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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO PRÓ-REITORIA DE PÓS-GRADUAÇÃO
FACULDADE DE ARQUITETURA, ENGENHARIA E TECNOLOGIA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM
ENGENHARIA DE EDIFICAÇÕES E AMBIENTAL
ESTUDO DO APROVEITAMENTO DA RADIAÇÃO SOLAR CAPTADA POR
PAINÉIS FOTOVOLTAICOS COMO GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTR ICA EM
EDIFICAÇÕES NO MUNICÍPIO DE CUIABÁ-MT.
DANIEL PEREIRA CORRÊA
CUIABÁ, MT DEZEMBRO, 2013
UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO PRÓ-REITORIA DE PÓS-GRADUAÇÃO
FACULDADE DE ARQUITETURA, ENGENHARIA E TECNOLOGIA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM
ENGENHARIA DE EDIFICAÇÕES E AMBIENTAL
ESTUDO DO APROVEITAMENTO DA RADIAÇÃO SOLAR CAPTADA POR
PAINÉIS FOTOVOLTAICOS COMO GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTR ICA EM
EDIFICAÇÕES NO MUNICÍPIO DE CUIABÁ-MT.
DANIEL PEREIRA CORRÊA Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Edificações e Ambiental da Universidade Federal de Mato Grosso, como um requisito, à obtenção do título de Mestre em Engenharia de Edificações e Ambiental.
Orientador: Prof. Dr. José Antônio Lambert
CUIABÁ, MT DEZEMBRO, 2013
Dados Internacionais de Catalogação na Fonte.
Ficha catalográfica elaborada automaticamente de acordo com os dados fornecidos pelo autor.
Permitida a reprodução parcial ou total desde que citada a fonte.
DEDICATÓRIA
Dedico este trabalho àqueles que sonham em ter uma fonte limpa e renovável de energia elétrica, a alimentar sua habitação e que com isso, possa usufruir dos benefícios dessa fonte energética também em sua comunidade e que juntos possam efetivamente colaborar com a mudança na matriz energética brasileira, tal como já acontece em outros países do mundo.
AGRADECIMENTOS
A Deus primeiramente que me capacitou e permitiu que pudesse cumprir com mais esse
objetivo, sempre a meu lado.
Ao meu orientador, Prof. Dr. Lambert, pela paciência e por confiar e compartilhar
comigo seus conhecimentos técnicos e de vida.
A minha esposa, Tatiane, que está sempre ao meu lado e muito me ajudou, até mesmo
com a sua renúncia aos momentos em que poderíamos ter passados juntos.
Ao meu filho, Adryan Miguel, maravilha que Deus trouxe à nossa vida, exatamente na
reta final desta dissertação e também a minha enteada que soube entender os momentos em que
fui ranzinza e chato.
Aos meus pais, José Bonifácio e Josefa, que me ensinaram o respeito e o amor à vida,
sinceridade e perseverança.
Aos meus irmãos, Mariolan e Lucenir que souberam compreender a minha ausência
nesse período de desenvolvimento do Mestrado.
A meu afilhado Mariolan Junior e minha sobrinha Yasmin pelo amor recíproco.
Aos colegas da Caixa Econômica Federal, que além do apoio técnico e muitas vezes
executivo, compreenderam a minha ocasional ausência.
A todos os colegas e professores do Mestrado, que em vários momentos e de várias
formas me ajudaram.
À aqueles que de mim duvidaram em algum momento, pois para a honra e glória do
Senhor Jesus Cristo aqui venci, assim como ele me revelou que venceria.
“Toda a honra e toda a glória ao nome do Senhor Jesus Cristo”
RESUMO
Este trabalho discute a possibilidade de utilização da energia elétrica produzida à partir da
transformação fotovoltaica da radiação solar captada por um sistema fotovoltaico montado em
laboratório e, fornecendo energia a sistemas de cargas comuns utilizadas em uma habitação
popular. Através da adaptação de um método de captação da radiação solar e sua transformação
direta em energia elétrica por um sistema fotovoltaico montado em laboratório na Universidade
Federal de Mato Grosso, simulando as condições reais de radiação solar incidente em Cuiabá,
Mato Grosso. O método está focado na avaliação dos níveis de produção de energia elétrica,
bem como de outras grandezas elétricas, como tensão e corrente elétrica geradas pelo módulo
fotovoltaico e comparadas àquelas consumidas por três sistemas de carga, uma bomba
hidráulica, um conjunto de lâmpadas fluorescentes e um motor de geladeira. O resultado da
pesquisa concluiu que embora a radiação solar incidente na região da pesquisa possa constituir
uma fonte de energia complementar à energia disponibilizada pela concessionária. O custo por
kWh ainda é muito alto se comparado com a tarifa cobrada comercialmente de um usuário
classe residencial, tornando assim inviável a utilização em regiões que disponham de rede de
energia elétrica da concessionária
Palavras-chave: Energia elétrica, Transformação fotovoltaica, Custo, Viabilidade.
ABSTRACT
This paper discusses the possibility of using the energy produced from the photovoltaic
conversion of solar radiation captured by a photovoltaic system mounted in the laboratory and
providing power to common loads used in a popular residential system. By adapting a method
for collecting solar radiation and its direct conversion into electricity by a photovoltaic system
mounted in the laboratory at the Federal University of Mato Grosso, simulating the real
conditions of solar radiation in Cuiaba, Mato Grosso. The method is focused on assessing the
levels of production of electricity , as well as other electrical quantities such as voltage and
electrical current generated by the photovoltaic module and compared to those consumed by
three loading systems , a hydraulic pump , a set of fluorescent lamps and a motor magnets . The
result of the research concluded that although the solar radiation incident on the research area
can be a source of energy to supplement power provided by the utility. The cost per kWh is still
very high compared with the rate charged for the residential commercial class user, making thus
impractical for use in regions that have the power network of dealership.
Keywords: Electricity, photovoltaic conversion, cost, feasibility
.
ix
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 – População Mundial chega a 7 bilhões de pessoas, diz ONU. ................................. 19
Figura 2 - Variação percentual do PIB e variação do consumo de energia
(1998-2007) ......................................................................................................... 30
Figura 3 - Consumo mundial acumulado de energia por fonte em milhões
de tep (1982 a 2007) ............................................................................................ 30
Figura 4 – Consumo mundial acumulado de energia em milhões tep no período de
1971 a 2006 ......................................................................................................... 31
Figura 5 - Consumo mundial acumulado de energia por fonte em milhões de tep
(1996 a 2011) ...................................................................................................... 32
Figura 6 – Evolução do Consumo de Energia Mundial, 1990 – 2035. .................................... 33
Figura 7 – Comparativo do Potencial de Geração de Elétrica por Fonte Instalada
no Brasil .............................................................................................................. 38
Figura 8 - Evolução da oferta interna de energia. Adaptado de PDE ....................................... 40
Figura 9 – Comparativo da evolução do consumo de energia mundial frente ao PIB ............. 41
Figura 10 – Matriz Energética do Brasil – Geração por fonte (KW) ....................................... 43
Figura 11 – Consumo de energia elétrica por região em 2007 ................................................. 48
Figura 12 – Consumo de energia elétrica por setor no Brasil em 2007.................................... 50
Figura 13 – Oferta Interna de Energia Elétrica no Brasil - Distribuição por Fonte,
dados de 2010. ..................................................................................................... 53
Figura 14 – Dados acumulados da capacidade de geração de energia SFV no mundo ............ 67
Figura 15 - Consumo de energia mundial ................................................................................ 68
Figura 16 - Média anual do total diário de irradiação solar no Brasil em kWh/m2/dia. .......... 69
Figura 17 – Modelos de Células Fotovoltaicas de Silício Monocristalino ............................... 76
Figura 18 – Modelos de Pastilhas Policristalinas sem antirreflexão, com
antirreflexão e com AR e filamentos elétricos .................................................... 77
Figura 19 – Modelo de película fina semitransparente de Silício Amorfo ............................... 78
x
Figura 20 – Exemplo de Módulo Amorfo ................................................................................ 79
Figura 21 - Interligação em série de células cristalinas solares ................................................ 81
Figura 22 - Percentual de participação no mercado fotovoltaico para cada
tipo de tecnologia no período de 1999 a 2010. ................................................... 82
Figura 23 - Produção de células fotovoltaicas no mundo de 1999 a 2009. .............................. 94
Figura 24 - – Esquema do sistema fotovoltaico montado ........................................................ 96
Figura 25 – Imagem geral do ICET e do ponto de Instalação dos Módulos Solares
Fotovoltaicos ..................................................................................................... 102
Figura 26 - Caracterização do local de instalação do módulo fotovoltaico e
estrutura de suporte. .......................................................................................... 103
Figura 27 – Detalhe de fixação da estrutura de sustentação ................................................... 104
Figura 28 - Detalhe dos perfis de sustentação ........................................................................ 104
Figura 29 – Detalhe das montagens das placas solares na estrutura de sustentação .............. 104
Figura 30 – Mapa de Declinação Magnética 2012 ................................................................. 106
Figura 31 – Declinação Magnética de Cuiabá ........................................................................ 107
Figura 32 – Detalhe de montagem do Quadro de Distribuição .............................................. 108
Figura 33 – Detalhe de fixação do Quadro de Distribuição ................................................... 109
Figura 34 – Detalhe da ligação dos Módulos Fotovoltaicos .................................................. 109
Figura 35 – Esquema de Montagem dos Circuitos ................................................................. 110
Figura 36 – Detalhe da montagem da Bancada de Teste e chegada dos Cabos
