GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA ATRAVÉS DA LUZ SOLAR...
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UNIVERSIDADE SÃO FRANCISCO Curso de Engenharia Elétrica ANDERSON PEREIRA DA SILVA GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA ATRAVÉS DA LUZ SOLAR PARA RESIDÊNCIAS Campinas 2010
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UNIVERSIDADE SÃO FRANCISCO
Curso de Engenharia Elétrica
ANDERSON PEREIRA DA SILVA
GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA ATRAVÉS DA LUZ SOLAR PARA RESIDÊNCIAS
Campinas 2010
i
ANDERSON PEREIRA DA SILVA – R.A. 004200600402
GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA ATRAVÉS DA LUZ SOLAR PARA RESIDÊNCIAS
Monografia apresentada ao Curso de
Engenharia Elétrica – Modalidade Elétrica
da Universidade São Francisco, como
requisito parcial para obtenção do título de
Bacharel em Engenharia Elétrica.
Orientador: Prof. D.r. Geraldo Peres
Caixeta
Campinas 2010
ii
ANDERSON PEREIRA DA SILVA
GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA ATRAVÉS DA LUZ SOLAR PARA RESIDÊNCIAS
Monografia apresentada ao Curso de
Engenharia Elétrica – Modalidade Elétrica
da Universidade São Francisco, como
requisito parcial para obtenção do título de
Bacharel em Engenharia Elétrica.
Data de aprovação: ___ / ___ / ___
Banca examinadora:
_________________________________________________________
Prof. Dr. Geraldo Peres Caixeta (Orientador) Universidade São Francisco
_________________________________________________________
Prof. MSc Marcos Antônio Benê Sanches (Examinador) Universidade São Francisco
_________________________________________________________
Profa. Dra. Natache do Socorro Dias Arrifano (Examinadora) Universidade São Francisco
iii
Dedico este trabalho ao meu pai
Acacio, pessoa com quem cresci observando,
aprendendo virtudes essenciais na vida digna
de um homem.
iv
AGRADECIMENTOS
Agradeço a Deus por ter completado mais este ciclo profissional e pessoal, pelas
conquistas de tantas vitórias presenteadas com esta vida, agradeço a minha família; a minha
mãe Maria pelos vários pedidos de silêncio em casa para que eu pudesse estudar nos finais de
semana, o que me ajudou muito por isso jamais esquecerei; aos meus irmãos (Leandro,
Vanessa, Elaine) pelo apoio e incentivos necessários a continuar quando tudo parecia difícil e
o caminho mais fácil era o de desistir.
Agradeço a minha namorada Sara pelo incentivo, e a compreensão dos vários
momentos distantes aplicados aos estudos, fazendo com que hoje a conclusão de um sonho
fosse possível.
Obrigado ao Professor Geraldo Peres Caixeta pela orientação deste trabalho e a todos
os professores do curso de Engenharia Elétrica da Universidade São Francisco, que foram
fundamentais na formação profissional e pessoal dos formandos do ano de 2010.
Agradeço também aos colegas de classe, colegas da Universidade, indispensáveis na
caminhada de cinco anos de estudos, unindo conhecimentos, discutindo temas, formando
opiniões, apoiando um ao outro na conquista deste objetivo, construindo uma relação de
amizade e companheirismo na hora dos estudos e também nos momentos de diversão extra
classe.
v
“O que me assusta não é o grito dos violentos, mas o silêncio dos bons.”
Benjamin Franklin
vi
RESUMO
O avanço da tecnologia, com o crescimento anual dos países, está gerando um aumento de consumo de energia que é fundamental para este processo de evolução; porém os recursos estão cada vez mais escassos fazendo com que o homem procure meios que possam sanar a defasagem que já acontece em vários países. Nos tempos de hoje a preservação do meio ambiente e o conceito de crescimento sustentável abre portas para geração de energia através de Fontes Renováveis, obtidas de fontes naturais capazes de se regenerar, consideradas virtualmente inesgotáveis, até então pouco exploradas. Dentre as Fontes Renováveis de Energia está o Sol, fonte de luz que pode ser aproveitada para geração de eletricidade em processos variados de transformação. Este trabalho aborda a geração de energia elétrica através da luz solar para residências, através de sistemas fotovoltaicos, como meio de geração descentralizada alternativa para os problemas de fornecimento que o Brasil deve enfrentar em alguns anos, segundo dados do Plano Nacional de Energia 2030, PNE 2030, (MME, 2009); a geração descentralizada pode fazer com que os consumidores de energia possam ser também fornecedores, conectando seus sistemas isolados na rede elétrica de distribuição local, excluindo a necessidade da criação de grandes sistemas de transmisão e distribuição, consequentemente diminuindo as perdas consideráveis que este sistema oferece, pois a geração está proxima ao ponto de consumo, onde há maior demanda de energia a ser utilizada. Palavras – chave: Fontes renováveis. Energia solar. Geração fotovaltaica
vii
ABSTRACT
The advancement of technology, with annual growth of countries, is generating an increased consumption of energy is fundamental to this process of evolution, but resources are increasingly scarce making the man look for ways that can remedy the gap that already happening in many countries. Nowadays to preserve the environment and the concept of sustainable growth open the doors for power generation through renewable sources, obtained from natural sources able to regenerate itself, considered virtually inexhaustible, so far little explored. Among the renewable sources of energy is the sun, source of light that can be harnessed to generate electricity in different processes of transformation. This paper addresses the generation of electricity via sunlight to residential homes through photovoltaic systems as a means of generating alternative for decentralized supply problems that Brazil has to face in a few years, according to the National Energy Plan 2030, PNE 2030 (MME, 2009); Decentralized generation could cause consumers of energy may also be suppliers, connecting isolated systems in their local distribution grid, excluding the need for the creation of large means the transmission and distribution systems, thus reducing the losses that this system offers, for the next generation is the point of consumption where there is greater demand for energy to be used. Keywords: Renewable sources. Solar energy. Generation photovoltaic.
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LISTA DE ILUSTRAÇÕES
FIGURA 1 – Matriz de energia elétrica no Brasil para o ano de 2009 (% e TWh)
................................................................................................................. 16
FIGURA 2 – Diferentes segmentos da tecnologia FV ................................................. 18
FIGURA 3 – Protótipo termo-solar do Laboratório Nacional Sandia, EUA ............... 25
FIGURA 4 – Central Solar termo-elétrica PS10 localizada em Sevilha, Espanha ...... 26
FIGURA 5 – Efeito fotovoltaico em uma célula ......................................................... 27
FIGURA 6 – Célula fotovoltaica e Módulo fotovoltaico ............................................ 27
FIGURA 7 – Painel fotovoltaico ................................................................................. 28
FIGURA 8 – Curvas elétricas de um dispositivo fotovoltaico .................................... 29
FIGURA 9 – Tensão e Corrente com variação de radiação em um dispositivo
Fotovoltaico ........................................................................................... 30
FIGURA 10 – Variação de tensão com aumento da temperatura ................................. 31
FIGURA 11 – Curva caracteristica de saida I-V de um modulo fotovoltaico .............. 32
FIGURA 12 – Curva caracteristica de potência ao longo do dia .................................. 32
FIGURA 13 – Diagrama esquemático de sistema fotovoltaico isolado ........................ 33
FIGURA 14 – Estruturação de mini rede isolada ......................................................... 46
FIGURA 15 – Mapa com as comunidades isoladas na Ilha do Cardoso ...................... 47
FIGURA 16 – Modelo de estrutura de instalação utilizada na Elektro, medidas em
milímetros ............................................................................................. 49
FIGURA 17 – Instalação de um sistema fotovoltaico isolado na comunidade de
Marujá .................................................................................................... 49
FIGURA 18 – Instalação de um sistema fotovoltaico escolar na comunidade de
Marujá .................................................................................................... 50
FIGURA 19 – Diagrama esquemático de sistema fotovoltaico conectado à rede
Elétrica .................................................................................................. 51
FIGURA 20 – Central Solar Fotovoltaica de Amareleja (Moura), Portugal ................ 52
FIGURA 21 – Exemplo de um sistema fotovoltaico distribuído conectado à rede
elétrica ................................................................................................... 53
FIGURA 22 – Esquema de um sistema fotovoltaico residencial conectado à rede elétrica
ix
Convencional ........................................................................................ 53
FIGURA 23 – Potência acumulada instalada de sistemas fotovoltaicos em países
no mundo conectados ou não à rede elétrica, em MW
