Simulação computacional como ferramenta de otimização na geração de energia solar fotovoltaica

Hugo Eiji Imai, Lucas Farinha Bósio, Adriano Aparecido Da Silva Junior, Lilian Keylla Berto, Natália Ueda Yamaguchi, Luciana Cristina Soto Herek Rezende

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.


Palavras-chave


Desenvolvimento sustentável, Energia renovável, Modelagem matemática.

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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.


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