Elétricos dos Circuitos Independentes .............................................................. 111
Figura 37 – Detalhe da ligação das baterias estacionárias...................................................... 111
Figura 38 – Detalhe do Inversor de frequência 1000W, Entrada 24V / Saída 127V ............. 112
Figura 39 – Detalhe do controlador de carga ......................................................................... 113
Figura 40 – Detalhe Osciloscópio Digital GDS 2062 - GW Instek 60MHz 2CH. ................. 113
Figura 41 – Detalhe multímetro digital ITMD 3010 .............................................................. 113
Figura 42 – Forma de Onda da Tensão na saída do inversor para motor geladeira
a ponteira vezes 10 ............................................................................................ 115
Figura 43 – Forma de onda da corrente na saída do inversor para o motor geladeira ............ 115
Figura 44 – Forma de onda da tensão e corrente na saída do inversor ................................... 116
Figura 45 – Forma de onda da tensão e corrente para o motor CC 12V –
Bomba – 18Vcc e 2,2A (média) ........................................................................ 116
xi
Figura 46 – Forma de onda da tensão na saída do inversor de frequência para
um sistema de iluminação com 6 lâmpadas de 21 W. ....................................... 117
Figura 47 – Forma de onda da corrente na saída do inversor de frequência para
um sistema de iluminação com 6 lâmpadas de 21 W. ....................................... 117
Figura 48 – Forma de Onda da Corrente na saída do inversor de frequência para
um sistema de iluminação com 6 lâmpadas de 21 W. ....................................... 118
Figura 49 – Comportamento da corrente e tensão das placas solares e bateria no
período de 29.01 a 01.02.2013 .......................................................................... 119
Figura 50 – Energia gerada pelas placas solares e energia absorvida e devolvida
pela bateria no período de 29.01 a 01.02.2013 .................................................. 120
Figura 51 – Diagrama de blocos do sistema montado ............................................................ 121
Figura 52 – Energia gerada pelas placas solares e energia absorvida e devolvida
pela bateria no dia 30.01.2013 .......................................................................... 123
Figura 53 – Comportamento da corrente e tensão das placas solares e bateria no dia
30.01.2013 ......................................................................................................... 124
Figura 54 – Comportamento da corrente, tensão e potência ativa nas lâmpadas
fluorescentes registrados pelo analisador de energia no período de 29.01
a 01.02.2013 ...................................................................................................... 125
Figura 55 – Comportamento da energia do sistema de iluminação em 30.01.2013 ............... 126
Figura 56 – Energia fornecida ao sistema de iluminação em 30.01.2013 .............................. 127
Figura 57 – Corrente e tensão na bateira e placa solar – motor de geladeira em
27.05.2013 ......................................................................................................... 128
Figura 58 – Comportamento da energia gerada pela placa solar e da energia cedida
pela bateria para o motor de geladeira em 27.05.2013 ...................................... 129
Figura 59 – Comportamento da corrente, tensão e energia consumida pelo motor de
geladeira em 27.05.2013 ................................................................................... 130
Figura 60 – Comportamento da corrente e tensão na placa solar e bateria para o motor de
geladeira em 28.05.2013 ................................................................................... 131
Figura 61 – Comportamento da energia gerada pela placa solar e energia devolvida pela
bateria para o motor de geladeira em 28.05.2013 ............................................. 132
Figura 62 – Comportamento da corrente, tensão e energia consumida pelo motor de
geladeira em 28.05.2013 ................................................................................... 133
xii
Figura 63 – Comportamento da energia gerada pela placa solar e energia cedida pela
bateria para o motor de geladeira de 28.05.2013 à 29.05.2013 ......................... 133
Figura 64 – Comportamento da corrente, tensão e energia consumida pelo motor de
geladeira de 28.05.2013 a 29.05.2013 ............................................................... 134
Figura 65 – Comportamento da corrente, tensão e energia consumida pelo motor de
geladeira de 12.06.2013 a 13.06.2013 ............................................................... 135
Figura 66 – Comportamento da energia gerada pela placa solar e energia cedida pela
bateria para o motor de geladeira de 12.06.2013 a 13.06.2013 ......................... 136
Figura 67 – – Comportamento da corrente, tensão e energia consumida pelo motor
de geladeira de 12.06.2013 a 13.06.2013 .......................................................... 136
Figura 68 – Formas de onda de tensão e corrente para um ciclo, para carga
de iluminação .................................................................................................... 138
Figura 69 –Energia consumida pela iluminação durante um período da frequência
de 60 Hz. ........................................................................................................... 138
Figura 70 – Formas de onda de tensão e corrente para um ciclo, tendo como carga
um motor de geladeira ....................................................................................... 141
Figura 71 - Energia consumida durante um período da frequência de 60 Hz, tendo
como carga um motor de geladeira. ..................................................................... 141
xiii
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Consumo de energia e emissões de carbono por região, 1990 – 2020. ................... 33
Tabela 2– Países membros da OCDE ....................................................................................... 42
Tabela 3 – Capacidade de Geração de Energia Elétrica por Fonte e Tipo de
Empreendimento. ................................................................................................... 42
Tabela 4 - Capacidade de geração de energia por tipo de fonte energética .............................. 44
Tabela 5 - Consumo final energético das principais fontes energéticas 2011 a 2020. ............. 46
Tabela 6 – Evolução do consumo final energético por fonte (103 tep). ................................... 47
Tabela 7 – Estimativa do número de novos consumidores ligados à rede elétrica pelo
Programa Luz Para todos, nas grandes regiões do Brasil de 2004 à 2008 ............ 51
Tabela 8 - Característica dos inversores com formas de onda diferentes. ................................ 90
Tabela 9 - Número de equipamentos do sistema solar. ............................................................ 99
Tabela 10 - Número de horas/uso de cada equipamento. ....................................................... 101
Tabela 11 – Custos de aquisição de cada equipamento. ......................................................... 145
Tabela 12 – Apuração do custo produtivo de energia elétrica pelo sistema fotovoltaico. ..... 146
Tabela 13 – Custos da energia consumida da concessionária. ............................................... 147
Tabela 14 – Custos da energia produzida pelo sistema solar fotovoltaico pesquisado. ......... 148
xiv
LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS
ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica
ATR – Açúcar Total Recuperável
B100 – Biodiesel
BEN – Balanço Energético Nacional
BP Global – Beyond Petroleum Global
BTU – Unidade Térmica Britânica
CB-SOLAR – Centro Brasileiro para Desenvolvimento da Energia Solar Fotovoltaica
CEPEL – Centro de Pesquisa de Energia Elétrica
CGEE – Centro de Gestão e Estudos Estratégicos
CRESESB – Centro de Referência para a Energia Solar e Eólica Sérgio de Salvo Brito
EPE – Empresa de Pesquisa Energética
EPIA – European Photovoltaic Industry Association
EVA – Etileno Vinil Acetato
Eq. - Equação
FV – Fotovoltaica
GEE – Gases do Efeito Estufa
GW – Gigawatt
GWp/ano – Gigawatt pico por ano
IEA – International Energy Agency
IPEA – Instituto de Pesquisa Econômica e Aplicada
MAB – Movimento dos Atingidos por Barragens
MAPA - Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento
MME – Ministério das Minas e Energia
MW – Megawatt
OCDE – Organização para Cooperação e Desenvolvimento Econômico
ONG – Organização Não Governamental
ONS – Operador Nacional do Sistema
PBE – Programa Brasileiro de Etiquetagem
PDE – Plano Decenal de Expansão
PLT – Programa Luz para Todos
PPT – Programa Prioritário de Termeletricidade
xv
PRODEEM – Programa de Desenvolvimento Energético de Estados e Municípios
PROINFA – Programa de Incentivo às Fontes Alternativas
RGR – Reserva Reversa Global
SFV – Solar Fotovoltaica
SNI – Sistema Interligado Nacional
Tep – Tonelada equivalente de petróleo
THD – Distorção Harmônica Total
TWh – Terawatt hora
xvi
SUMÁRIO
RESUMO ..................................................................................................................................v
LISTA DE ILUSTRAÇÕES ..................................................................................................... ix LISTA DE TABELAS ............................................................................................................ xiii LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS ............................................................................. xiv
1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................................... 18
1.1 MOTIVAÇÃO PARA A PESQUISA ............................................................................ 18
1.2 JUSTIFICATIVA ........................................................................................................... 24
1.3 OBJETIVOS ................................................................................................................... 25
1.3.1 Objetivo Geral ......................................................................................................... 25 1.3.2 Objetivos Específicos .............................................................................................. 25
1.4 DELIMITAÇÕES DO OBJETO DE PESQUISA ......................................................... 26