(1992–2009) ........................................................................................... 55
x
LISTA DE TABELAS
TABELA 1 – Cargas em corrente contínua .................................................................. 35 TABELA 2 – Cargas em corrente alternada ................................................................. 36 TABELA 3 – Radiação solar no Brasil em KWh/ m2 .................................................. 37 TABELA 3 – Radiação solar no Brasil em KWh/ m2 .................................................. 38 TABELA 3 – Radiação solar no Brasil em KWh/ m2 .................................................. 39 TABELA 3 – Radiação solar no Brasil em KWh/ m2 .................................................. 40 TABELA 3 – Radiação solar no Brasil em KWh/ m2 .................................................. 41 TABELA 3 – Radiação solar no Brasil em KWh/ m2 .................................................. 42 TABELA 3 – Radiação solar no Brasil em KWh/ m2 .................................................. 43 TABELA 4 – Demanda em Ah/dia de cada família ..................................................... 48 TABELA 5 – Capacidade instalada de sistemas fotovoltaicos e potencial solar
na Alemanha, Espanha e Brasil ............................................................. 56 TABELA 6 – Tarifas médias de eletricidade no Brasil (2009) .................................... 57 TABELA 7 – Preço de Kits fotovoltaicos conectados à rede pela Solenerg ............... 57
xi
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ANEEL Agencia Nacional de Energia Eletrica
Ah Ampére hora
Ah/dia Ampére hora por dia
CA Corrente Alternada
CC Corrente Contínua
CEPEL Centro de Pesquisa de Energia Elétrica
CPFL Companhia Paulista de Força e Luz
CO2 Dióxido de Carbono
CRESESB Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental
EFCR Edificação Fotovoltaica Conectada à Rede
ELETROBRAS Centrais Elétricas Brasileiras S.A
EPE Empresa de Pesquisa Energética
FRE Fonte Renovável de Energia
FV Fotovoltaico
GLD Gerenciamento pelo Lado da Demanda
GWp Giga Watt pico
IEA International Energy Agency
IEA-PVPS International Energy Agency Photovoltaic Power Systems
INPE Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais
KWh/mês Kilo Watt hora por mês
KWh/m2 Kilo Watt hora por metro quadrado
MJ/m2 Mega Joule por metro quadrado
MME Ministério de Minas e Energia
MW Mega Watt
MWh Mega Watt hora
MWp Mega Watt pico
PNE Plano Nacional de Energia
SFCR Sistema Fotovoltaico Conectado à Rede
SIGFI Sistemas Individuais de Geração com Fontes Intermitentes
xii
TWh Tera Watt hora
T&D Transmissão e Distribuição
Vca Tensão em corrente alternada
Vcc Tensão em corrente contínua
Wh Watt hora
Wh/d Watt hora por dia
Wp Watt pico
xiii
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ................................................................................................ 15
2 OBJETIVOS ..................................................................................................... 20
3 METODOLOGIA ............................................................................................ 21
4 A ENERGIA SOLAR ...................................................................................... 22
4.1 A Energia Solar no Brasil ............................................................................. 22
5 PROCESSOS DE CONVERSÃO NA GERAÇÃO DE ELETRICIDADE
ATRAVÉS DA ENERGIA SOLAR ..................................................................
24
5.1 Conversão Indireta por Concentração de Energia Solar .......................... 24
5.2 Conversão Direta por Módulos Fotovoltaicos ............................................ 26
5.2.1 Sistemas Fotovoltaicos ................................................................................. 26
5.2.2 Curvas Características dos Módulos Fotovoltaicos ..................................... 28
5.2.3 Efeito da Intensidade de Radiação Solar no Módulo Fotovoltaico .............. 30
5.2.4 Efeito da Temperatura .............................................................................. 30
5.2.5 Interação do Dispositivo Fotovoltaico com a Carga ............................... 31
6 GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA ATRAVÉS DE SISTEMAS
FOTOVOLTAICOS ISOLADOS ......................................................................
33
6.1 Dados Necessários para Dimensionar um Sistema Isolado ....................... 34
6.2 Cálculo do Número de Módulos Necessários .............................................. 37
6.3 Cálculo do Banco de Baterias ...................................................................... 44
7 PROGRAMA NACIONAL LUZ PARA TODOS ......................................... 46
7.1 Eletricidade em Comunidades Isoladas Sob Concessão da Elektro S/A .. 47
7.2 Dimensionamento das Instalações ............................................................... 48
8 GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA ATRAVÉS DE SISTEMAS
FOTOVOLTAICOS CONECTADOS À REDE ELETRICA ........................
51
8.1 Sistemas Conectados à Rede no Mundo ...................................................... 55
xiv
8.2 Sistemas Conectados à Rede no Brasil ........................................................ 56
8.2.1 Preço Médio da Geração Fotovoltaica Conectada à Rede Elétrica .............. 57
8.3 Postura da ANEEL ....................................................................................... 58
8.4 Nacionalização de Produtos Fotovoltaicos .................................................. 59
9 CONSIDERAÇÕES FINAS ............................................................................ 61
10 REFERÊNCIAS ............................................................................................. 62
15
1 INTRODUÇÃO
Fonte renovável de energia (FRE) são aquelas obtidas de fontes naturais capazes de se
regenerar, consideradas virtualmente inesgotáveis, diferentes dos recursos não-renováveis
considerados limitados e finitos, as FREs são conhecidas pela imensa quantidade de energia
que contêm, podendo ser recuperada facilmente. Dentre elas podemos destacar:
A energia Hídrica é aquela que utiliza a força cinética das águas de um rio; a energia
Biomassa é proveniente da combustão de produtos e resíduos orgânicos; a energia Eólica é
obtida através dos ventos; a energia retirada do Hidrogênio elemento abundante na natureza;
a energia Geotérmica proveniente do calor da Terra; a energia Maremotriz e obtida através
das ondas de mares e oceanos; a energia Solar adquirida pelo Sol, em sentido amplo,
podemos considerar que praticamente toda a energia consumida pelo homem em nosso
planeta tem como sua fonte à energia proveniente do sol. Uma das raras exceções a esta regra,
são os combustíveis utilizados em fissão e fusão nucleares, bem como parte das energias que
podem ser provenientes das marés. O petróleo, bem como o carvão de pedra, o xisto
betuminoso, a turfa, a linhita e o gás natural são admitidos como constituídos de resíduos de
plantas e animais fossilizados anaerobicamente. Originalmente, portanto, teriam usado a
fotossíntese, e consequentemente a energia solar, para se desenvolverem como animais e
vegetais vivos, antes de serem acumulados sob a presente forma. As Biomassas, o ciclo
Hidrológico, bem como a circulação atmosférica também têm sua principal fonte motora na
energia solar. Hoje, somam-se a tudo isso métodos artificiais de sua utilização direta.
Destacam-se principalmente os efeitos térmicos e voltaicos da referida energia absorvida por
coletores artificiais. Nosso planeta, como absorvedor, permite-nos o aproveitamento contínuo
e indireto de várias das formas dessa energia, a exemplo das chuvas que alimentam as
barragens, dos ventos em cata ventos, das biomassas nas plantas que garantem nossa
sobrevivência, entre outras (SOUZA, 1994).
O Brasil detém o terceiro maior potencial hidroelétrico do mundo, explorado até o
momento (ANEEL, 2008), ficando atrás apenas da China e da Rússia (CEPEL, 2009). A
hidroeletricidade tem peso bem mais significativo na estrutura de oferta de energia elétrica do
Brasil do que na estrutura mundial, correspondendo a 77,3% do suprimento energético do país
(Figura 1), enquanto que para a média mundial esta parcela é de 16% (MME, 2009; IEA,
2008). Isso faz com que o Brasil apresente uma característica peculiar, que o distingue da
16
TWhTOTAL 505,8
HIDRO 391,0GÁS NATURAL 13,3DER. PETRÓLEO 12,7 NUCLEAR 13,0CARVÃO 5,2BIOMASSA 23,9GÁS INDUSTRIAL 7,1 IMPORTAÇÃO 39,7
maioria dos países, que é a de ter os combustíveis fósseis em segunda posição na matriz
energética interna.
HIDRO77,3%
NUCLEAR2,6%
GÁS NATURAL2,6%
CARVÃO MINERAL1,0%
DERIVADOS DE PETRÓLEO
2,5%
BIOMASSA4,7%
GÁS INDUSTRIAL1,4%
IMPORTAÇÃO7,8%
Figura 1: Matriz de energia elétrica no Brasil para o ano de 2009 (% e TWh).
Em termos mundiais, as fontes de energia primárias mais exploradas são os
combustíveis fósseis, como o carvão mineral e o gás, seguidos da hidroeletricidade e das
fontes nucleares, num contexto bastante distinto do existente no Brasil. Entretanto, os grandes
potenciais hidroelétricos já foram explorados e os restantes nem sempre se viabilizam pela
distância aos centros urbanos, um fator que acarreta altos investimentos em linhas de
transmissão e distribuição (T&D). Outro fator relevante se deve às questões ambientais
associadas à construção das usinas (SALAMONI, 2009).
