein, S. A., & Duffie, J. A. (1982). Estimation of the diffuse radiation fraction for hourly, daily and monthly-average global radiation. Solar Energy, 28(4), 293-302. http://dx.doi.org/10.1016/0038-092X(82)90302-4.
Faria, H., Jr., Trigoso, F. B., & Cavalcanti, J. A. (2017). Review of distributed generation with photovoltaic grid connected systems in Brazil: challenges and prospects. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 75, 469-475. http://dx.doi.org/10.1016/j.rser.2016.10.076.
Fina, B., Auer, H., & Friedl, W. (2019). Profitability of PV sharing in energy communities: use cases for different settlement patterns. Energy, 189, 116148. http://dx.doi.org/10.1016/j.energy.2019.116148.
Fioravanti, R. D., & Lima, O. F., Jr. (2019). Modelo para análise ex ante de políticas de logística urbana baseadas em centros de distribuição urbanos: uma abordagem utilizando dinâmica de sistemas. urbe. Urbe. Revista Brasileira de Gestão Urbana, 11, e20170170. http://dx.doi.org/10.1590/2175-3369.011.002.AO03.
Green, M. A. (2019). How did solar cells get so cheap? Joule, 3(3), 631-633. http://dx.doi.org/10.1016/j.joule.2019.02.010.
Grondahl, L. O. (1933). The copper-cuprous-oxide rectifier and photoelectric cell. Reviews of Modern Physics, 5(2), 141. http://dx.doi.org/10.1103/RevModPhys.5.141.
Hay, J. E. (1978). Calculation if the solar radiation incident on inclined surfaces. In Proceedings first Canadian Solar Radiation Data Workshop. Toronto, Canada: Minister of Supply and Services Canada.
Ike, G. N., Usman, O., Alola, A. A., & Sarkodie, S. A. (2020). Environmental quality effects of income, energy prices and trade: the role of renewable energy consumption in G-7 countries. The Science of the Total Environment, 137813, 137813. http://dx.doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.137813. PMid:32197283.
Instituto Nacional de Meteorologia – INMET. (2019). Brasília, DF. Recuperado em 30 de Janeiro de 2019, de http://www.inmet.gov.br/.
Kaushika, N. D., Mishra, A., & Rai, A. K. (2018). Introduction to solar photovoltaic power. In N. D. Kaushika, A. Mishra, & A. K. Rai. Solar photovoltaics (pp. 1-14). Cham: Springer. https://doi.org/10.1007/978-3-319-72404-1_1.
Kavlak, G., McNerney, J., & Trancik, J. E. (2018). Evaluating the causes of cost reduction in photovoltaic modules. Energy Policy, 123, 700-710. http://dx.doi.org/10.1016/j.enpol.2018.08.015.
Kazmerski, L. L. (1997). Photovoltaics: a review of cell and module technologies. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 1(1-2), 71-170. http://dx.doi.org/10.1016/S1364-0321(97)00002-6.
Kojima, A., Teshima, K., Shirai, Y., & Miyasaka, T. (2009). Organometal halide perovskites as visible-light sensitizers for photovoltaic cells. Journal of the American Chemical Society, 131(17), 6050-6051. http://dx.doi.org/10.1021/ja809598r. PMid:19366264.
Kumar, N. M., Subathra, M. P., & Moses, J. E. (2018). On-grid solar photovoltaic system: components, design considerations, and case study. In Proceedings of the 2018 4th International Conference on Electrical Energy Systems (ICEES) (pp. 616-619). USA: IEEE. http://dx.doi.org/10.1109/ICEES.2018.8442403
Lange, B. (1930). New photoelectric cell. Zeitschrift fur Physik, 31, 139.
Lee, G. R., Frearson, L., & Rodden, P. (2011). An assessment of photovoltaic modelling software using real world performance data. In 26th European PV Solar Energy Conference (pp. 4339-4343). Hamburg, Germany: CCH. http://dx.doi.org/10.4229/26thEUPVSEC2011-5BV.2.47
Lima, L. C., Ferreira, L. A., & Morais, F. H. B. L. (2017). Performance analysis of a grid connected photovoltaic system in northeastern Brazil. Energy for Sustainable Development, 37, 79-85. http://dx.doi.org/10.1016/j.esd.2017.01.004.
Liu, B. Y. H., & Jordan, R. C. (1963). The long-term average performance of flat-plate solar-energy collectors: with design data for the US, its outlying possessions and Canada. Solar Energy, 7(2), 53-74. http://dx.doi.org/10.1016/0038-092X(63)90006-9.
Liu, J., Chen, X., Yang, H., & Li, Y. (2020). Energy storage and management system design optimization for a photovoltaic integrated low-energy building. Energy, 190, 116424. http://dx.doi.org/10.1016/j.energy.2019.116424.
Miguel, A., Bilbao, J., Aguiar, R., Kambezidis, H., & Negro, E. (2001). Diffuse solar irradiation model evaluation in the north Mediterranean belt area. Solar Energy, 70(2), 143-153. http://dx.doi.org/10.1016/S0038-092X(00)00135-3.
Mikhailova, M. P., Moiseev, K. D., & Yakovlev, Y. P. (2019). Discovery of III–V Semiconductors: Physical Properties and Application. Semiconductors, 53(3), 273-290. http://dx.doi.org/10.1134/S1063782619030126.