1.5 ESTRUTURA DO TRABALHO ................................................................................... 27
2 ESTADO DA ARTE ............................................................................................................. 28 2.1 CONSUMO DE ENERGIA ........................................................................................... 28
2.1.1 Consumo de energia mundial .................................................................................. 29 2.1.2 Consumo de energia no Brasil ................................................................................. 34 2.1.3 Matriz energética do Brasil ..................................................................................... 37 2.1.4 Relação do consumo de energia com a evolução do produto interno bruto ............ 41
2.1.5 Panorama do consumo de energia no Brasil ............................................................ 44 2.1.6 Produção de eletricidade a partir da energia eólica ................................................. 51 2.1.7 Produção de eletricidade a partir do biodiesel ......................................................... 51 2.1.8 Produção de eletricidade a partir da cana-de-açúcar e álcool .................................. 52
2.1.9 Produção de energia elétrica .................................................................................... 52 2.2 ENERGIA SOLAR ........................................................................................................ 55
2.2.1 Energia solar fototérmica ........................................................................................ 55 2.3 ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA ......................................................................... 56
2.4 ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA NO BRASIL ................................................... 57
2.5 TIPOS DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS ................................................................ 70
2.6 COMPONENTES BÁSICOS DOS SISTEMAS FOTOVOLTAICOS ......................... 73
xvii
2.6.1 Semicondutores ....................................................................................................... 73 2.6.2 Placas de células solares fotovoltaicas .................................................................... 74 2.6.3 Módulos fotovoltaicos ............................................................................................. 80 2.6.4 Baterias .................................................................................................................... 85
2.6.5 Controladores de carga ............................................................................................ 87 2.6.6 Inversores ................................................................................................................ 88
2.6.7 Conversores CC - CC .............................................................................................. 91 2.7 VIABILIDADE ECONÔMICA ..................................................................................... 92
3 MATERIAIS E MÉTODOS .................................................................................................. 95 3.1 COMPONENTES DO SISTEMA FOTOVOLTAICO MONTADO ............................ 95
3.2 TIPOS DE EQUIPAMENTOS ....................................................................................... 96
3.2.1 Placa Solar ............................................................................................................... 97
3.2.2 Controlador de Carga .............................................................................................. 97 3.2.3 Inversor de Frequência ............................................................................................ 98 3.2.4 Baterias .................................................................................................................... 98
3.2.5 Bomba d’água .......................................................................................................... 99 3.3 ESPECIFICAÇÕES DOS EQUIPAMENTOS .............................................................. 99
3.3.1 Número de Equipamentos ....................................................................................... 99 3.3.2 Potência de cada equipamento ................................................................................. 99 3.3.3 Tensão de funcionamento de cada equipamento ................................................... 100
3.3.4 Consumo em ampères por hora de cada equipamento .......................................... 100
3.3.5 Número de horas/uso de cada equipamento .......................................................... 101 3.4 MÉTODO ..................................................................................................................... 101
3.4.1 Local de instalação ................................................................................................ 101 3.4.2 Orientação do Arranjo Fotovoltaico ...................................................................... 105 3.4.3 Montagem e ligação elétrica .................................................................................. 108
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES ....................................................................................... 114 4.1 LEITURA DO OSCILOSCÓPIO ................................................................................. 114
4.2 AQUISIÇÃO DE DADOS RELATIVOS AO SISTEMA DE ILUMINAÇÃO .......... 118
4.3 AQUISIÇÃO DE DADOS RELATIVOS AO MOTOR DE GELADEIRA ............... 127
4.4 ANÁLISE DA ENERGIA CONSUMIDA EM UM CICLO DE REDE ..................... 137
4.4.1 Energia consumida no sistema de iluminação ....................................................... 137 4.4.2 Energia consumida no motor de geladeira ............................................................ 140
4.5 ANÁLISE ECONÔMICA ............................................................................................ 143
5 CONSIDERAÇÕES FINAIS E CONCLUSÃO ................................................................. 149
5.1 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ........................................................ 152
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................... 154
18
1 INTRODUÇÃO
1.1 MOTIVAÇÃO PARA A PESQUISA
Durante a realização dessa pesquisa, o autor constatou que programas voltados à
iniciativa de eficiência energética, como também àqueles que efetivamente apresentem
propostas de redução do consumo de energia elétrica, estão reduzidos a algumas intervenções
ainda embrionárias. Constata-se que a maior parte do investimentos estão concentrados em
soluções que utilizam a energia solar para aquecimento da água.
Surge aí a possibilidade de estudar soluções de engenharia que aproveitem a radiação
solar não só para aquecimento, mas também, como fonte de geração de energia elétrica. A
proposta então é aferir quanto de energia elétrica pode ser produzida à partir da transformação
fotovoltaica e nesse sentido é necessário o desenvolvimento de pesquisas que forneçam dados
que venham a colaborar na compreensão e determinação de parâmetros de utilização dessa
tecnologia para a região de estudo focada nesta pesquisa.
O propósito então é de fornecer dados concretos, ainda que experimentais, que venham
a fundamentar novos estudos à partir do aproveitamento da energia solar captada e sua posterior
transformação em energia elétrica à partir de módulos fotovoltaicos, horizonte de pesquisa
ainda recente, sobretudo na região Centro Oeste do Brasil, podendo assim contribuir com dados
experimentais da captação da radiação solar local e sua transformação em energia elétrica, uma
vez que a região ainda é carente dessas informações.
Com base no exposto a importância de estudar quais os parâmetros de geração de
energia elétrica à partir desse tipo de fonte renovável, a fotovoltaica, fica cada vez mais em
evidência e tornam-se foco de muitas pesquisas que vislumbram, ou tem como pano de fundo
o aproveitamento de fontes renováveis de energia, sobretudo quando se busca substituir ou
reduzir a proporção de fontes não renováveis na matriz energética, necessidade que se verifica
como um tema em evidência no mundo todo.
19
A necessidade de energia é uma crescente no planeta. O crescimento populacional
rompendo a barreira de sete bilhões de pessoas, conforme ilustrado na Figura 1, faz com que
haja um aumento proporcional na produção das diversas indústrias no mundo, com isso surge
a necessidade de intensificar o uso das máquinas produtivas e com isso o aumento do consumo
de energia.
Figura 1 – População Mundial chega a 7 bilhões de pessoas, diz ONU. Fonte: http://g1.globo.com/mundo/noticia/2011/10/populacao-mundial-chega-7-bilhoes-de-pessoas-diz-onu.html.
Na esteira desse aumento de consumo de energia, surge a necessidade de utilização de
novas fontes energéticas, sobretudo aquelas baseadas em fontes renováveis, não oriundas de
combustíveis fósseis que venham a comprometer o desenvolvimento sustentável dos países,
cada vez mais comprometidos com metas de preservação ambiental (SEGUEL, 2009).
Segundo o CRESESB (2004) uma das alternativas para os problemas de geração de
energia à partir de fontes alternativas e renováveis, é investir no aproveitamento da energia
gerada pelo Sol, inesgotável se comparada à escala de tempo terrestre, proporciona tanto fonte
de calor quanto de luz, e configura-se em uma das alternativas energéticas mais promissoras
para enfrentarmos os desafios do novo milênio.
20
Importante frisar também que o Sol destaca-se, não só como uma fonte de energia direta
através de seus raios, mas também, é responsável pela origem de praticamente todas as outras
fontes de energia. Pode-se concluir então que, as demais fontes de energia são derivadas, em
sua maioria, da energia do Sol. Como ilustração, cita-se que a evaporação tem sua origem no
ciclo das águas, que possibilita a geração de eletricidade através das hidrelétricas, muito
utilizadas no Brasil. Para fontes energéticas como petróleo, carvão e gás natural, oriundas de
combustíveis fósseis já que são fontes provenientes do acúmulo de resíduos orgânicos por
longos períodos de tempo e que são transformados pelas variações de pressão e temperatura,
muito altas, através de reações físico-químicas provocadas pela radiação solar decorrente da
energia do Sol. É também por causa da energia do Sol que a matéria orgânica, como a cana-de-
açúcar, é capaz de se desenvolver, fazer fotossíntese para, posteriormente, ser transformada em
combustível nas usinas (CRESESB, 2004).
