Modelagem, simulação e desenvolvimento de protótipos de árvore solar fotovoltaica

Abstract

A energia solar fotovoltaica vem se destacando no contexto atual de geração de energia elétrica. Isso tem ocorrido, principalmente, em razão da crescente demanda da sociedade por energia, da busca pela diminuição dos impactos ambientais e da redução dos custos diretos e indiretos associados a essa tecnologia. Entretanto, para se instalar um sistema fotovoltaico plano e fixo, necessita-se de uma área livre de sombreamento. Esta, por sua vez, vem se tornando cada vez mais escassa, especialmente no meio urbano. Assim, introduz-se o conceito de árvore solar fotovoltaica, no qual geradores fotovoltaicos, em analogia às folhas de uma árvore, são posicionados em uma estrutura vertical similar à um tronco. Essa proposta de sistema fotovoltaico no formato de uma árvore busca a geração de energia elétrica em uma área ocupada reduzida, além de poder apresentar uma estética mais agradável e possibilitar um uso múltiplo do local. Desta forma, esta pesquisa buscou ampliar as discussões acerca desse tipo de sistema, apresentando uma revisão sobre árvore solar fotovoltaica com foco em modelagem, simulação, topologia, orientação dos geradores fotovoltaicos, características construtivas, rastreamento solar, área ocupada e uso múltiplo. As modelagens e simulações foram realizadas, considerando o sombreamento gerado entre células fotovoltaicas, para dois modelos de árvores, espiralada e conífera, de modo a determinar a radiação solar incidente nas células fotovoltaicas e, consequentemente, a melhor orientação para cada uma. Dentre os melhores resultados das simulações de árvore solar se destaca o modelo espiralado de 61 células que mostrou ser até 293,55% mais eficiente em termos de radiação solar incidente por unidade de área, do que o sistema plano e fixo de mesma área ocupada. Em seguida, foram projetados e construídos protótipos de árvores solares fotovoltaicas com o intuito de validar as simulações. Concluiu-se que o modelo de árvore solar espiralada tende a ser melhor quando o objetivo é maximizar o ganho de energia por área, enquanto a conífera se destacou por apresentar menores perdas de radiação solar por sombreamento, quando comparada com as árvores de modelo espiralada. Porém, ao comparar os protótipos de árvores solares com o de um sistema fotovoltaico plano e fixo, foi verificado que este último foi o mais eficiente na geração de energia elétrica estimada por célula fotovoltaica. Os resultados experimentais corroboraram os simulados na sua tendência em apontar quais foram os protótipos mais eficientes, mas não em termos de valores numéricos. Frisando-se que os resultados experimentais se referem a cálculos de estimativas feitas da geração de energia elétrica, a partir de valores medidos, e os valores simulados foram feitos para radiação solar anual incidente nos geradores das árvores. Palavras-chave: Energia renovável. Orientação de geradores fotovoltaicos. Uso múltiplo de sistemas fotovoltaicos. Geração de energia elétrica.

Photovoltaic solar energy has been standing out in the current context of electricity generation. This has been mainly due to society's growing demand for energy, the quest to reduce environmental impacts and the reduction of direct and indirect costs associated with this technology. However, to install a flat and fixed photovoltaic system, a shading-free area is needed. This, in turn, has become increasingly scarce, especially in urban areas. Thus, the concept of photovoltaic solar tree is introduced, in which photovoltaic generators, in reference to the leaves of a tree, are positioned in a vertical structure similar to a trunk. The proposal for a photovoltaic system in the shape of a tree seeks to generate electricity in a reduced occupied area, in addition to being able to present a more pleasant aesthetic and enable multiple use of the site. Thus, this research sought to broaden the discussions about this type of system, presenting a review on photovoltaic solar tree focusing on modeling, simulation, topology, orientation of photovoltaic generators, constructive characteristics, solar tracking, occupied area, and multiple use. The modeling and simulations were carried out, considering the shading generated between photovoltaic cells, for two tree models, spiral and coniferous, to determine the incident solar radiation on the photovoltaic cells and, consequently, the best orientation for each one. Among the best results of the solar tree simulations, the 61-cell spiral model stands out, which proved to be up to 293.55% more efficient in terms of absorbed radiation per unit area, than the flat and fixed system of the same area. Then, prototypes of photovoltaic solar trees were designed and built-in order to validate the simulations. It was concluded that the spiral solar tree model tends to be better when the objective is to maximize the energy gain per area, while the conifer stood out for presenting smaller losses of solar radiation due to shading, when compared to the spiral model tree. However, when comparing the prototypes of solar trees with that of a flat and fixed photovoltaic system, it was found that the latter was the most efficient in generating estimated electrical energy by photovoltaic cell. The experimental results corroborated the simulated ones in their tendency to point out which were the most efficient prototypes, but not in terms of numerical values. Emphasizing that the experimental results refer to calculations of estimates made of electric energy generation, from measured values, and the simulated values were made for annual solar radiation incident on the tree generators. Keywords: Renewable energy. Photovoltaic generators orientation. Multiple use of photovoltaic systems. Electrical energy generation.