Segundo dados do Plano Nacional de Energia 2030, PNE 2030, (MME, 2009), o
consumo de energia elétrica em 2030 poderá se situar entre 950 e 1.250 TWh/ano, o que
exigirá um aumento expressivo na oferta de energia elétrica no Brasil. Mesmo que seja
dada prioridade ao uso do potencial hidroelétrico, ainda assim a instalação de 120 mil MW,
elevando para 80% o uso desse potencial, poderia não ser suficiente para atender à demanda
por energia nesse horizonte (SALAMONI, 2009).
Desde o início da sua comercialização, a energia elétrica tem sido fornecida aos
consumidores residenciais, comerciais e industriais, através de usinas geradoras centralizadas
e complexos sistemas de T&D. Todo o sistema convencional de geração possui inúmeros
problemas como impactos ambientais negativos, dependência de combustíveis ou por estarem
localizados distantes do ponto de consumo. A estrutura centralizada de geração torna as
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pessoas vulneráveis a blackouts energéticos, além de gerar perdas da T&D por estarem
localizadas distantes, aumentando os custos da produção da energia (SALAMONI, 2009).
Neste contexto, torna-se fundamental a reestruturação do setor energético e a busca
por uma maior diversificação da matriz energética nacional, principalmente através da
geração distribuída com base em fontes renováveis de energia. As FRE devem ser analisadas
sob um critério de complementação e não de substituição às fontes convencionais. Ou seja, de
modo estratégico, elas devem estar entrelaçadas, tentando atender, além do equilíbrio
ambiental, a segurança no abastecimento de energia (SALAMONI, 2009).
Uma nova estratégia, baseada em dois eixos: geração descentralizada e eficiência
energética (desde a geração até o transporte ao usuário final) seria uma alternativa face às
dificuldades futuras no suprimento energético do país. Essa estratégia, além de permitir uma
maior segurança no abastecimento de energia e de reduzir as perdas na T&D, possibilita uma
geração de forma ambientalmente sustentável (SALAMONI, 2009).
O Brasil possui uma estrutura energética privilegiada se comparada à de outros países,
visto que o seu potencial hidroelétrico e as possibilidades para o uso da biomassa, da energia
eólica e da energia solar são bastante grandes. Dada sua localização geográfica, o país é
particularmente privilegiado por ter níveis de irradiação solar superiores à maioria das nações
desenvolvidas. Essa característica coloca o país em vantagem em relação aos países
desenvolvidos, principalmente no que tange à utilização da energia fotovoltaica (FV)
(SALAMONI, 2009).
Os sistemas FV apresentam duas configurações principais: isolados (ou autônomos) e
conectados à rede elétrica. A diferença fundamental entre eles é a existência ou não de um
sistema acumulador de energia. Os sistemas autônomos se caracterizam pela necessidade de
um banco de acumuladores químicos (baterias), onde a energia gerada pelos módulos solares
é armazenada e distribuída aos pontos de consumo. Esse é o tipo de sistema atualmente é
competitivo, economicamente, como formas mais convencional de geração, são normalmente
utilizados quando o custo de estender a rede elétrica pública for proibitivo, devido à distância
ou ao difícil acesso, juntamente à baixa demanda da comunidade a ser atendida.
Os sistemas interligados à rede elétrica, por outro lado, dispensam o uso de
acumuladores, pois atuam como usinas geradoras de energia elétrica em paralelo às grandes
centrais geradoras. Podem ser integrados à edificação sobrepondo ou substituindo elementos
de revestimento, portanto, próximos ao ponto de consumo.
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Conforme é observado na Figura 2, os sistemas conectados à rede é a aplicação que
mais vêm crescendo nos últimos anos. Essa aplicação, hoje em dia, representa 90% do
mercado FV mundial.
Figura 2: Diferentes segmentos da tecnologia FV.
O sistema integrado junto ao ponto de consumo interliga-se à rede pública, auxiliando
na redução do pico de demanda, diminuindo a dependência das fontes convencionais de
energia. Além disto, dado o caráter complementar da geração hidroelétrica e solar (chuvas =
pouco sol e vice versa) a geração solar FV em grande escala poderia contribuir
significativamente para melhor balancear a grande dependência do setor elétrico brasileiro em
uma fonte geradora dominante e sazonal como é a geração hidráulica.
No Brasil, o uso desta tecnologia de forma integrada à edificação urbana e conectada à
rede elétrica ainda é bastante reduzido, havendo até o momento somente algumas aplicações
desta modalidade, na sua maioria em campi universitários (SALAMONI, 2009).
A energia solar FV revela-se uma fonte promissora, tanto para as áreas distantes e
ainda não eletrificadas, como também para os grandes centros urbanos, onde demandas de ar-
condicionado elevam as curvas de carga, apresentando uma excelente sincronicidade com a
geração solar. Quando locados estrategicamente no sistema de distribuição, podem contribuir
significativamente para a redução da curva de carga (SALAMONI, 2009).
A utilização da energia solar FV interligada à rede elétrica, de forma complementar à
hidroeletricidade, pode ser considerada uma grande alternativa para a utilização de medidas
de gerenciamento pelo lado da demanda (GLD), principalmente quando alocadas em
alimentadores urbanos que estão sobrecarregados. Pequenos geradores solares FV, como
19
geração distribuída, podem ser eficientes, confiáveis e simples de implementar. Em algumas
áreas, eles podem ser competitivos com a geração convencional e propiciar uma maior
confiabilidade no abastecimento de energia, quando comparados com os sistemas
convencionais de geração de energia. Em outros casos, ele pode aumentar a capacidade da
rede, através da complementaridade de energia, promovendo uma maior performance e
eficiência na rede. Dessa forma, a inserção da energia solar FV na matriz energética nacional,
de forma complementar, poderia trazer grandes benefícios, tanto ao setor energético, quanto
aos setores econômicos e sociais do país (SALAMONI, 2009).
20
2 OBJETIVOS
O objetivo deste trabalho é demonstrar uma alternativa de geração de energia, com o
tema de sustentabilidade muito abordado na atualidade, a Geração de energia elétrica através
da luz solar para residências, vem de encontro com essa questão.
Muitos países já estão avançados no assunto, como Alemanha, Japão, EUA e Espanha,
desenvolvendo programas de incentivo para geração de eletricidade através do sol,
conciliando o desenvolvimento com o aproveitamento dos recursos naturais.
O Brasil esta começando a seguir os passos dos países bem sucedidos com esse tipo de
geração, porém essa é uma questão chave para o desenvolvimento do país, a geração de
energia elétrica pela luz solar propõe um sistema novo de geração descentralizado, fazendo
com que cada consumidor possa ser um gerador, essa aplicação necessita de uma
regulamentação que garanta a qualidade de energia e a segurança na manutenção do setor
elétrico. O uso desta tecnologia em casas residenciais deve ser motivado por incentivos fiscais
e financeiros, garantindo o acesso a toda população já que o principal entrave é o custo.
21
3 METODOLOGIA
Esta pesquisa baseou-se em trabalhos, livros e sites abordando um tema atual de
sustentabilidade onde países estão enxergando que o crescimento de cada um deve ser
respeitando os limites do planeta.
Muitos trabalhos acadêmicos estão sendo realizados com o assunto de geração de
energia elétrica através do sol. Existem aplicações desta tecnologia que estão sendo utilizadas
em diversos países.
No Brasil a geração de energia elétrica através do sol figura em aplicações de campos
universitários, recursos técnicos e em sistemas individuais de geração de comunidades
isoladas, incentivadas pelo programa do governo “Luz para Todos”, executado pelas
concessionárias de distribuição do país.
22
4 A ENERGIA SOLAR
4.1 Energia Solar no Brasil
A energia solar é uma das alternativas energéticas mais promissoras, pois o sol é fonte
de energia renovável, permanente e abundante. Para as áreas afastadas e não eletrificadas, a
energia solar é a solução ideal, especialmente no Brasil onde há bons índices de insolação em
toda parte do território (PORTAL BRASILEIRO DE ENERGIAS RENOVAVEIS, 2010).
Anualmente, o Sol irradia o equivalente a 10.000 vezes a energia consumida pela
população mundial neste mesmo período. O Sol produz continuamente cerca de 390
sextilhões de quilowatts de potência. Para cada metro quadrado de coletor solar instalado
evita-se a inundação de 56 metros quadrados de terras férteis, na construção de novas usinas
hidrelétricas (PORTAL BRASILEIRO DE ENERGIAS RENOVAVEIS, 2010).
Conforme o Atlas Brasileiro de Energia Solar, publicado pelo Instituto Nacional de
Pesquisas Espaciais (INPE) em 2008, o país recebe mais de 2.200 horas de insolação por ano,
um potencial equivalente a 15 trilhões de MWh. Isso corresponde a 50 mil vezes o consumo
nacional de eletricidade.