Dessa forma apesar do desenvolvimento acelerado de fontes energéticas alternativas
como as eólicas, a partir dos ventos, a biomassa, que tem seu aproveitamento do uso do bagaço
de cana, soja e outros vegetais, a alternativa pela utilização de Energia Solar Fotovoltaica (SFV)
tem sido aproveitada em países como Alemanha, Espanha, China e Estados Unidos. Todos esses
países têm em comum não estarem geograficamente localizados em posição de destaque em
relação à Linha do Equador, como o Brasil, que recebe altos índices de radiação solar durante
o ano todo, muito maior que os países citados.
Conforme Seguel (2009), os sistemas fotovoltaicos isolados caracterizam-se por possuir
como fonte primária, apenas a energia gerada pelos painéis fotovoltaicos, necessitando,
conforme o autor, de um sistema de armazenamento da energia captada, geralmente um banco
de baterias, para garantir o fornecimento de energia durante a noite ou em períodos com baixa
incidência solar. Como pontos positivos dessa tecnologia está a possibilidade de ser instalado
em áreas sem rede elétrica. Tais sistemas podem ser de geração apenas para uma residência ou
pode ser instalado em mini redes para atender uma pequena comunidade.
Como principal vantagem técnica apresenta-se a possibilidade de produção de
eletricidade nos próprios pontos de consumo, seja de forma isolada ou ainda integrada
diretamente às construções, instalados nos telhados, fachadas e coberturas das edificações,
podendo assim reduzir custos com infraestrutura para instalação dos sistemas de geração e
distribuição.
As fontes alternativas de energia tiveram sua importância destacada a partir da busca
por desenvolvimento sustentável e preservação ambiental. Muitos países perceberam que uma
21
das soluções era exatamente a mudança da matriz energética inserindo parcelas de fontes
alternativas e complementares, conjugadas com o fornecimento da principal fonte energética
de cada país. Nesse caso, países que privilegiavam fontes energéticas baseadas em combustíveis
fósseis, ou ainda, fontes térmicas ou nucleares, se viram obrigados a desenvolver e implantar
fontes alternativas que não só pudessem incrementar a geração de energia, mas, sobretudo,
servir de fonte alternativa.
A opção pela energia solar fotovoltaica (SFV) deu-se, em princípio, em experiências de
exploração espacial, onde o objetivo era desenvolver uma fonte de energia baseada na radiação
solar para uso nos equipamentos de exploração que passavam longos períodos de tempo no
espaço, sem condição de reabastecimento. Como havia restrição de peso e espaço, a opção pela
energia transformada a partir da radiação solar seria a melhor opção (RUTHER, 2000;
FRAIDENRAICH, 2005).
Dessa forma, diversos estudos embasaram o desenvolvimento desse tipo de fonte
energética. Os governos de todo o mundo, em especial países como Espanha, Portugal, China,
Alemanha, etc., direcionaram investimentos para pesquisa e desenvolvimento de painéis
fotovoltaicos e, com isso, a produção mundial dos módulos fotovoltaicos cresceu. Como
consequência, reduziram-se, significativamente, os custos da geração fotovoltaica que passou
a ser utilizada, no Brasil, apenas em regiões remotas. Outros países do mundo, porém,
utilizaram-se dessa solução para produção em centros urbanos na forma de sistemas conectados
à rede (SEGUEL, 2009).
Em um primeiro momento, o Brasil ficou distante desse desenvolvimento, uma vez que
as políticas governamentais para a geração de energia elétrica sempre foram direcionadas a
fomento de construção de hidrelétricas pelo país, investimento esse justificado pelas
características de nossa Matriz Energética. (BRONZATI & NETO, 2008).
No Brasil, devido ao alto grau de utilização da energia proveniente de hidrelétricas,
também considerada uma energia limpa, porém com grande potencial de alteração das
condições de hidrologia e relevo verifica-se a necessidade de desenvolvimento de outras opções
energéticas, desenvolvidas de forma institucional através de programas de fomento e
devidamente regulamentadas pelo governo federal, definindo assim os marcos regulatórios para
atuação, inclusive da iniciativa privada no setor.
Atualmente a utilização de fontes energéticas baseadas na transformação solar
fotovoltaica apresentam-se de duas formas: a autônoma, utilizada para lugares isolados e
distantes de grandes centros, onde é difícil se chegar com a rede de distribuição convencional
22
em razão do alto custo, ou, ainda, aquela interligada à rede elétrica da concessionária, que ganha
impulso graças a políticas e programas de desenvolvimento. Esse modelo já é utilizado por
diversas nações que saíram à frente nessa corrida pela popularização do aproveitamento da
energia SFV, em especial países da Europa como Espanha, Alemanha e Portugal, além de Japão
e China (RUTHER & ZILLES, 2010).
Os investimentos em geração de energia elétrica a partir do aproveitamento da radiação
solar transformada através de módulos fotovoltaicos, ainda são incipientes, muito decorrentes
dos altos custos de produção dos insumos necessários para a montagem desses módulos.
Embora o Brasil seja rico em silício, apresentando reservas abundantes do minério, não há
domínio da tecnologia de beneficiamento e o desenvolvimento de células solares e de módulos
fotovoltaicos (ALCANTARA, 2010).
Segundo Zilles & Rüther (2010), no Brasil, o custo para a adoção de geração de energia
a partir de sistemas fotovoltaicos conectados à rede está entre duas e três vezes acima da geração
convencional de energia. Para que esse problema possa ser solucionado o governo dos países
investidores tem implementado mecanismos de incentivo à produção e à aquisição de
equipamentos fotovoltaicos. Essa alternativa proporciona a redução desses custos de forma
gradual, dependendo é claro da forma de abertura e dos marcos regulatórios propostos. Isto
porque aliado a essa redução de custos acrescenta-se o desenvolvimento da indústria
fotovoltaica no país e por consequência a geração de empregos nos países que adotaram esta
sistemática de incentivo, semelhante ao que tem acontecido em programas de financiamento
habitacional.
Um importante passo foi dado pela Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) no
sentido de estimular a geração de energia no Brasil pela fonte solar. A ANEEL aprovou no dia
17 de abril de 2012 as resoluções normativas 481 e 482, que inserem medidas no sentido de
reduzir barreiras econômicas e burocráticas para o desenvolvimento dessa fonte de energia, já
bastante utilizada em diversos países e ainda incipiente no Brasil (ANEEL, 2012).
A resolução normativa 481 amplia o desconto na tarifa de uso do sistema de
transmissão/distribuição (TUST/TUSD) para empreendimentos da fonte solar que entrarem em
operação comercial até 2017. Já a resolução normativa 482 tem por objetivo estimular a geração
distribuída de energia elétrica por micro (até 100kW) e mini geradores (entre 100kW e 1MW)
para consumo próprio bem como criar e regular um sistema de compensação (também
conhecido como "net metering") entre energia gerada e consumida pelo consumidor/gerador
diretamente conectado ao sistema de distribuição. Essa intervenção do Governo Federal através
23
de sua agência reguladora pode propiciar com que os consumidores possam injetar energia na
rede de distribuição, reduzindo tal montante do valor que é mensalmente faturado pela
distribuidora (ANEEL, 2012).
Além disso, conforme definido no Manual do Programa de Pesquisa e Desenvolvimento
Tecnológico do Setor de Energia Elétrica, aprovado pela Resolução Normativa nº 316, de 13
de maio de 2008, os investimentos em Pesquisa e Desenvolvimento (P&D), deverão ser
orientados para subtemas estratégicos ou prioritários, buscando estimular o desenvolvimento
de invenções e inovações tecnológicas relevantes para o Setor Elétrico Brasileiro, subtemas
estratégicos serão definidos por meio de Chamadas de Projetos de P&D Estratégicos propostas
pela ANEEL (ANEEL, 2008).
Uma dessas chamadas ganha relevância pelo sucesso alcançado, a Chamada Pública de
Projeto Estratégico 013/2011 da ANEEL, também intitulada Arranjos Técnicos e Comerciais
para Inserção da Geração Solar Fotovoltaica na Matriz Energética Brasileira, que tem como
objetivo o desenvolvimento de um trabalho de pesquisa e desenvolvimento científico na
definição de arranjos técnicos e comerciais para a inserção da energia fotovoltaica na matriz
elétrica brasileira, o mais relevante, entretanto, na Chamada Pública 013/2011 da ANEEL está
no desenvolvimento de mecanismos de cunho estratégico que possam permitir propostas sobre
as formas de contratação e de mercado para a energia solar, com os respectivos desdobramentos
relativos ao incremento de uma indústria nacional, tecnologicamente atualizada e
ambientalmente sustentável. Para a ANEEL, o sucesso da Chamada Pública 013/2011 foi
expressivo uma vez que o cronograma de apresentação das propostas foi mantido sendo que 18
(dezoito) projetos foram protocolados, totalizando R$ 395.904.169,00 de investimento previsto
e 25 MW de potência a ser instalada. Dessa forma, somando-se ao fato de estudos recentes
apresentados pela ABINEE (Associação Brasileira da Indústria Elétrica e Eletrônica)
demonstrarem que o custo da energia solar fotovoltaica tem de forma constante e sustentável,
reduzido e alcançado patamares considerados pela EPE (Empresa de Pesquisa Energética)
competitivos a Chamada Pública aqui verificada será o indutor necessário para que alguns
obstáculos sejam removidos e a inserção dessa fonte na Matriz Elétrica Brasileira seja, de fato,
uma realidade (CARNEIRO, 2011).
