ESTADO ACTUAL Y PERSPECTIVAS DE LA TECNOLOGÍA FOTOVOLTAICA

Eduardo LorenzoInstituto de Energia Solar

Universidade Politécnica de Madrid

O FOTOVOLTAICO DESENFREADOSurpresa, Evolução, Adivinhação

Eduardo LorenzoInstituto de Energia Solar

Universidade Politécnica de Madrid

ATO I: Surpresa

“..o campo do possível é muito mais amplo do que imaginamos…”

O que é isso companheiro (Cap. 15)Fernando Gabeira

O advento do fotovoltaico...

- A potencia fotovoltaica instalada no Mundo em 2017 chegou a 100 GW

- A tecnologia fotovoltaica já é a primeira na instalação de nova potencia eléctrica no Mundo

- A fabricação de células fotovoltaicas é a maior consumidora mundial de prata

- Em uma década, de 2007 até 2017, o preço dos sistemas fotovoltaicos baixou 85% (de 5$/Wp a < 0,8$/Wp) e o seu mercado se multiplicou por mais de 15 (de 6,6 GW/ano a >100 GW/ano)

- O incremento da capacidade de fabricação anunciado em 2017 é de 60 GW. Os planos são chegar a 200 GW/ano em 2020.

“Electricidad solar” (E. Lorenzo, 1994)(A produção mundial em 1990 fora de 0,048 GW)

- Cenário otimista para 2015 2,3 GW/ano(Representava 48 veces a produção de 1994)- Produção real em 2015 50 GW /ano (¡1000 vezes mais que a produção em 1990, ou 22 vezes mais que a minha previsão!)

RIGES (A Renewables- Intensive Global Energy Scenario)Elaborado pela ONU como input para A Conferencia de Rio em1992)

“Althought flat-plate systems using crystalline materials can capture significant nichee markets in the near term, it appears that majorcost reductions will be achieved over the long term only with thin-film materials or concentrators” (pg. 327)

...esta indo muito além das previsões feitas poucos anos atrás

ATO II: Evolução

“Alguns órgãos hoje considerados insignificantes tiveram provavelmente, em alguns casos, uma grande importância para um antepassado remoto”

A Origem das EspéciesCharles Darwin

Delicioso em si, entretanto, é um termo fraco

para expressar os sentimentos de um

naturalista, que pela primeira vez, passeou

sozinho em uma floresta brasileira. A elegância

da coberta do solo, a novidade das plantas

parasitas, a beleza das flores, o verde brilhante da

folhagem, mas, sobretudo, a vegetação luxuriante

me encheram de admiração. (...) Para uma pessoa

que aprecia história natural, um dia como este

gera um profundo prazer que não se pode ter

esperança de vivenciar outra vez.”

Viagem de um Naturista ao Redor do Mundo

Charles Darwin

Peculiaridades da tecnologia fotovoltaica

- É muito confiável

- Não necessita de agua

- A radiação solar é ubíqua

- O grosso dos materiais (silício, vidro, ferro, alumínio….) são abundantes e pouco contaminantes

- A instalação é muito rápida

- A relação superfície/volume é independente da potencia

Geradores elétricos: tamanho e eficiência

Em geral:Potencia e trabalho dependem do volume (R2)Investimento e perdas dependem da superfície (R)

Quanto maior é um gerador elétrico convencional, menor é a sua relaçãosuperfície/volume (1/R) e por isso a tendência a ser mais barato e também maiseficiente.

Geradores elétricos: tamanho e eficiência

Em geral:Potencia e trabalho dependem do volume (R2)Investimento e perdas dependem da superfície (R)

Quanto maior é um gerador elétrico convencional, menor é a sua relaçãosuperfície/volume (1/R) e por isso a tendência a ser mais barato e também maiseficiente.

Os geradores fotovoltaicos são uma exceção: sua relação superfície/volumeé independente do tamanho. Assim:- O mercado fotovoltaico evoluiu começando com sistemas muitopequenos e ampliando a diversidade.- Qualquer um pode converter-se em “companhia elétrica”

A árvore evolutiva fotovoltaica

O preço é a chave que abre as portas de cada novo segmentoA confiabilidade é o agente de seleção

A árvore evolutiva fotovoltaica

O preço é a chave que abre as portas de cada novo segmentoA confiabilidade é o agente de seleção

Era espacial

1973 “Solar Power Corporation”. Berman convence a Exxon. Silício rejeitado da microeletrônica.Encapsulado em fibra de vidro e silicone. 40 $USA/WpBoias marinhas, plataformas de gás e petróleo, e proteção catódica