O Brasil é privilegiado em termos de radiação solar. O Plano Nacional de Energia
2030 reproduz dados do Atlas Solarimétrico do Brasil e registra que essa radiação varia de 8 a
22 MJ/m2 durante o dia, sendo que as menores variações ocorrem nos meses de maio a julho,
variando de 8 a 18 MJ/m2. Além disso, o Nordeste possui irradiação comparável às melhores
regiões do mundo nessa variável, como a cidade de Dongola, no deserto do Sudão, e a região
de Dagget, no Deserto de Mojave, Califórnia (SALAMONI, 2009).
Quanto à geração de energia fotovoltaica há como fazer comparações com outras
fontes localizadas, como a Usina de Itaipu, por exemplo. Esta, que por décadas foi a maior
usina hidrelétrica do mundo, contribui com cerca de 25% da energia consumida no Brasil,
tendo uma potência instalada de 12,6 GW, conforme o Balanço Energético 2002
disponibilizado pela Eletrobrás; segundo o professor da Universidade Federal de Santa
Catarina, Ricardo Rüther, PhD em energia solar, se uma área equivalente em tamanho ao lago
de Itaipu (1350 km2) fosse coberta com sistema solar fotovoltaico, a potência instalada seria
de 94,5 GW. O entrave ainda são os custos. Enquanto, os últimos leilões de energia nova têm
23
registrado um valor médio de R$ 130 MW/h nas chamadas fontes convencionais: hidro e
térmicas, para as energias renováveis esse valor é bem mais alto (CARBONO BRASIL,
2010).
24
5 PROCESSOS DE CONVERSÃO NA GERAÇÃO DE
ELETRICIDADE ATRAVÉS DA ENERGIA SOLAR
Existem duas técnicas básicas para converter a radiação do sol em energia elétrica útil;
conversão direta por transferência de energia radiante aos elétrons de um sólido; e conversão
de radiação em calor e, posteriormente, em eletricidade, num processo termodinâmico (PALZ,
2002).
A conversão direta da radiação solar é melhor conseguida por fotocélulas que, em
resultado de sua importância como fonte principal de energia para os engenhos especiais, já
existem como dispositivos de alto desempenho. A conversão indireta de radiação solar pelo
calor pode ser conseguida combinando-se qualquer dos dispositivos coletores de calor solar
com qualquer dos processos de conversão termodinâmica (PALZ, 2002).
5.1 Conversão Indireta por Concentração de Energia Solar
Uma maneira de produzir energia elétrica a partir da energia solar é utilizando a
tecnologia de concentração solar, também chamada termossolar. Embora os raios diretos e
difusos possam ser coletados por módulos solares e utilizados para aquecer uma residência ou
suprir as necessidades de água quente, essa radiação não tem intensidade suficiente para gerar
energia. A principal diferença entre a tecnologia fotovoltaica e termossolar é que nesta, a
energia do sol é concentrada por meio de dispositivos reflexivos (geralmente painéis de
espelhos) que concentram grande quantidade de radiação solar sobre uma pequena área. Essa
energia aquece um líquido de trabalho que é usado para alimentar uma turbina convencional
para produzir eletricidade (PALZ, 2002), (FIGURA 3).
25
Figura 3: Protótipo termo-solar do Laboratório Nacional Sandia, EUA.
Estes sistemas de concentração de energia solar a muito tempo vêm sendo usados,
principalmente por meio da concentração, com espelhos e lentes, que por sua vez, constituem
muitos dos coletores solares concentradores. Tais coletores são normalmente montados em
superfícies refletivas, curvas que concentram os raios solares em um foco. Essas superfícies
refletoras convergem a radiação solar, incrementando a densidade de energia da área de
captação. A depender do tipo de foco que se deseja obter, seja linear ou pontual, recorre-se a
superfícies cilindro-parabólicas, ou superfícies semi-esféricas, e parabolóides,
respectivamente (PALZ, 2002).
Existem ainda os espelhos planos orientados para refletir os raios solares incidentes
para um foco estabelecido numa torre captora central, onde o aquecimento de fluido térmico
necessário à geração de calor é processado de forma a ser usado na geração termoelétrica; tais
espelhos são denominados heliostatos, que são dotados de mecanismo de acompanhamento do
Sol, e é provido de movimento em dois eixos de rotação, o que aumenta o grau de liberdade
de movimento, propiciando melhor desempenho no posicionamento (PALZ, 2002), (FIGURA
4).
26
Figura 4: Central Solar termo-elétrica PS10 localizada em Sevilha, Espanha.
A primeira central termo-elétrica PS10, tem capacidade para produzir 23 Gigawatts de
eletricidade por ano, quantidade suficiente para abastecer uma localidade de até 10 mil
residências. Com essa produção de energia solar, a União Européia deixa de emitir
anualmente quase 16 mil toneladas de CO2 (MARCHIORI, 2010).
Uma das principais vantagens do sistema de concentração solar é que sua tecnologia é
similar à utilizada nas usinas térmicas convencionais, substituindo o combustível fóssil por
energia solar concentrada. Dessa forma, a integração e/ou adaptação dessa tecnologia com
sistemas convencionais é muito fácil, tornando-a a alternativa com melhor relação custo-
benefício (PALZ, 2002).
5.2 Conversão Direta por Módulos Fotovoltaicos
5.2.1 Sistemas Fotovoltaicos
Em uma básica definição, sistema fotovoltaico é um conjunto integrado de módulos
fotovoltaicos e outros componentes, projetado para converter a energia solar em eletricidade
(VARELLA, 2009).
O princípio físico de funcionamento dos módulos fotovoltaicos é denominado efeito
fotovoltaico (foto= luz; volt= eletricidade). Transformando fótons (energia solar) em um fluxo
ordenado de elétrons (VARELLA, 2009), (FIGURA 5).
27
Figura 5: Efeito fotovoltaico em uma célula.
Os módulos são compostos por células fotovoltaicas ligadas em série, conforme a
Figura 6, e a conversão da radiação solar em energia elétrica é obtida utilizando-se material
semicondutor como elemento transformador, conhecido como célula solar ou célula
fotovoltaica (SOLARTERRA, 2010).
A tensão nominal do módulo será igual ao produto do número de células que o
compõem pela tensão de cada célula (aprox. 0,5 Volt). Geralmente produzem-se módulos
formados por 30, 32, 33 e 36 células em série, conforme a aplicação requerida
(SOLARTERRA, 2010).
Figura 6: Célula fotovoltaica e Módulo fotovoltaico.
Procura-se dar ao módulo rigidez na sua estrutura, isolamento elétrico e resistência aos
fatores climáticos. Por isso, as células conectadas em série são encapsuladas num plástico
elástico (Etilvinilacetato-EVA) que faz também o papel de isolante elétrico, um vidro
temperado com baixo conteúdo de ferro, na face voltada para o sol, e uma lamina plástica
28
multicamada (Poliéster) na face posterior. Em alguns casos o vidro é substituído por uma
lâmina de material plástico transparente (SOLARTERRA, 2010).
O módulo tem uma moldura composta de alumínio ou poliuretano e caixas de
conexões às quais chegam os terminais positivo e negativo da série de células. Nos bornes das
caixas conectam-se os cabos que ligam o módulo ao sistema (SOLARTERRA, 2010).
O conjunto de módulos fotovoltaicos ligados em série e/ou paralelo é chamado de painel
fotovoltaico, (FIGURA 7).
Figura 7: Painel fotovoltaico
Normalmente têm garantia de fábrica em torno de 20 a 25 anos quanto à produção de
energia elétrica e de 2 anos quanto a defeitos de fabricação (SOLENERG; 2008). Sua vida útil
é estimada em 30 anos (ALDABÓ, 2002). A manutenção dos módulos requer basicamente
verificar se não há projeção de sombras de objetos próximos em nenhuma parte dos módulos
fotovoltaicos, verificação de sujeira em sua superfície e se as ligações elétricas estão bem
ajustadas e sem sinais de oxidação (VARELLA, 2009).
5.2.2 Curvas Características dos Módulos Fotovoltaicos
A representação típica da característica de saída de um dispositivo fotovoltaico (célula,
módulo, sistema) denomina-se curva corrente tensão, a corrente de saída mantém-se
praticamente constante dentro da amplitude de tensão de funcionamento e, portanto, o
dispositivo pode ser considerado uma fonte de corrente constante neste âmbito. A corrente e
29
a tensão em que opera o dispositivo fotovoltaico são determinadas pela radiação solar
incidente, pela temperatura ambiente, e pelas características da carga conectadas ao mesmo,
(SOLARTERRA, 2010), (FIGURA 8).
Figura 8: Curvas elétricas de um dispositivo fotovoltaico.