Dadas essas inovações, a proposta desse trabalho é estudar quais os níveis de potência
elétrica são gerados à partir dos módulos fotovoltaicos montados e, qual o tempo máximo de
utilização dessa energia gerada, durante o dia, considerando o período de captação da energia
solar e também o sistema proposto para a geração autônoma.
24
Assim sendo, os dados alcançados podem conduzir a parâmetros de geração de energia
elétrica por módulos solares fotovoltaicos montados na região de estudo e favorecer a um
melhor detalhamento colaborando assim em um referencial para novas pesquisas que venham
ao encontro das novas políticas públicas de desenvolvimento da geração elétrica através de
aproveitamento da radiação solar.
1.2 JUSTIFICATIVA
A opção pelo estudo da energia SFV vai a o encontro do aumento da demanda por
energia elétrica que se verifica em todos os setores da economia mundial e, como visto nos
capítulos iniciais vem crescendo proporcionalmente ao crescimento da população mundial,
muito embora tenha acentuado a curva de crescimento no último século. Diante disso verifica-
se um grande crescimento no consumo total de energia elétrica em razão da própria natureza
humana em se utilizar de energia elétrica para garantir o seu sustento e também o seu conforto.
Além disso, o estudo da energia SFV vai ao encontro das características da região
centro-oeste, em especial o Estado de Mato Grosso e a cidade de Cuiabá, que apresentam
incidências de radiações solares durante a maior parte do dia, sugerindo que o aproveitamento
da mesma e sua transformação em energia elétrica através de módulos fotovoltaicos seja uma
opção considerável para a geração alternativa de energia elétrica.
Nesse caso, estabelecer qual o nível de geração de energia elétrica é produzido para
alimentação de alguns circuitos elétricos compostos por equipamentos necessários em uma
habitação, tais como um motor de geladeira, um conjunto de luminárias e, um conjunto de
baterias estacionárias, configura-se como uma proposta de estudo que visa fornecer dados reais
e que possam ser utilizados como parâmetros em pesquisas para desenvolvimento de projetos
de instalações de sistemas elétricos baseados nessa solução de sistemas isolados para a região
de estudo. Sob esse aspecto, tais equipamentos foram devidamente escolhidos por constituírem
cargas corriqueiras e que ocorrem com certa frequência em uma moradia convencional.
Justifica-se assim a importância da pesquisa para determinar quais índices das grandezas
elétricas como tensão, intensidade de corrente elétrica e potência nominal, são obtidos desses
equipamentos ligados a um sistema autônomo de geração de energia solar fotovoltaica.
25
1.3 OBJETIVOS
1.3.1 Objetivo geral
Nesta pesquisa pretende-se aferir qual o potencial de produção de energia elétrica é
obtido através da conversão da radiação solar em energia elétrica, por um sistema fotovoltaico
montado nas dependências da Universidade Federal de Mato Grosso (UFMT). Pretende-se
também medir os índices de diferença de potencial (tensão), intensidade de corrente elétrica e
potência elétrica ativa fornecida por esse sistema fotovoltaico ligado a equipamentos de
consumo como: um conjunto com quatro baterias estacionárias, um conjunto de luminárias e,
uma bomba hidráulica e um motor de geladeira.
1.3.2 Objetivos específicos
Os objetivos específicos da pesquisa são:
a) Implementar um sistema de geração baseado num módulo fotovoltaico para
captação de energia solar através de placas fotovoltaicas;
b) Verificar a variação na geração de energia elétrica no sistema, durante o período de
estudo;
c) Montar um sistema de alimentação de energia elétrica para um conjunto de
equipamentos ligados de forma autônoma;
d) Estudar o comportamento do sistema no que tange às grandezas elétricas, diferença
de potencial (tensão), intensidade de corrente elétrica e potência ativa de um sistema
formado por módulos fotovoltaicos ligados a um inversor de frequência, um
controlador de carga e os equipamentos citados;
e) Estudar o tempo máximo de utilização desse sistema de captação de energia solar,
fornecendo energia elétrica aos equipamentos;
f) Verificar o período de maior intensidade de radiação solar diária e também quais os
níveis de geração de energia elétrica nesse período;
26
1.4 DELIMITAÇÕES DO OBJETO DE PESQUISA
A importância dessa pesquisa advém da possibilidade de estabelecer quais os níveis de
energia elétrica são atingidos por uma atividade experimental que simula a geração de energia
elétrica à partir da transformação fotovoltaica, em sistemas de carga usuais em uma habitação
popular e se, esses níveis de energia são suficientes para atender ao consumo mínimo necessário
para essa unidade habitacional.
O foco deste estudo é a realidade de Cuiabá que é uma cidade do Estado de Mato Grosso
e da região Centro-Oeste, que segundo a ANEEL em seu Atlas de Energia Elétrica no Brasil 3ª
Ed., é uma região que tem aproximadamente 7 horas de insolação diária e cerca de 5.700 a
5.900 Wh/m2.dia, grande índice de radiação solar se consideradas outras regiões do país, ou
ainda, outros países do mundo mais evoluídos na tecnologia de captação e da radiação solar e
geração de energia elétrica através da transformação fotovoltaica, o que a torna uma região
potencial para propostas e estudos nesse âmbito, baseados na captação da radiação solar
(ANEEL, 2008).
O propósito então é estabelecer os níveis de geração elétrica produzidos, fixando o
estudo no aproveitamento da radiação solar como fonte alternativa de geração de energia
elétrica para edificações habitacionais, para tanto, pretende-se montar um experimento que
possibilite a captação e aproveitamento dessa radiação solar na região de Cuiabá-MT. Será
utilizado um sistema de placas solares fotovoltaicas, para realizar a captação de energia solar,
acoplado a dispositivos como inversor de frequência e controlador de carga, e fornecendo
energia a um banco de baterias, a um sistema de iluminação (conjunto de 6 lâmpadas
fluorescentes) e um motor de geladeira.
Tal experimento possibilitará estudar e confrontar o tempo máximo diário de geração
de energia elétrica e utilização do sistema utilizando a captação de energia solar; estabelecer
qual é o potencial de redução no consumo de energia proporcionada, quando se substitui a
alimentação de energia da concessionária por uma fonte baseada na radiação solar, além de
verificar qual o investimento necessário para montagem do sistema de captação e transformação
da radiação solar em fonte de energia elétrica.
Como resultado da pesquisa pretende-se apresentar as características do sistema em
funcionamento e o comportamento das grandezas elétricas tensão, intensidade de corrente
elétrica e potência nominal, envolvidos na pesquisa.
27
1.5 ESTRUTURA DO TRABALHO
Este trabalho está dividido em cinco capítulos. O primeiro capítulo apresenta uma
introdução sobre o assunto, caracterizando o problema a ser estudado e descrevendo os
objetivos esperados.
No segundo capítulo, inicia-se uma revisão bibliográfica referente ao modelo energético
atual no Brasil e no mundo, aos tipos de sistema e aplicação da energia fotovoltaica no mundo.
O terceiro capítulo descreve a metodologia a ser utilizada para verificar a produção de
energia elétrica a partir do aproveitamento da radiação solar e sua transformação pelo efeito
fotovoltaico, através de uma bancada de teste montada com módulos fotovoltaicos ligados em
série e paralelo a alguns equipamentos, como: uma bomba hidráulica, um conjunto de
luminárias, um motor de geladeira e um sistema composto por duas baterias estacionárias.
No quarto capítulo, são apresentados os resultados alcançados e as discussões dos
mesmos.
No quinto capítulo, são apresentadas as conclusões e sugestões para trabalhos futuros.
28
2 ESTADO DA ARTE
Neste capítulo são destacadas as situações do consumo de energia no contexto mundial
e nacional. Também são discutidos os tipos de aproveitamento da energia solar e os
componentes básicos de um sistema conversor solar fotovoltaico.
2.1 CONSUMO DE ENERGIA
Houve, nos últimos trinta anos, uma considerável diversificação nos perfis da matriz
energética do Brasil e do mundo. No Brasil, houve um forte aumento na participação da energia
hidráulica, do gás natural e dos produtos da cana-de-açúcar. Já nos países da Organização para
Cooperação e Desenvolvimento Econômico (OCDE), ocorreu forte incremento da energia
nuclear, seguido do gás natural. A perda de participação de 13,5 pontos percentuais do petróleo
e derivados, deste bloco econômico, entre 1973 e 2006, reflete o enorme esforço de substituição
desses produtos, decorrente, principalmente, dos choques nos preços do petróleo (BRASIL,
2007).