1958 Lançamento dos Sputnik e Vanguard (6 células, 1W)

1955 Alimentação de um amplificador de um telefono rural emGeorgia (USA). 300 $USA/Wp

1954 The “Bell Solar Battery”; Chapin, Pearson e Calvin

esp

acia

l

Era terrestre, aplicações isoladas

1990 PRS (620 bomba d’água no Sahel)Produção mundial 48 MW

1989 Programa dos 1000 telhados na Alemanha

1985 Central de 100 kW em San Agustin de Guadalix

1983 Produção na Espanha (Isofotón)Produção mundial 21,7 MW (USA/China 60%/0%)ARCO SOLAR produze 6 MW

1981 Produção no Brasil (Heliodinámica)Produção no Japão (Sharp)

1980 Primeiras moradias “rurais” na Espanha, no Brasil e no Taiti

1979 Produção na Francia (Photowatt)Bombeamento de agua “Mali Accua Viva”

1976 Primer repetidor de telecomunicaçãoPrimeira bomba d’água em Córsega Fundação de ARCO SOLAR

rural

Apontamentos para uma historia fotovoltaica do Brasil

Finais dos 70 Primeiras moradias rurais1980 Produção nacional de lingotes, células e módulos (Heliodinamica)1987 Tese de doutorado de Arno Krenzinger1993 Teses de doutorado de Roberto Zilles, Mario Macagnan e Jaqueline Coppeti1994 PRODEEM (Decreto presidencial 22/12/19941995 Os sistemas fotovoltaicos para eletrificação rural passam a fazer parte da

carta de oferta das distribuidoras (ANEEL 83/2004)2012 Geração distribuída conectada a rede em regime de compensação

(Balanço neto) (ANEEL 482/2012)

Heliodinamica

Do álbum das lembranças

1982

1987

1993

A sucessão das tecnologias renováveis

Tecnologia Densidade de potencia (W/m2)

Abundancia

Hidráulica (1) 4000 POUCA

Eólica (2) 380 REGULAR

Fotovoltaica (3) 150 MUITA

(1) Queda de água de 20 m de altura; turbina com eficiência de 100%(2) Vento de 12 m/s; turbina com eficiência de 50%(3) Irradiancia de 1000 W/m2; eficiência de 15%

Ato III: Adivinhação

O conhecimento não tem valor real se apenas me dizem o que aconteceu ontem…temos que dizer o que acontecerá amanhã

O Significado de TudoRichard P. Feynman

Transição lenta:

-As realimentações mantem controlado o sistema

-As projeções temporais sempre apontam para o estado final

-Não há sobressaltos

Estado atual

Estado seguinte

tempo

O assunto das transições - 1

Transição rápida:

-As realimentações não conseguem controlar o sistema

-As projeções temporais não apontam para o estado final

-Os sobressaltos são contínuos

Estado atual

Estado seguinte

tempo

O assunto das transições - 2

A tecnologia das células e módulo fotovoltaicos

O silício cristalino mantem a predominância e a eficiência evolui de 16 -17% para 22-24%

- A célula PERC (Passivated Emitter and Rear Cell)

Passivação (SiNx:H; PECVD)Abertura de janelasBSF (Serigrafia com Al, 600oC)

BSF (Serigrafia com Al, 600oC)

Outros desenvolvimentos na tecnologia de células e módulos

Standard Avançada Vantagem

Multicristalino Monocristalino Menos defeitosMenos contaminantes (segregação)

Tipo p Tipo n Não contem BoroMenor atividade de outras impurezas

3 BB 4 – 5 BB Menor Rs (menor I2R)Menor propensão a fissuras

Células inteiras Medias Menor I (menor I2R)

Contato F e P Ambos contatos P Reduz o sombreado na cara FAumenta o empaquetamentoCélula IBC

Passivação com SiNx:H Passivação com a-Si:H e capa de ITO

Célula HIT

Vidro e polímero Vidro-vidro ¿durabilidade?Elimina o marco

Monofacial Bifacial Incrementa a irradiancia incidente

O atual módulo de 320 W (2 m2, 72 células) pode chegar a 380 W

eficiência

tempo e complexidade

custo

hoje

A fabricação de células ficara muito concentrada

Absorver incrementos significativos de complexidade com ganhos de eficiência relativamente baixos exige fabricação massiva

Conexão a rede

- A potencia fotovoltaica instalada atualmente pode multiplicar-se por 6 sem afrontar restrições técnicas relevantes.

- Para a eletricidade fotovoltaica ser despachável diariamente, deve associar acumulação a menos de 100 $USA/Wp.

Conexão a rede

- A potencia fotovoltaica instalada atualmente pode multiplicar-se por 6 sem afrontar restrições técnicas relevantes.