Os valores desta curva são, (SOLARTERRA, 2010):
• Corrente de curto-circuito (Icc): Máxima corrente que pode entregar um dispositivo
sob condições determinadas de radiação e temperatura correspondendo a tensão nula e
conseqüentemente a potência nula.
• Tensão de circuito aberto (Vca): Máxima tensão que pode entregar um dispositivo
sob condições determinadas de radiação e temperatura correspondendo à circulação de
corrente nula e conseqüentemente à potência nula.
• Potência Pico (Pmp): É o valor máximo de potência que pode entregar o dispositivo.
Corresponde ao ponto da curva no qual o produto V x I é máximo.
• Corrente a máxima potência (Imp): Corrente que entrega o dispositivo a potência
máxima sob condições determinadas de radiação e temperatura. É utilizada como
corrente nominal do mesmo.
• Tensão a máxima potência (Vmp): tensão que entrega o dispositivo a potência máxima
sob condições determinadas de radiação e temperatura. É utilizada como tensão
nominal do mesmo.
30
5.2.3 Efeito da Intensidade de Radiação Solar no Módulo Fotovoltaico
O resultado de uma mudança na intensidade de radiação é uma variação na corrente de
saída para qualquer valor de tensão. A corrente varia com a radiação de forma diretamente
proporcional. A tensão mantém-se praticamente constante, (SOLARTERRA, 2010),
(FIGURA 9).
Figura 9: Tensão e corrente com variação de radiação em um dispositivo fotovoltaico.
5.2.4 Efeito da Temperatura
O principal efeito provocado pelo aumento da temperatura do módulo é uma redução
da tensão de forma diretamente proporcional. Existe um efeito secundário dado por um
pequeno incremento da corrente para valores baixos de tensão. Tudo isto está indicado na
Figura 10, (SOLARTERRA, 2010).
31
Figura 10: Variação de tensão com aumento da temperatura.
É por isso que para locais com temperaturas ambientes muito elevadas são adequados
módulos que possuam maior quantidade de células em série a fim de que as mesmas tenham
suficiente tensão de saída para carregar as baterias (SOLARTERRA, 2010).
5.2.5 Interação do Dispositivo Fotovoltaico com a Carga
A curva I-V (Corrente – Tensão) corrigida para as condições ambientais é só uma
parte da informação necessária para saber qual será a característica de saída de um módulo.
Outra informação imprescindível é a característica de operação da carga a conectar. É a carga
que determina o ponto de funcionamento na curva I-V (SOLARTERRA, 2010).
A característica I-V do módulo varia com as condições ambientais (radiação,
temperatura). Isto quer dizer que haverá uma família de curvas I-V que nos mostrará as
características de saída do módulo durante o dia numa época do ano,como mostrado na figura
11, (SOLARTERRA, 2010).
32
Figura 11: Curva caracteristica de saida I-V de um modulo fotovoltaico.
A curva de potência máxima de um módulo em função da hora do dia tem a forma indicada
no diagrama de carga, mostrado na figura 12.
Figura 12: Curva caracteristica de potência ao longo do dia.
Existem duas principais categorias de sistemas fotovoltaicos: os sistemas isolados, e os
sistemas conectados à rede elétrica. A diferença fundamental entre esses dois tipos de
configuração é a existência ou não de um sistema acumulador de energia, ou seja, as baterias
(VARELLA, 2009).
33
6 GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA ATRAVÉS DE
SISTEMAS FOTOVOLTAICOS ISOLADOS
Os elementos fundamentais que constituem um sistema fotovoltaico isolado são os
módulos fotovoltaicos, bateria, controlador de carga e inversor de corrente elétrica. Esta
aplicação hoje se destina à instalações técnicas onde a economia e/ou o acesso ao sistema de
transmissão e distribuição é inviável, e está mostrado na figura 13.
Figura 13: Diagrama esquemático de sistema fotovoltaico isolado.
Basicamente podemos nos deparar com este tipo de projeto em aplicações conforme
apresentadas a seguir:
• Eletrificação de residências rurais ou temporárias;
• Eletrificação de postos de saúde (conservação de medicamentos e energia para
aparelhos médicos);
• Eletrificação de escolas rurais (iluminação de salas de aula, refrigeração de alimentos e
energia para aparelhos de televisão);
• Bombeamento de água para gado e residências;
• Telecomunicações (transmissores e repetidores);
• Telefonia pública e telefones de emergência;
34
• Satélites;
• Telemetria;
• Cercas elétricas;
• Plataformas de petróleo;
• Proteção catódica;
• Sinalização (de estradas, ferrovias, torres);
• Oxigenação da água de tanques (piscicultura);
• Purificadores de água;
• Radares;
• Quadros de propaganda;
• Iluminação pública e de pontos de ônibus;
• Sistemas de alarme;
• Sensores (de movimento, vazão, etc);
• Comunicação portátil (militar e civil);
• Ventilação de estufas;
• Irrigação;
• Instrumentação eletrônica;
• Manutenção de carga de bateria (automóveis, celulares e outros);
• Eletrificação de veículos de recreio (traillers e motor homes);
• Campismo;
• Eletrificação de embarcações;
• Ventilação de ambientes
6.1 Dados Necessários para Dimensionar um Sistema Isolado
O dimensionamento de um sistema isolado leva em consideração o exemplo do Curso
de Energia Solar Fotovoltaica (SOLARTERRA, 2010), com as seguintes características.
Tensão nominal do sistema: Refere-se à tensão típica em que operam as cargas a conectar.
Deve-se, além disso, distinguir se a referida tensão é alternada ou contínua.
35
Potência exigida pela carga: A potência que cada carga exige é um dado essencial. Os
equipamentos de comunicações requerem potências elevadas quando funcionam em
transmissão e isto, muitas vezes, ocorre só durante alguns minutos por dia. Durante o resto do
tempo requerem uma pequena potência de manutenção (stand by). Esta diferenciação deve ser
levada em conta no dimensionamento do sistema.
Horas de utilização das cargas – Perfil de Carga: Juntamente com a potência requerida
pela carga deverão especificar-se as horas diárias de utilização da referida potência.
Multiplicando potência por horas de utilização serão obtidos os Watts hora requeridos pela
carga ao fim de um dia.
Localização geográfica do sistema (Latitude, Longitude e a altura relação ao nível do
mar do sítio da instalação): Dados são necessários para determinar o ângulo de inclinação
adequado para o módulo fotovoltaico e o nível de radiação (médio mensal) do lugar.
Autonomia prevista: Isto se refere ao número de dias em que se prevê que diminuirá ou não
haverá geração e que deverão ser tidos em conta no dimensionamento das baterias de
acumuladores. Para sistemas rurais domésticos tomam-se de 3 a 5 dias e para sistemas de
comunicações remotos de 7 a 10 dias de autonomia.
Logo abaixo o exemplo demonstra o dimensionamento de uma aplicação de um
sistema isolado, conforme as Tabelas 1 e 2, mostra-se uma planilha de cálculo para
determinar os Watts/hora diários (Wh/dia) de todas as cargas de corrente contínua e alternada
que se pretenda alimentar.
Tabela 1: Cargas em corrente contínua.
36
Tabela 2: Cargas em corrente alternada.
Total de Energia em Watts-hora/dia (1 + 2) = 278,5 Wh/d
1) Identificar cada carga de corrente contínua, seu consumo em Watts e a quantidade de horas
por dia que deve operar. No exemplo consideraram-se lâmpadas de baixo consumo de 7 e 9W
que, com os seus reatores, consomem respectivamente 8,5 e 10W. Considerou-se também um
equipamento de rádio onde se identificou seu consumo em transmissão e recepção e também
em stand-by.
2) Multiplicar a coluna (A) pela (B) pela (C) para obter os Watts hora / dia de consumo de
cada aparelho (coluna [A x B x C]).
3) Somar os Watts hora/dia de cada aparelho para obter os Watts hora/dia totais das cargas em
corrente contínua (Subtotal 1).
4) Proceder de igual forma com as cargas em corrente alternada com o acréscimo de 15% de
energia adicional para ter em conta o rendimento do inversor (Subtotal 2 ).
Para poder escolher o inversor adequado, deve-se ter claro quais são os níveis de
tensão do sistema tanto em termos de corrente alternada como de contínua. Por exemplo, se
numa habitação rural for instalado um gerador solar em 12 Vcc e se deseja alimentar um
televisor a cores que funciona em 110 Vca e que consume 60 W, o inversor será de 12 Vcc a
110 Vca e gerenciará no mínimo 60 W. Se existirem outras cargas de corrente alternada deve-
se somar todas aquelas que se desejarem alimentar de forma simultânea. O resultado da
referida soma, mais uma margem de segurança de aproximadamente 15%, determinará a
potência do inversor.
5) Obter o valor total de energia = Subtotal 1 + Subtotal 2.