Na matriz energética brasileira, destaca-se o fato de que 46% de toda a energia
consumida no país foi produzida a partir de fontes renováveis, contrastando significativamente
com a média mundial de 12,9%. No setor elétrico brasileiro, destaca-se a geração centralizada,
principalmente a hidráulica, representando 77,4% do total, requerendo, geralmente, grandes
investimentos em transmissão e distribuição, pelo fato das usinas estarem normalmente
distantes dos centros consumidores. No Brasil, o aproveitamento hidrelétrico é de apenas 33%
do potencial disponível, mas o restante se concentra principalmente na região amazônica, onde
o aproveitamento pode acarretar grandes impactos ambientais e elevados custos de transmissão
e distribuição (T&D) (EPE, 2008).
29
Nesse contexto, faz-se necessária a criação de novas alternativas para geração de
energia, sendo uma dessas, o uso da energia SFV. O alto grau de irradiação solar disponível em
nosso país, a natureza complementar da disponibilidade de geração solar versus a hidrelétrica,
além do caráter distribuído da geração FV integrada ao ambiente construído conectada à rede,
possibilitando a geração de potência no local de consumo, devem ser levados em consideração
(JARDIM et al., 2007).
Ainda existe o problema do alto custo da tecnologia FV, mas o aumento da escala de
produção dos módulos fotovoltaicos para uma ordem de grandeza de Gigawatts pico por ano
(GWp/ano), fará com que ela se torne competitiva com os sistemas convencionais de geração
de energia elétrica (KESHNER; ARYA, 2004). O mercado global de energia fotovoltaica teve
um acréscimo de cerca de 7,2 GW em 2009, alcançando a capacidade total instalada de 22 GW
no mundo. Este foi o maior aumento anual de capacidade instalada, mesmo com o impacto da
crise econômica deste mesmo ano (EPIA, 2008).
A Alemanha permanece como sendo o maior mercado, com uma capacidade instalada
chegando a quase 10 GW, incluindo os cerca de 3,8 GW instalados em 2009. Sendo que na
evolução do mercado mundial houve também importante participação da Itália, Japão e Estados
Unidos (EPIA, 2008).
2.1.1 Consumo de energia mundial
Atualmente a população mundial experimenta uma acentuada expansão do consumo de
energia elétrica, impulsionada pelos constantes picos de crescimento econômico, constatados
pela melhora da qualidade de vida, sobretudo em países desenvolvidos, embora não se possa
perder de vista o crescimento dos países tidos como, em desenvolvimento.
A partir de dados pesquisados pelo Instituto de Pesquisa Econômica Aplicada (Ipea1) e
disponibilizados pela Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL2, 2008), reproduzidos na
Figura 2 apresentada a seguir. De 2003 a 2007 a economia mundial viveu um ciclo de vigorosa
expansão, refletida pela variação crescente do Produto Interno Bruto (PIB3): 3,6% em 2003;
4,9% em 2004; 4,4% em 2005; 5% em 2006 e 4,9% em 2007.
1 Ipea – Instituto de Pesquisa Econômica Aplicada 2 ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica 3 PIB – Produto Interno Bruto
30
Figura 2 - Variação percentual do PIB e variação do consumo de energia (1998-2007)
Fonte: Ipea, BP (2008 apud ANEEL – Atlas da Energia Elétrica no Brasil, 3ª Ed, 2008. p.39)
O estudo em questão apresenta também dados da BP Global4 em seu BP Statistical
Review of World Energy, publicado em Junho de 2008 em que, segundo a organização, nesse
mesmo período de avaliação o consumo de energia acumulado foi de 13%, passando de 9.828
milhões de toneladas equivalentes de petróleo (tep5) em 2003 e chegando a 11.099 milhões de
tep no ano de 2007, conforme Figura 3, a seguir.
Figura 3 - Consumo mundial acumulado de energia por fonte em milhões de tep (1982 a 2007)
4 BP Global (Beyond Petroleum, nova denominação da companhia British Petroleum) 5 tep – tonelada equivalente de petróleo
31
Fonte: BP Global, 2008
A edição de 2008 do Key World Energy Statistics, da IEA/OECD6, compara os anos de
1973 e 2006. Como pode ser visto na Figura 4. Nesse período de 33 anos, o consumo mundial
aumentou 73% ao passar de 4.672 milhões de tep para 8.084 milhões de tep.
Figura 4 – Consumo mundial acumulado de energia em milhões tep no período de 1971 a
2006 Fonte: IEA7/OECD, 2008
Embora os números apresentados nas duas pesquisas e os períodos abordados pela BP
Global e pela International Energy Agency (IEA), apresentem lapso temporal, entre si, percebe-
se que as tendências refletidas nas curvas de ambos os estudos são as mesmas, isto é, acentuada
expansão, estimulada principalmente pelo crescimento econômico dos países, como
comprovado em dados atuais levantados pela BP Global e demonstrados na Figura 5.
Por isso alguns aspectos negativos desse crescimento exponencial, verificado no
gráfico, devem merecer maior atenção, tais como o esgotamento de alguns recursos naturais,
estritamente necessários para a produção de energia, sobretudo petróleo, carvão e outras fontes.
Também preponderante nessa análise são os impactos ambientais que essa corrida
desenfreada por fontes não renováveis pode propiciar ao meio ambiente. Esse impacto traduz-
se pelo desequilíbrio da natureza em certas regiões do globo terrestre, como desertificação e a
6 OECD – Organização para Cooperação Econômica e Desenvolvimento 7 IEA – Internacional Energy Agency, Key World Energy Statistics 2008. OECD/IEA, 2008
32
extinção de espécies animais e vegetais da natureza, além do superaquecimento e derretimento
do gelo dos polos, sintomas dessa ação humana.
Figura 5 - Consumo mundial acumulado de energia por fonte em milhões de tep (1996 a
2011) Fonte: BP Global, 2012
Por último, outro aspecto tão importante quanto os demais considerados nessa análise,
deve ser levado em consideração, o custo financeiro que a cada dia torna-se mais elevado, para
se produzir a energia necessária.
Isso decorre da necessidade de elevados investimentos em pesquisas para descoberta de
novas fontes, além da urgência de construção de novas centrais energéticas, isso tudo somado
a subsídios para os consumidores de energia para garantia do fornecimento firme à população,
sem riscos de apagões e falhas estruturais como interrupções.
Os estudos realizados confirmam a evolução do consumo de energia mundial e
principalmente nos países em desenvolvimento, com previsões relativas às décadas passadas,
desde 1990 até 2020, como apresentado na Tabela 1.
33
Tabela 1 - Consumo de energia e emissões de dióxido de carbono por região, 1990 – 2020.
Países ou região Consumo de energia (Quadrilion BTU)
Emissões de dióxido de carbono (milhão de toneladas de carbono)
1990 1999 2010 2020 1990 1999 2010 2020 Industrializados 182,4 209,6 243,4 270,4 2.842 3.122 3.619 4.043 EE/FSU 76,3 50,5 60,3 72,3 1.337 810 940 1.094 Em desenvolvimento . . . . . . . Ásia 51,0 70,9 113,4 162,2 1.053 1.361 2.137 3.013 Oriente Médio 13,1 19,3 26,9 37,2 231 330 451 627 África 9,3 11,8 16,1 20,8 179 218 294 373 América Central-Sul 13,7 19,8 29,6 44,1 178 249 394 611 Total em desenvolvimento 87,2 121,8 186,1 264,4 1.641 2.158 3.276 4.624 Total mundial 346,0 381,8 489,7 607,1 5.821 6.091 7.835 9.762
Fonte: IEA World Energy Projection System (2001)
A Figura 6 a seguir, apresenta projeções para o consumo de energia mundial no período
compreendido de 1990 até 2035. Pelos dados percebe-se que o consumo mundial de energia
comercializada sofrerá variação de 53% no período compreendido entre 2008 a 2035. Nesse
caso, o uso total de energia mundial poderá aumentar de 121.000 TW em 2008 para até 146.000
TW em 2020 e podendo chegar a cerca de 182.000 TW em 2035, se mantidos os níveis de
consumo.
Figura 6 – Evolução do Consumo de Energia Mundial, 1990 – 2035.
34
Fonte: International Energy Outlook 2011, IEA (2011)8.
Segundo o IEA, grande parte do crescimento no consumo de energia ocorre em países
fora da OCDE9, onde a demanda é impulsionada por forte crescimento econômico de longo
prazo. A utilização de energia nessas nações aumenta em 85% enquanto que para as economias
da OCDE esse aumento é de 18% pela projeção apresentada (IEA, 2011).
2.1.2 Consumo de energia no Brasil
Segundo Ambrosi & Gonzato (1993), a questão energética preocupa indistintamente a
todos os países a começar por aqueles caracterizados pelo setor produtivo primário
predominante, chamados de países em desenvolvimento e chegando aos chamados países
industrializados.