Mondol, J. D., Yohanis, Y. G., & Norton, B. (2007). Comparison of measured and predicted long term performance of grid a connected photovoltaic system. Energy Conversion and Management, 48(4), 1065-1080. http://dx.doi.org/10.1016/j.enconman.2006.10.021.
NASA POWER. (2018). NASA Predction of Wordwild Energy Resources. Recuperado em 30 de Janeiro de 2019, de https://power.larc.nasa.gov/docs/methodology/data/#solar.
Nejat, P., Jomehzadeh, F., Taheri, M. M., Gohari, M., & Majid, M. Z. A. (2015). A global review of energy consumption, CO2 emissions and policy in the residential sector (with an overview of the top ten CO2 emitting countries). Renewable & Sustainable Energy Reviews, 43, 843-862. http://dx.doi.org/10.1016/j.rser.2014.11.066.
Notton, G., Lazarov, V., & Stoyanov, L. (2010). Optimal sizing of a grid-connected PV system for various PV module technologies and inclinations, inverter efficiency characteristics and locations. Renewable Energy, 35(2), 541-554. http://dx.doi.org/10.1016/j.renene.2009.07.013.
Organização das Nações Unidas – ONU. (2015). Transformando nosso mundo: a agenda 2030 para o Desenvolvimento Sustentável (Trad. Centro de Informação das Nações Unidas para o Brasil (UNIC Rio)). New York: ONU. Recuperado em 30 de setembro de 2019, de www.agenda2030.com.br
Orgill, J. F., & Hollands, K. G. T. (1977). Correlation equation for hourly diffuse radiation on a horizontal surface. Solar Energy, 19(4), 357-359. http://dx.doi.org/10.1016/0038-092X(77)90006-8.
PYSOLAR. (2018). Pysolar Documentation. Recuperado em 01 de Fevereiro de 2020, de https://pysolar.readthedocs.io/en/latest/.
Reindl, D. T., Beckman, W. A., & Duffie, J. A. (1990). Evaluation of hourly tilted surface radiation models. Solar Energy, 45(1), 9-17. http://dx.doi.org/10.1016/0038-092X(90)90061-G.
Reynolds, D. C., Leies, G., Antes, L. L., & Marburger, R. E. (1954). Photovoltaic effect in cadmium sulfide. Physical Review, 96(2), 533. http://dx.doi.org/10.1103/PhysRev.96.533.
Richter, M., Kalisch, J., Schmidt, T., & Elke, L. (2015). Best practice guide on uncertainty in PV modelling. (Vol. 2). Oldenburg: University of Oldenburg.
Roberts, J. J., Zevallos, A. A. M., & Cassula, A. M. (2017). Assessment of photovoltaic performance models for system simulation. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 72, 1104-1123. http://dx.doi.org/10.1016/j.rser.2016.10.022.
Saidi, K., & Omri, A. (2020). The impact of renewable energy on carbon emissions and economic growth in 15 major renewable energy-consuming countries. Environmental Research, 109567, 109567. http://dx.doi.org/10.1016/j.envres.2020.109567. PMid:32361260.
Schottky, W. (1930). Cuprous oxide photoelectric cells. Zeitschrift fur Physik, 31, 913.
Solergo. (2018). Projeto de sistemas fotovoltaicos conectados à rede de distribuição ou isolados. Recuperado em 20 de fevereiro de 2019, de https://electrographics.com.br/wp-content/uploads/2016/03/SOLergo-BRA-2015.pdf.
Thevenard, D., & Pelland, S. (2013). Estimating the uncertainty in long-term photovoltaic yield predictions. Solar Energy, 91, 432-445. http://dx.doi.org/10.1016/j.solener.2011.05.006.
Tian, Y. Q., Davies-Colley, R. J., Gong, P., & Thorrold, B. W. (2001). Estimating solar radiation on slopes of arbitrary aspect. Agricultural and Forest Meteorology, 109(1), 67-74. http://dx.doi.org/10.1016/S0168-1923(01)00245-3.
Treble, F. C. (1980). Solar cells. IEE Proceedings A (Physical Science, Measurement and Instrumentation, Management and Education, Reviews), 127(8), 505-527. http://dx.doi.org/10.1049/ip-a-1.1980.0075.
Tsai, S. B., Yu, J., Ma, L., Luo, F., Zhou, J., Chen, Q., & Xu, L. (2018). A study on solving the production process problems of the photovoltaic cell industry. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 82, 3546-3553. http://dx.doi.org/10.1016/j.rser.2017.10.105.
Uzar, U. (2020). Political economy of renewable energy: does institutional quality make a difference in renewable energy consumption? Renewable Energy, 155, 591-603. http://dx.doi.org/10.1016/j.renene.2020.03.172.
Villalva, M. G., Gazoli, J. R., & Ruppert, E., Fo. (2009). Comprehensive approach to modeling and simulation of photovoltaic arrays. IEEE Transactions on Power Electronics, 24(5), 1198-1208. http://dx.doi.org/10.1109/TPEL.2009.2013862.
Woodall, J. M., & Hovel, H. J. (1972). High‐efficiency Ga1− xAl xAs–GaAs solar cells. Applied Physics Letters, 21(8), 379-381. http://dx.doi.org/10.1063/1.1654421.