6) Toma-se o valor obtido no ítem anterior e divide-se pela tensão nominal do sistema. Sendo
a tensão 12 Vcc então o consumo total será:
Consumo Total = 278.5 / 12 = 23.21 Ah/dia
37
6.2 Cálculo do Número de Módulos Necessários
Devem-se conhecer os níveis de radiação solar típicos da região, conforme a Tabela 3
demonstrada a seguir, com as principais cidades do Brasil, as localidades estão em ordem
crescente de Latitude. Como já se viu a capacidade de produção dos módulos varia com a
radiação. A tabela indica qual é a radiação média em kWh/m2 dia para cada um dos meses do
ano (SOLARTERRA, 2010).
Tabela 3: Radiação solar no Brasil em KWh/m2.
38
39
40
41
42
43
Para realizar um cálculo aproximado da quantidade de módulos necessários para uma
instalação pode-se proceder da seguinte forma:
1) Calcular o Consumo Total da instalação em Ah.
44
2) Determinar em que local se realizará a instalação.
3) Com base nos valores da tabela de radiação identificar qual das cidades mais se aproxima
do local de sua instalação. Identificar qual é a radiação média anual desta localidade em
kWh/m2 dia.
4) Multiplicar o valor encontrado pela corrente nominal do módulo solar escolhido. Para isto
recorrer à tabela do fabricante do módulo solar.
5) Supondo que a localidade da instalação seja em Teresina e o módulo solar escolhido seja o
modelo com corrente nominal de 4.4A, teremos:
Geração do Módulo = Radiação x Corrente Nominal = 5.49 x 4.4 = 24.15 Ah/dia
6) O número de módulos solares para este sistema será:
Número de módulos = Consumo Total / Geração Módulo = 23.21 / 24.15 = 0.96 = 1
7) Arredonda-se o valor encontrado para um múltiplo inteiro. Portanto um módulo de 4.4 A
de corrente nominal é suficiente para esta instalação.
6.3 Cálculo do Banco de Baterias
A capacidade do banco de baterias é obtida com a fórmula:
Cap.= 1,66 x Dtot x Aut.
Onde:
1,66: fator de correção de bateria de acumuladores que leva em conta a profundidade de
descarga admitida, o envelhecimento e um fator de temperatura.
Dtot: Consumo total de energia da instalação em Ah/dia.
Aut: dias de autonomia.
No exemplo adotado será:
Cap. Bat. = 1.66 x 23.21 x 5 dias = 192 Ah
45
Escolhe-se o modelo de bateria com valor normalizado imediatamente superior ao que
resulte deste cálculo. Caso a capacidade encontrada seja superior ao maior modelo comercial
disponível então o banco de baterias deverá ser montado com elementos múltiplos ligados em
paralelo. Recomenda-se nestes casos que o número de baterias conectadas em paralelo não
exceda 6 elementos (SOLARTERRA, 2010).
46
7 PROGRAMA NACIONAL LUZ PARA TODOS
Com a criação do Programa Nacional de Universalização do Acesso e Uso da Energia
Elétrica (Luz Para Todos) foi lançado pelo governo em novembro de 2003 com o desafio de
acabar com a exclusão elétrica no país. A meta era levar energia elétrica para mais de 10
milhões de pessoas do meio rural até o ano de 2008, tendo sido atingida em maio de 2009.
O Programa é coordenado pelo Ministério de Minas e Energia, operacionalizado pela
Eletrobrás e executada pelas concessionárias de energia elétrica e cooperativas de
eletrificação rural. Dessa forma cada distribuidora de energia deve em sua área de concessão
providenciar técnicas para levar eletricidade a comunidades isoladas (ELEKTRO, 2010).
O decreto nº 4.873, de 11/11/03, institui “LUZ PARA TODOS”. (Art 6º prevê
sistemas descentralizados onde necessário; prevê também atendimento por meio de micro e
mini redes (ELEKTRO, 2010), (FIGURA 14).
Figura 14: Estruturação de mini rede isolada
A ANEEL editou Resolução Normativa Nº 83 de 20 de setembro de 2004, que estabelece
procedimentos e as condições de fornecimento por Sistemas de Geração de Energia com
Fontes Intermitentes especificando basicamente:
• Fornecimento em tensão alternada;
• 13kWh/mês para cada atendimento (casas isoladas);
• 30kWh/mês para atendimento a escolas (poder publico);
47
• 2 dias de autonomia;
• 350W de potência mínima disponibilizada para Sistemas Individuais de Geração de
Energia Elétrica com Fontes Intermitentes SIGFI 13 e 600 W para SIGFI 30;
• Medidor a partir de SIGFI 30.
7.1 Eletricidade em Comunidades Isoladas Sob Concessão da Elektro S/A
A ELEKTRO Eletricidade e Serviços S/A, dentre os planos de expansão dos sistemas
de transmissão e distribuição de sua rede elétrica, está à aplicação de sistemas SIGFI
(Sistemas Individuais de Geração de Energia Elétrica com Fontes Intermitentes) na região de
Itanhaém.
Este plano tem por objetivo levar eletricidade para comunidades distantes através da geração
fotovoltaica, a Figura 15 representa o deslocamento até duas comunidades de sua área de
concessão localizada na Ilha do Cardoso (ELEKTRO, 2010).
Figura 15: Mapa com as comunidades isoladas na Ilha do Cardoso.
48
Diante do deslocamento da costa continental até a comunidade Cambriú, são
aproximadamente 22 km, e da comunidade Cambriú até a comunidade Marujá mais 6 km,
dentre essas comunidades estão também a Itacuruça, Foles e Ipanema atendidas pelo
programa, todas as comunidades são pertencentes ao município de Cananéia (ELEKTRO,
2010).
7.2 Dimensionamento das Instalações
Os sistemas foram dimensionados em função dos dados contidos no edital de licitação,
especificações técnicas. A empresa vencedora utilizou como critério de dimensionamento dos
sistemas os dados fornecidos no edital para o pior mês, procedimento muito estendido entre as
empresas instaladoras que conduz invariavelmente ao sobredimensionamento dos módulos
fotovoltaicos. O valor utilizado foi de 2,86 kWh/m2 dia, para a irradiação diária média mensal
no mês de junho em superfície horizontal. De acordo com o edital mencionado, a empresa
deveria fornecer um sistema capaz suprir a seguinte demanda, mostrado na tabela 4
(ELEKTRO, 2010).
Tabela 4: Demanda em Ah/dia de cada família.
A empresa ofertou 3 módulos de 65 Wp, corrente de trabalho de 8,5 A para a
associação em paralelo. Considerando o dimensionamento pelo pior mês, isto é, irradiação de
2,86 kWh/m2 dia em superfície horizontal e, que os módulos estão orientados ao norte com
inclinação igual a 30º, obtemos 3,12 kWh/m2 dia. Tal situação conduz a uma geração, para o
pior mês, de 26,52 Ah/dia (ELEKTRO, 2010).
Os sistemas de acumulação estão constituídos por uma bateria de 175 Ah. A empresa
vencedora utilizou como critério de autonomia, 2 dias consecutivos, isto é, a descarga máxima
permitida seria de 35,90 Ah (ELEKTRO, 2010).
49
Total (Equipamentos)
3 x módulos solares de 65 Wp.
1 x Controlador de carga de 10 A e 12 Vcc.
1 x Inversor de 350W, 12 Vcc / 120 Vac.
1 x bateria chumbo ácida com capacidade de 175Ah.
1 x estrutura para fixação de 3 módulos fotovoltaicos em poste.
1 x kit de instalação do sistema SIGFI 13.
Preço estimado do sistema SIGFI 13(instalado):
R$ 5.200,00 ou US$ 2549 (1 US$=R$2,04)
Figura 16: Modelo de estrutura de instalação utilizada na Elektro, medidas em milímetros.
Figura 17: Instalação de um sistema fotovoltaico isolado na comunidade de Marujá.
50
Foi instalado no local dois kits fotovoltaico SIGFI – 30, atendendo a necessidade das
escolas de Cambriu e Marujá, composto de:
6 x módulos solares de 65 Wp.
1 x Controlador de carga de 20 A e 12 Vcc.
1 x Inversor de 700W, 24 Vcc / 120 Vac.
2 x baterias chumbo ácida com capacidade de 220Ah.
1 x estrutura para fixação de 6 módulos fotovoltaicos em poste.
1 x kit de instalação do sistema SIGFI 30.
Preço estimado do sistema SIGFI 30(instalado):
R$ 10.300,00 ou US$ 5049 (1 US$=R$2,04)
Figura 18: Instalação de um sistema fotovoltaico escolar na comunidade de Marujá.
Com esses projetos a Elektro conseguiu atender as necessidades do programa Luz para
todos, levando energia elétrica às comunidades isoladas em sua área de concessão.