Segundo Abbud & Tancredi (2010), durante o século XX, definiu-se o modelo de
organização e controle da prestação de serviços de energia elétrica mundial. A discussão era
qual modelo deveria ser escolhido pelos países se, a prestação desses serviços deveriam se
constituir numa atividade comercial livre ou regulada, ou ainda, de como seria constituída essa
atividade, se como serviço público ou como de iniciativa das empresas e das famílias. Se a
escolha fosse pelo serviço público, como deveria funcionar essa operação através do Estado ou
pela iniciativa privada.
O que diferencia a condição desses grupos em investir em novas tecnologias de geração
de energia é, exatamente, a sua economia, uma vez que os países desenvolvidos têm maior
capacidade de investimento, enquanto que a economia dos países em desenvolvimento não
suporta investimentos maciços necessários aos estudos e pesquisas que fomentam a criação de
novas fontes energéticas, imprescindíveis para o crescimento e desenvolvimento dos países em
desenvolvimento.
O Brasil é um país que utiliza, em sua matriz energética, basicamente a energia
proveniente de hidrelétricas. Embora outros recursos naturais como carvão, sejam encontrados
em abundância, suas condições geográficas de relevo e hidrografia, favorecem esse tipo de
fonte energética.
8 IEA – International Energy Agency. International Energy Outlook 2011. 9 OCDE – Organização para Cooperação do Desenvolvimento Econômico
35
Como produto dessa escolha, as definições que surgiram levaram a implantação de uma
forte regulamentação dos serviços privados, como posição intermediária entre esses extremos.
A partir de meados dos anos 1950 – em razão de conflitos entre o Governo brasileiro e as
empresas acerca da fixação de tarifas e, também, da necessidade de prover infraestrutura para
a industrialização, iniciou-se uma gradual estatização, concluída por volta de 1970, com
resultados técnicos positivos e ganhos diversos para o País (ABBUD & TANCREDI, 2010).
Durante essa década o Governo Federal promoveu a instalação da Eletrobrás, em 1962
com a atribuição de promover estudos, conceber projetos de construção e gerenciar operação
de usinas geradoras, de linhas de transmissão e de subestações destinadas ao suprimento de
energia elétrica do País, ou seja, propor políticas de incentivo à geração de energia elétrica.
Durante esse período em que ocorreu a criação da estatal, foram construídas várias hidrelétricas,
por meio de empresas constituídas e que funcionavam como subsidiárias da estatal.
O Sistema Interligado Nacional, que, na verdade, é um complexo de instalações,
composto de estações transformadoras e de redes de linhas de transmissão, conectados entre si
e também ao conjunto dos consumidores do País mostrou-se constituir um acerto na estratégia
governamental, uma vez que representa um ganho extraordinário no que diz respeito à
segurança do abastecimento de energia elétrica, já que a energia gerada e disponível no sistema
pode ser distribuída, independentemente do seu local de geração, por quase todo o território
nacional, conforme as necessidades de momento (ANEEL, 2008).
Esse Sistema Interligado possibilita que o país possa controlar o nível de água nos
reservatórios das hidrelétricas, principal fonte de energia elétrica do Brasil, através da
exploração da complementaridade das estações chuvosas e secas do ano, de acordo com os
níveis de chuva e temporadas de estiagem que cada estado brasileiro experimenta. Essa
dinâmica impacta diretamente na capacidade do país de geração de energia elétrica.
Segundo a ANEEL (2008), a geração de energia elétrica por meio de unidades
hidrelétricas, se realiza onde nas regiões em que os reservatórios estão cheios, localizados na
região Sul do Brasil e a energia gerada é enviada para abastecer a região Norte do país, enquanto
os reservatórios das usinas do Norte se enchem, aproveitando a sua estação chuvosa, que ocorre
em época diferente daquela da região Sul. A lógica descrita pela agência é de que mais tarde,
quando estiver chovendo no Sul, inverte-se a geração e a remessa de energia. Estima-se que
toda essa estrutura do Sistema Interligado garanta uma capacidade adicional de 30% à energia
gerada pelas hidrelétricas brasileiras.
36
Aproveitando esse movimento do setor, estados fortes economicamente como São
Paulo, Minas Gerais e Paraná, constituíram a sua própria empresa estatal para gerar e distribuir
energia elétrica, complementando o Sistema Interligado com recursos próprios.
Estruturado dessa forma, com forte participação dos Estados, o setor elétrico brasileiro
supriu de maneira bem-sucedida, durante quase três décadas, as necessidades de energia elétrica
do Brasil, permitindo o seu desenvolvimento econômico e social. Até que, na virada da década
de 1990, o modelo de financiamento da expansão do setor se esgotou, apoiado, em recursos
orçamentários, em empréstimos externos e na receita própria do setor. Além disso, a crise da
dívida pública, agravada na década de 1980, impediu os investimentos orçamentários, bem
como a tomada de novos recursos pelas empresas estatais (ANEEL, 2008).
Para Abbud & Tancredi (2010), no ano de 1995 a aprovação da regulamentação do setor
que permitiu a participação da iniciativa privada no setor elétrico brasileiro. Essa decisão
governamental foi estratégica para que se definisse um mecanismo necessário e imprescindível,
na época, para que possibilitasse uma forma de financiamento e expansão da capacidade de
geração nacional de energia. Como medida complementar, levada à cabo na época, a venda das
estatais do setor, também colaborou para esse ritmo de abertura desse mercado, ainda que
tenham se dado em um ambiente turbulento e de intensa polêmica.
Entre 1996 e o ano de 2002, foram realizados pelo governo diversas operações de
aproveitamento hidrelétrico, cujo mecanismo de transferência de responsabilidade ao setor
privado utilizado, era o de licitação via leilão. Com isso oxigenava-se o setor dando fôlego para
novos investimentos para a implantação, segundo dados da ANEEL, de novos
empreendimentos buscando a geração de cerca de 12.144,6 MW, novos ao sistema.
Concomitante a esse potencial adicionava-se a energia oriunda dos investimentos dos Governos
Federal e Estadual, realizados antes do ano de 1996, na construção de usinas hidrelétricas.
Nesse mesmo período, ocorreram também os leilões para construção da rede de novas linhas
de transmissão e estações de transformação, infraestrutura necessária e destinada a ampliar e
reforçar a Rede Básica de Transmissão.
Em 2003 e 2004 com a mudança na presidência e consequentemente nova legislação do
setor, o que se viu foi uma retração dos investidores no setor, inseguros ainda quanto à
complexidade e extensão das novas regras no ambiente de geração e comercialização de
energia. Essa nova legislação que, segundo o governo da época, tinha como foco garantir o
abastecimento do País, a universalização do serviço de energia elétrica e a modicidade tarifária,
simultaneamente, propunha que fosse assegurada uma remuneração justa aos investidores
37
privados, como forma de preservar o aporte de recursos financeiros ao setor, trazia como
exigência para novos empreendimentos a necessidade de obtenção do licenciamento ambiental
prévio ao lançamento dos processos licitatórios (ABBUD & TANCREDI, 2010).
Para Bronzatti e Neto (2008), além de um enorme potencial na produção de
combustíveis fósseis, como o petróleo e gás natural explorados no mar (campos offshore10), o
Brasil faz parte do grupo de países em que a produção de eletricidade é proveniente, na sua
maior parte, de usinas hidrelétricas.
Essas usinas corresponderam a 75% da potência instalada no país e geraram, em 2005,
93% da energia elétrica requerida no Sistema Interligado Nacional (SNI), os últimos dados da
capacidade de geração de energia à partir de hidrelétricas, informado pela ANEEL é de 67% da
potência instalada em 2012.
Uma redução considerável de 8 pontos percentuais que foi devidamente substituída por
outras fontes de energia, uma vez que o país também possui um grande potencial de exploração
de Urânio para utilização em novas usinas nucleares. No entanto, o processo é mais complexo
devido à questões ambientais, altos custos de investimento e a importação de tecnologia,
atrasando, dessa forma, a construção de novas usinas nucleares.
Essa nova matriz energética revela grande potencial para as fontes renováveis, como a
Energia Eólica e Solar. Em relação à energia eólica, segundo estudo do Centro de Referência
para Energia Solar e Eólica – CRESESB/CEPEL, o Brasil possui um potencial de 143 GW
(AMARANTE et al., 2001; MONTEZANO, 2012).
Parte desse potencial pode ser aproveitado comercialmente nos litorais do Nordeste,
Sudeste e Sul do país. Já em relação à energia solar, existe potencial a ser aproveitado, no
entanto, é necessário investimentos em tecnologia para redução dos custos de implantação e
geração (BRONZATTI & NETO, 2008).