- Para a eletricidade fotovoltaica ser despachável diariamente, deve associar acumulação a menos de 100 $USA/Wp.

Centralizada:- Módulos de 320 a 380 W; VDC de 1000 a 1500 V; estações de potencia de 3-5 MW- Ritmo de instalação de até 100 MW/mês- O&M (sujeira < 2%) - Potencial de redução de custos (≈ 20% → PPAs < 3 c$USA/kWh)- Pouca novidade organizativa

Conexão a rede

- A potencia fotovoltaica instalada atualmente pode multiplicar-se por 6 sem afrontar restrições técnicas relevantes.

- Para a eletricidade fotovoltaica ser despachável diariamente, deve associar acumulação a menos de 100 USA$/Wp.

Centralizada:- Módulos de 320 a 380 W; VDC de 1000 a 1500 V; estações de potencia de 3-5 MW- Ritmo de instalação de até 100 MW/mês- O&M (sujeira < 2%) - Potencial de redução de custos (≈ 20% → PPAs < 3 c$USA/kWh)- Pouca novidade organizativa

- CENTRAIS FLUTUANTES: ?- Protótipos em funcionamento hasta um total de 200 MW

- Muitas duvidas a respeito do preço, manutenção e durabilidade

Conexão a rede

- A potencia fotovoltaica instalada atualmente pode multiplicar-se por 6 sem afrontar restrições técnicas relevantes.

- Para a eletricidade fotovoltaica ser despachável diariamente, deve associar acumulação a menos de 100 USA$/Wp.

Descentralizada:- Módulos de 320 a 380 W- Muita aderência ao ambiente local (proprietários, instaladores)- Muita novidade organizativa- O “net-metering” equivale a custo de armazenamento nulo, e é por isso que esta

modalidade é forçosamente transitória.

Hibridação diesel – fotovoltaico

- Custos de geração: com diesel 0,3$USA/kWh; com fotovoltaico < 0,1$USA/kWh- Mercado potencial para hibridação fotovoltaica > 200 GW

Hibridação diesel – fotovoltaico

- Custos de geração: com diesel 0,3$USA/kWh; com fotovoltaico < 0,1$USA/kWh- Mercado potencial para hibridação fotovoltaica > 200 GW

- Dificuldade técnica derivada do “passagem de nuvem”

Obriga a manter potencia de reserva bem rodante (diesel com baixo carregamento) ou estática (bateria de acumulação)

Hibridação diesel – fotovoltaico

- Custos de geração: com diesel 0,3$USA/kWh; com fotovoltaico < 0,1$USA/kWh- Mercado potencial para hibridação fotovoltaica > 200 GW

O caso do Brasil:- 300 sistemas isolados com diesel no sistema elétrico (muitos na Amazônia)- 2 GW / Consumo de diesel em 2016 > 600 milhões de litros- Subsidiados pelo Governo Federal através da Conta de Consumo de Combustível- Ley Nº12,119/2009; Resoluções normativas 427/2011 e 482/2012- A retribuição aos operadores é inversamente proporcional ao consumo específicodos geradores a diesel (litros/kWh)

El País, 8 de abril de 2018

Experimento limpio

El laboratorio de Noronha

…Iberdrola, en colaboración con las autoridades, ha elegido el lugar como lo que llama su laboratorio de energías alternativas en Brasil. Ha construido ya dos centrales solares……

Fernando de Noronha sem fotovoltaico

- 17 km2; ≈ 3000 pessoas; - Usina diesel com P = 6 MW ( 5 geradores); 4,2 milhões de litros/ano- Em 2015 se instalam 0,4 MW + 0,6 MW

Fernando de Noronha sem fotovoltaico

Dois geradores atendem a carga e seu carregamento se mantem entre 60 e 80%, o que permite um funcionamento estável e um consumo específico baixo

Fernando de Noronha com 0,4 MW

Dois geradores atendem a carga e seu carregamento se mantem entre o 60 e 80%, o que permite um funcionamento estável e um consumo específico baixo .

O fotovoltaico reduz o consumo total de diesel em 4% anual (≈ 180 mil litros)

Redução do carregamento

Fernando de Noronha com 1 MW

Dois geradores atendem a carga e seu carregamento se mantem entre 50 e 80%, o que permite um funcionamento estável.