51
8 GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA ATRAVÉS DE
SISTEMAS FOTOVOLTAICOS CONECTADOS À REDE
ELETRICA
A produção de energia elétrica utilizando a energia solar através dos módulos
fotovoltaicos, e a sua conexão com a rede elétrica de distribuição, é uma realidade em
diversos países e vem crescendo e se consolidando como uma forma limpa de se produzir
eletricidade.
Os sistemas fotovoltaicos conectados à rede apresentam duas configurações distintas:
os sistemas fotovoltaicos distribuídos e os sistemas fotovoltaicos centralizados (VARELLA,
2009).
A Figura 19 apresenta um esquema simplificado da configuração de um sistema
fotovoltaico conectado à rede elétrica. Os dois principais equipamentos pertencentes ao
sistema mencionado são o gerador fotovoltaico e o inversor conectado à rede elétrica que
converte a energia elétrica gerada em CC para CA, adequada à conexão na rede de
distribuição de energia (VARELLA, 2009).
Figura 19: Diagrama esquemático de sistema fotovoltaico conectado à rede elétrica.
Os sistemas fotovoltaicos distribuídos, conforme a figura 21, podem ser instalados de
forma integrada a uma edificação, no telhado ou na fachada de um prédio e, portanto, junto ao
52
ponto de consumo; já os sistemas fotovoltaicos centralizados, mostrado na figura 20, funciona
como em uma usina central geradora convencional, normalmente se localizam a certa
distância do ponto de consumo. Neste último caso, existe, como na geração centralizada
convencional, a necessidade dos complexos sistemas de transmissão e distribuição
tradicionais, (VARELLA, 2009).
Figura 20: Central Solar Fotovoltaica de Amareleja (Moura), Portugal.
No caso dos sistemas distribuídos, algumas vantagens deste tipo de instalação podem
ser destacadas, a saber: não requer área extra e pode, portanto, ser utilizada no meio urbano,
próximo ao ponto de consumo, o que leva a eliminar perdas por T&D da energia elétrica,
como ocorre com usinas geradoras centralizadas, além de não requerer instalações de infra-
estrutura adicionais; os módulos fotovoltaicos podem ser também considerados como um
material de revestimento arquitetônico no caso de instalações em prédios e casas, reduzindo
os custos, dando à edificação uma aparência estética inovadora, (VARELLA, 2009).
53
Figura 21: Exemplo de um sistema fotovoltaico distribuído conectado à rede elétrica.
As edificações fotovoltaicas conectadas à rede (EFCR) são uma das aplicações da
tecnologia fotovoltaica. Nesse caso, a faixada ou o teto de uma edificação é utilizada como
suporte aos geradores fotovoltaicos. Com a ajuda de um inversor, a energia produzida
inicialmente sob tensão e corrente contínuas passa a ser disponibilizada em tensão e corrente
alternada, podendo ser diretamente inserida na rede de distribuição de eletricidade ou utilizada
em qualquer um dos equipamentos elétricos instalados na edificação. O fato desses sistemas
serem conectados à rede elétrica possibilita a não utilização de armazenadores eletroquímicos
de energia, diminuindo significativamente o custo financeiro dos sistemas (OLIVEIRA &
ZILLES, 2008), (FIGURA 22).
Figura 22: Esquema de um sistema fotovoltaico residencial conectado à rede elétrica convencional
As edificações fotovoltaicas passam portanto a ser produtoras independentes de
energia. Assim, se houver consumo elétrico durante um dia de sol, a edificação passa a
utilizar a energia produzida por seu próprio sistema. Se não houver consumo diurno ou este
54
for inferior à geração solar fotovoltaica naquele dia, a energia produzida em excesso passa a
ser disponibilizada para a companhia distribuidora de eletricidade. Durante a noite, período
onde não há geração fotovoltaica de energia, toda a demanda é suprida pela rede elétrica.
Dessa forma, o usuário compra uma menor quantidade de energia da rede, diminuindo a carga
energética da concessionária. Esses sistemas fornecem, portanto, uma ferramenta a mais para
que as concessionárias de energia possam gerir a disponibilidade de energia da cidade
(OLIVEIRA & ZILLES, 2008).
Existem, no entanto, uma série de dificuldades que as EFCRs terão de enfrentar. Em
primeiro lugar, não se tem dados sistemáticos sobre o seu comportamento quando expostos ao
clima tropical brasileiro. Em segundo lugar, apesar da legislação do país prever a figura do
gerador independente de energia, as relações de compra e venda do produto energia ainda não
estão bem definidas. Em terceiro lugar, a energia fotogerada por esses sistemas ainda é cara
quando comparada aos valores praticados pelas concessionárias produtoras de eletricidade
(OLIVEIRA & ZILLES, 2008).
Dificuldades dessa ordem impedem que as edificações fotovoltaicas conectadas à rede
sejam consideradas como uma forma complementar de produção de eletricidade.
Apesar das dificuldades existentes na implementação de edificações fotovoltaicas, seu
uso massivo, em um futuro próximo, requer o estabelecimento de uma regulamentação. Esta
regulamentação deverá garantir que o sistema fotovoltaico instalado na edificação não
represente um risco para a rede de distribuição de eletricidade ou para quem ocupe o edifício.
Além disso, deverá estabelecer os requisitos de qualidade da energia gerada por esses
sistemas referentes a, por exemplo, fator de potência, distorções harmônicas etc (OLIVEIRA
& ZILLES, 2008).
Como a utilização desses sistemas é fato relativamente novo dentro do contexto
energético brasileiro, há uma carência de discussões e reflexões que procurem estabelecer
parâmetros e condições para a difusão desta tecnologia, particularmente na aplicação em
questão (OLIVEIRA & ZILLES, 2008).
55
8.1 Sistemas Conectados à Rede no Mundo
A década de 90 experimentou um grande crescimento da aplicação de sistemas
fotovoltaicos no mundo. A capacidade instalada saltou de 110 MWp em 1993 para 20,4 GWp
em 2009 (IEA-PVPS, 2009), mostrado na figura 23, sendo que 93% da capacidade instalada
atual concentra-se em quatro países: Alemanha, Japão, EUA e Espanha (JANUZZI, 2009).
Os custos em 2006, quando comparados com 1975, são oito vezes menores. Passaram
de US$ 30/Wp para US$ 3,75/Wp. Estes custos cairão ainda mais a ponto de tornar a energia
gerada pelos Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede (SFCR) competitiva em relação às
tarifas praticadas aos consumidores e aos sistemas convencionais de geração de eletricidade.
De acordo com a Plataforma Tecnológica Fotovoltaica Européia (European Union, 2007), a
energia gerada através de sistemas fotovoltaicos conectados à rede deverá se tornar
competitiva na Europa com a tarifa praticada para o consumidor (paridade com a rede) entre
2010 e 2020, e com os custos médios de geração depois de 2030 (JANUZZI, 2009).
Dessa forma, os avanços da indústria fotovoltaica e seu crescimento vertiginoso a
partir da década de 90 devem-se a políticas públicas implementadas por vários países. Em
2009, os SFRCs foram responsáveis por 94% do total instalado, ou seja, os 6% restantes
corresponderam aos sistemas não conectados à rede (JANUZZI, 2009).
Figura 23: Potência acumulada instalada de sistemas fotovoltaicos em países no mundo conectados ou não à rede elétrica, em MW (1992–2009).
56
8.2 Sistemas Conectados à Rede no Brasil
No Brasil, os SFCRs são poucos e de caráter experimental. As principais aplicações da
tecnologia solar fotovoltaica no país são relativas à telecomunicação, à eletrificação rural, aos
serviços públicos e ao bombeamento de água (JANUZZI, 2009).
Estima-se uma potência total instalada de sistemas fotovoltaicos autônomos de cerca
de 20 MW, dos quais 70% estão localizados nas Regiões Norte, Nordeste e Centro-Oeste
(ZILLES, 2008), e de sistemas conectados à rede de 0,153 MWp (VARELLA, 2009).
No entanto, o Brasil possui um grande potencial de irradiação solar, maior do que duas
vezes o potencial da Alemanha, país líder de sistemas fotovoltaicos em capacidade instalada,
(JANUZZI, 2009), (TABELA 5).
Tabela 5: Capacidade instalada de sistemas fotovoltaicos e potencial solar na Alemanha, Espanha e Brasil.
Nota: * sistemas fotovoltaicos conectados à rede
O custo de geração de sistemas fotovoltaicos conectados à rede no Brasil ainda é
bastante elevado se comparado com o custo marginal de expansão do setor elétrico e com as
tarifas de eletricidade praticadas aos consumidores.
O custo dos SFCRs no Brasil varia de 800 a 900 R$/MWh (Zilles, 2008). Já o custo
marginal de expansão do setor elétrico nacional é de US$ 57/MWh (R$ 125,40/MWh) de
acordo com o Plano Nacional de Energia 2030 (EPE, 2009). As tarifas médias para os
consumidores são apresentadas na Tabela 6 (JANUZZI, 2009).
Portanto, o custo dos SFCR’s no Brasil é de seis a sete vezes maior do que o custo
marginal de expansão e de três a quatro vezes maior do que as tarifas médias de eletricidade
(JANUZZI, 2009).
57
Tabela 6: Tarifas médias de eletricidade no Brasil (2009)
8.2.1 Preço Médio da Geração Fotovoltaica Conectada à Rede Elétrica
No mercado atual existem empresas que comercializam kits de geração fotovoltaicos,
incluindo os equipamentos que compõem o sistema, logo abaixo é representado na Tabela 7, o
valor de uma instalação conforme a potência pré – definida pela empresa Solenerg.
Tabela 7: Preço de Kits fotovoltaicos conectados à rede pela Solenerg.
(1) Estimativa de geração de energia considerando instalação em local sem sombras com
painel fotovoltaico voltado para o norte verdadeiro e inclinação otimizada, considerando uma
taxa de desempenho total de 75%;
(2) Preço apenas do inversor e dos módulos fotovoltaicos - não incluídos os acessórios tais
como suportes, fiação e a instalação;
(3) Características elétricas medidas nas condições padrão: irradiação de 1 kW/m² e
temperatura de 25ºC;
58
(4) Radiação solar média anual no plano de instalação do painel fotovoltaico dependendo da
região de instalação. Regiões de menor latitude e menos nubladas (Nordeste - 5,5 h/dia),
maior latitude e mais nubladas (Sul - 4,5 h/dia).
Para uma casa com um consumo médio de 300 KWh/mês, com a tarifa/preço próxima
a R$ 0,3077 o KWh (CPFL, Out/2010), gastaria por mês próximo a R$ 92,31
(desconsiderando tarifas de impostos).
Uma instalação fotovoltaica com esses dados custaria por volta de R$ 47.981,19
(desconsiderando preço de instalação, fiação); dividindo este custo pela tarifa mensal daria
um montante próximo a 520 meses, ou seja, o custo de uma instalação fotovoltaica conectada
à rede para este exemplo seria paga em 40 anos e 4 meses de pagamento de contas
convencional de energia elétrica.
Por essa análise torna-se inviável a aplicação desta tecnologia em casa residencial para
os dias atuais, porém é a alternativa mais promissora de geração de energia para o futuro.
Uma das soluções para diminuir as barreiras desta tecnologia para a sociedade brasileira seria
a atuação do governo na forma de incentivos para o uso massivo deste recurso.
8.3 Postura da ANEEL
Em 8 de setembro de 2010 a ANEEL emitiu a Nota Técnica n° 0043/2010-
SRD/ANEEL, documento emitido pelas Unidades Organizacionais e destina-se a subsidiar as
decisões da Agência, com a Proposta de abertura de Consulta Pública para o recebimento de
contribuições visando reduzir as barreiras para a instalação de geração distribuída de
pequeno porte, a partir de fontes renováveis, conectada em tensão de distribuição.
Tem como objetivo apresentar os principais instrumentos regulatórios utilizados no
Brasil e em outros países para incentivar a geração distribuída de pequeno porte, a partir de
fontes renováveis de energia, conectada na rede de distribuição, assim como buscar
contribuições para questões que o regulador deve enfrentar para reduzir as barreiras
existentes, as quais foram direcionadas para a participação dos interessados por meio de
Consulta Pública.
Dentre os mecanismos que estão sendo analisados já utilizados em outros países são:
59
Criação de uma tarifa especial (Feed-in) para cada tipo de fonte: O sistema Feed-in
consiste no pagamento de uma tarifa mais vantajosa para as centrais geradoras que utilizam
fontes renováveis de energia, quando comparada com as fontes convencionais. O objetivo é
viabilizar a implantação de tais empreendimentos, que possuem custos mais elevados de
produção.
Esse incentivo foi implantado pelos governos em vários países, e não pelos órgãos
reguladores, pois se trata de política pública voltada para a diversificação da matriz
energética, com o uso de fontes renováveis. Tais tarifas normalmente são garantidas por um
período determinado, 10 a 20 anos, que seria o tempo necessário para permitir o
desenvolvimento das fontes alternativas, com conseqüente redução de custos.
Adoção do sistema de medição (Net Metering): Consiste na medição do fluxo de energia
em uma unidade consumidora dotada de pequena geração, por meio de medidores bi-
direcionais. Dessa forma, registra-se o valor líquido da energia no ponto de conexão, ou seja,
se a geração for maior que a carga, o consumidor recebe um crédito em energia ou em
dinheiro na próxima fatura. Caso contrário, o consumidor pagará apenas a diferença entre a
energia consumida e a gerada.
Estabelecimento de quotas de energia: Neste sistema, é estabelecida uma quota de energia a
ser compulsoriamente adquirida pelas distribuidoras para cada fonte de energia que se deseja
incentivar, repassando os custos de compra dessa energia mais cara aos consumidores.
8.4 Nacionalização de Produtos Fotovoltaicos
Outra maneira de tornar essa tecnologia viável seria a nacionalização de produtos
fotovoltaicos, visto que o Brasil é um grande produtor de silício (matéria prima dos módulos
fotovoltaicos), apesar da dificuldade em produzi-los, acredita-se que em médio prazo os
módulos poderiam ser montados no Brasil, não sendo necessário importá-los prontos e
montados. Para isso, seria necessário investir na capacitação de recursos humanos e na
formação de boa competência nacional para a montagem dos módulos a partir das células
(VARELLA, 2009).
Um exemplo prático aconteceu na Unicamp onde criaram o primeiro conversor
eletrônico brasileiro capaz de conectar painéis solares diretamente à rede elétrica, o conversor
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eletrônico de potência trifásica tem um grau de eficiência de 85%. Os primeiros testes foram
realizados entre dezembro e janeiro de 2010 no Laboratório de Hidrogênio (LH2) da
Unicamp.
De acordo com Ernesto Ruppert Filho, que desenvolveu o conversor juntamente com
seu colega Marcelo Gradella Villalva, não se tem notícia até o momento de nenhum outro
conversor eletrônico similar no Brasil.
O protótipo foi testado com êxito numa instalação de painéis solares com capacidade
de 7,5 kW. Este conversor substituiu plenamente, durante o período de testes, os três
conversores eletrônicos monofásicos adquiridos da empresa alemã SMA, que estão
atualmente ligados a esses painéis solares, ainda que o protótipo tenha consumido R$ 15 mil,
os pesquisadores calculam que, em escala industrial de produção, o conversor poderá alcançar
um custo final aproximado de R$ 10 mil. Este custo final representa o custo de um terço de
um produto importado com as mesmas características (FILHO & VILLALVA, 2010).
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9 CONSIDERAÇÕES FINAIS
A geração de eletricidade através da luz solar é a solução ideal para os problemas
energéticos que vários países tem enfrentado nos últimos tempos. A necessidade de progresso
deve ser atrelada a sustentabilidade, preocupando-se com o planeta com o intuito de
minimizar os efeitos que já estamos passando com sua degradação.
A energia solar é uma das várias fontes de energia renovável no mundo, sendo pouco
aproveitado comparado com a quantidade de energia que o Sol irradia em nosso planeta todos
os dias.
O Brasil é privilegiado por sua matriz energética baseado principalmente em
hidroelétricas que é uma fonte renovável limpa, porém deve continuar sendo um país de
geração renovável, incentivando e apoiando o uso de recursos naturais contidos em seu
território, com terras tropicais ele é premiado com outras fontes renováveis como a eólica,
maremotriz, solar entre outras.
A energia solar no país ainda é pouco utilizada, porém poderá ser a solução ideal para
o desenvolvimento do país, com uma geração fotovoltaica descentralizada, regulamentada e
incentivada a um uso massivo, os problemas de consumo em horários de pico nos grandes
centros urbanos serão minimizados com as gerações individuais próximas ao ponto de grande
consumo, sendo a solução também aos períodos de grande estiagem do país sem chuva,
intercalando a geração de energia através da chuva e sol.
Com o custo elevado nos dias atuais, a geração de eletricidade pela luz solar deve ser
apoiada pelo governo, com incentivos fiscais e financeiros, além de apoiar pesquisas
referentes ao assunto.
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10 REFERÊNCIAS
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<www.cresesb.cepel.br> Acesso em 15 Set. 2010.
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FILHO, Ruppert; VILLALVA, Marcelo G. Unicamp cria conversor para ligar painéis
solares à rede elétrica. Disponível em <http://www.inovacaotecnologica.com.br/
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