O fotovoltaico reduz o consumo total de diesel, mas incrementa o consumo específico. No marco regulatório atual, isto reduz a retribuição o operador

Não se pode prescindir de um gerador a diesel pelo passagem de nuvem (sem bateria)

Fernando de Noronha

- Proposta a ANEEL para modificação do calculo do consumo específico em sistemas híbridos:

- Atual: litros/Ediesel- Proposta: litros/Etotal

- Penetração fotovoltaica sem acumulação: 50% da potencia consumida no meio-dia

Irrigação de grandes superfícies, inclusive a pressão constante

- O caso de Alter do Chao: 200 Ha de oliveiras em cultivo intensivo

- Sistema preexistente

- Irrigação a 5 kg/cm2 durante 6 meses e 14 horas por dia

- 2 bombas de 45 kW (D1 y D2) alimentadas por um gerador diesel de 250 kVA

- Consumo: 3000 litros/semana

Irrigação de grandes superfícies, inclusive a pressão constante

- O caso de Alter do Chao: 200 Ha de oliveiras em cultivo intensivo

- Sistema preexistente

- Irrigação a 5 kg/cm2 durante 6 meses e 14 horas por dia

- 2 bombas de 45 kW (D1 y D2) alimentadas por um gerador diesel de 250 kVA

- Consumo: 3000 litros/semana

- Sistema fotovoltaico incorporado em 2016

- Bomba adicional (FV1) de 45 kW

- Gerador de 140 kW (3000 m2 de terreno, ou 0,15%) para D2 e bomba adicional

Control automático de modos de operación

Irradiancia D1 D2 FV1

Baja Diesel Diesel NA

Media Diesel N.A Fotov.

Alta NA Fotov. Fotov.

- Redução de diesel ≈ 80 % (ou 50.000 litros/ano), TIR ≈ 6 anos

Irrigação de grandes superfícies, inclusive a pressão constante

Irrigação de grandes superfícies, inclusive a pressão constante3 Bombas centrigufas de superficie multi-rodete

MEC-MR 100/2D - 225M4-45 de 45 kW 4P 1450 rpm

Sistema FV 1

(cambiar por motor hidraulico)

Suministro eléctrico Aux. - Sistema Aislado FV 1

Listado cargas Sistema FV1

1 x Cuadro multifila -250 W Ac Paneles 1000 Wp 4x250

Cuadro variador RX Regulador 50 A 24V

Modem -router Batería 24 V 600 Ah

Anemómetro Inversor 24 V - 3000 W

Portátiles trabajo

Alarma seguidores Consumo día: 2,5 kWh

Alumbrado y control

Finca ELAIA : São BernabéSISTEMA DE BOMBEO HIBRIDO FOTOVOLTAICO -DIESEL

Balsa Comunitaria (infinito)2 Bombas sumergiblesHorizontales de 60 CV -- 70 l/s

Grupo Diesel 250 kVATrazado 2 km Cota : + 20 metros

Variador RX -3 55 kW

Motor400 V - 4P

45 KW

Motor400 V - 4P

45 kW

Motor400 V - 4P

45 kW

P =6 bar

Q

Sistema de filtrado con lavado automático

M

Depósitos

Fertilizantes

Depósito Superficie 350 m3Nivel +2 mca

Grupo Electrógeno

FV - 1 (70 kWp) 3,5 seguidores

ManómetroTransductor de Presión

PLC RX

400 V AC

(3F+N)

P =6 bar + filtro

Caudalimetro Pulsos

Q = 210 ..245 m3/h

Programador Riego

Progress (Agronic 4000)

30 Electroválvulas

zonificación riego

Zona -

Electroválvula 1

Zona -Electroválvula 2

Zona -

Electroválvula 30

Zona -

Electroválvula 30Grupo Electrógeno

1

1

1

FV - 2 (70 kWp) 3,5 seguidores

Bus común Variador RX -2 55 kW

Variador 55 kW

Conmutación AUT FV-DIESEL

Arrancador suave 55 kW

Bomba 3

Bomba 2

Bomba 1

G = xx W/m2Tamb ºC

HMIScada

10

1

2

C.Prot

FV1

C.Prot

FV2

Filtro AC

(ampliación de circuito)

Mais informação: www.maslowaten.eu

Lugar Latitud(oS) 2 ejes 1e-hor (15o) 1e-polar est

Belem 1,5 1,32 1,29 1,29 1

S. Paulo 23,5 1,34 1,26 (1,30) 1,12 1,05

Florianópolis 27,8 1,42 1,32 (1,40) 1,14 1,07

Porto Alegre 30 1,46 1,34 (1,37) 1,14 1,08

CBENS 2008 em Florianópolis

Se eu fosse brasileiro tentaria o desenvolvimento industrial de seguidores de um eixo horizontal

CBENS 2018 em Gramado

Se eu fosse brasileiro tentaria o desenvolvimento industrial de sistemas híbridos e de irrigação

CBENS 2018 em Gramado

Se eu fosse brasileiro tentaria o desenvolvimento industrial de sistemas híbridos e de irrigação

Muito obrigado pela atenção