2.1.3 Matriz energética do Brasil
Com base nessas informações iniciais é que segundo Bronzatti & Neto (2008), o cenário
muda por completo, a partir da definição de uma Matriz Energética para o Brasil, que contemple
o crescimento da demanda energética e a necessidade de investimentos em cada fonte. Esses
10 Campos offshore – são aqueles que estão em operação sendo explorados fora da fronteira do País.
38
dados, agora reunidos em um Balanço Energético, definem quais as necessidades de geração
de energia e quando serão necessárias que fontes alternativas contribuam no fornecimento de
energia, evitando assim novas crises energéticas com a que acometeu o país em 2001.
A Figura 7 mostra um comparativo da capacidade instalada de geração elétrica no Brasil,
segundo dados da ANEEL (2012), por fonte. Na figura nota-se que a energia solar no Brasil
ainda não ocupa posição de destaque em relação a outras fontes alternativas, tidas como mais
importantes.
Figura 7 – Comparativo do Potencial de Geração de Elétrica por Fonte Instalada no
Brasil Fonte: ANEEL, 2012
Tolmasquim (2012) concorda com essa ideia quando afirma que o Brasil vem
transformando sua matriz energética e garantindo suprimento de energia elétrica a partir de
outras fontes.
O Brasil vem fazendo com correção seu papel de desenvolvimento na área energética
tanto que é citado como referência internacional na produção de petróleo em águas
profundas, na produção de etanol, no seu parque de geração hidrelétrico, no
exponencial aproveitamento da energia eólica, no seu extenso e integrado sistema de
39
transmissão de energia elétrica e, especialmente, na renovabilidade de sua matriz
tanto energética quanto de produção de energia elétrica.
Sabe-se que o potencial do Brasil na geração de energia a partir de hidrelétricas e da
exploração de petróleo, embora pujante, é limitada, além de estar sujeita a condições climáticas
e a necessidade de novos investimentos.
Como exemplos cite-se a exploração do petróleo nas bacias do Pré-Sal e também na
construção de grandes centrais geradoras como a Usina Hidrelétrica de Santo Antônio, que terá
capacidade instalada de 3,15 mil megawatts a um custo de cerca de R$ 16 bilhões, juntamente
com a Usina Hidrelétrica Jirau, que será responsável por cerca de 3,3 mil megawatts a um custo
de cerca de 8,7 bilhões, formando assim, o Complexo Hidrelétrico do Rio Madeira, conforme
dados da ANEEL (2008).
Em que pese as pesquisas e dados consolidados apontarem para um crescimento do
potencial energético a partir da implantação dos novos empreendimentos, como as hidrelétricas,
para Tolmasquim (2012), o planejamento energético brasileiro de médio prazo, no que diz
respeito a geração elétrica a partir de hidrelétricas, sinaliza para uma leve queda da participação
na Matriz Energética, assim como a lenha e o carvão vegetal.
Em substituição a elas percebe-se que fontes como os derivados da cana-de-açúcar, em
especial o etanol, ganharão participação na matriz. Dessa forma, definiu-se um cenário de
crescimento econômico para o Brasil entre os anos de 2010 e 2020, baseado no crescimento do
PIB e demanda de energia e, através desse cenário, projetou-se a capacidade de produção e a
demanda para cada fonte na Matriz Energética brasileira, como mostra a Figura 8.
40
Figura 8 - Evolução da oferta interna de energia. Adaptado de PDE
Fonte: PDE 2020, 2011
Importante frisar também que a previsão para outras fontes como petróleo e derivados
tenham aumento da produção nos próximos anos, estima-se uma diminuição da sua fatia na
composição da matriz, uma vez que a maior parte da oferta adicional seria voltada para o
mercado externo (exportação). No que se refere ao mercado interno, a gasolina continuará a ser
gradativamente substituída pelo álcool hidratado.
2010 270,6 milhões de tep
37%
18%
10%
14%
11%
3%
6%
1%
Petró leo e Derivados
Gás Natural
Carvão M ineral e Derivados
Urânio (U3O8) e Derivados
Hidráulica e Eletricidade
Lenha e Carvão Vegetal
Derivados da Cana-de-Açúcar
Outras Renováveis
2020 439,7 milhões de tep
1%
4%
6%
14%12%
8%
22% 33% Petróleo e Derivados
Gás Natural
Carvão Mineral e Derivados
Urânio (U3O8) e Derivados
Hidráulica e Eletricidade
Lenha e Carvão Vegetal
Derivados da Cana-de-Açúcar
Outras Renováveis
41
2.1.4 Relação do consumo de energia com a evolução do produto interno bruto
Para Bronzatti & Neto (2008), reforçado por Piva (2010), a demanda energética de um
país está intimamente correlacionada com sua atividade econômica, ou seja, o Produto Interno
Bruto (PIB) desse país e, ambos seguem uma orientação de crescimento a partir do crescimento
populacional, conforme Figura 9.
Figura 9 – Comparativo da evolução do consumo de energia mundial frente ao PIB
Fonte: Matriz Energética Nacional 2030. Brasil/MME (2007).
A medida desta correlação é dada através da intensidade energética do país, traduzida
pelo binômio crescimento populacional e aumento do consumo de energia. Nas nações em
desenvolvimento, em sua maior parte formadas pelas nações não integrantes da OCDE (Ver
Tabela 2), o índice é alto conforme estudo da Energy Information Administration – IEA,
mostrado na Figura 9 e reproduzido pela ANEEL (2012).
42
Tabela 2– Países membros da OCDE PAÍSES INTEGRANTES DA ORGANIZAÇÃO PARA COOPERAÇÃO E
DESENVOLVIMENTO ECONÔMICO (OCDE)
Alemanha Estados Unidos
da América Holanda Luxemburgo
República da CorIEA
Austrália Eslováquia Hungria México República
Checa Áustria Espanha Islândia Noruega Reino Unido Bélgica Finlândia Irlanda Nova Zelândia Suécia Canadá França Itália Polónia Suiça
Dinamarca Grécia Japão Portugal Turquia Fonte: www.oecd.org – Acesso em 23 jul. 2012
Para compor esse novo quadro de matriz energética, existe um enorme potencial nas
fontes renováveis, como a Energia Eólica e Solar, conforme os dados apresentados pela ANEEL
que podem ser vistos na Tabela 3 e Figura 10.
Tabela 3 – Capacidade de Geração de Energia Elétrica por Fonte e Tipo de Empreendimento.
Empreendimentos em Operação Tipo Quantidade Potência Outorgada (kW) Potência Fiscalizada (kW) %
CGH 385 230.564 228.866 0,19 EOL 79 1.734.528 1.638.232 1,38 PCH 418 4.076.198 4.020.623 3,38 UFV 8 5.494 1.494 0 UHE 199 82.003.309 78.826.649 66,33 UTE 1.569 33.507.388 32.113.273 27,02 UTN 2 1.990.000 2.007.000 1,69 Total 2.660 123.547.481 118.836.137 100
Fonte: Capacidade de geração do Brasil. Banco de Informações de Geração (BIG) ANEEL, 2012.
Legenda CGH Central Geradora Hidrelétrica EOL Central Geradora Eolielétrica PCH Pequena Central Hidrelétrica UFV Usina Fotovoltaica UHE Usina Hidrelétrica de Energia UTE Usina Termelétrica de Energia UTN Usina Termonuclear
43
Figura 10 – Matriz Energética do Brasil – Geração por fonte (KW)
Fonte: ANEEL, 2012
Em outra sequência de dados a ANEEL apresenta um levantamento por tipo de fonte
energética, identificando o potencial de geração de energia elétrica por tipo de empreendimento
já instalado e, também, o total de potência elétrica gerada a que cada uma é responsável, como
pode ser visto na Tabela 4.
Através dos dados mostrados nesse levantamento pode-se perceber que fontes
energéticas, tidas como renováveis como, a Eólica (respondendo pela geração de 1,638 TW),
já encosta no Carvão Mineral (fonte considerada não renovável, respondendo por 1,944 TW).
Como relatado por Bronzatti & Neto (2008), a ANEEL apresentava, já em 2008,
potencial de geração elétrica a partir da energia eólica de cerca de 143 GW segundo estudo do
Centro de Referência para Energia Solar e Eólica – CRESESB/CEPEL.
Atualmente o nível de potência elétrica proveniente dessa fonte chega a 1.638 GW,
portanto ainda há muito campo a ser explorado por essa fonte no País, uma vez que é a que
mais cresce no Brasil, segundo os dados da própria agência.
Pelos estudos da ANEEL, ainda não são possíveis afirmar com segurança qual o
potencial de energia elétrica é proveniente da energia SFV.
%
44
Tabela 4 - Capacidade de geração de energia por tipo de fonte energética Empreendimentos em Operação
Tipo Capacidade Instalada
% Total
% N.º de Usinas
(KW) N.º de Usinas
(KW)
Hidro 1.003 83.077.338 65,43 1.003 83.077.338 65,43
Gás Natural 106 11.561.813 9,11
146 13.393.496 10,55 Processo 40 1.831.683 1,44
Petróleo Óleo Diesel 935 3.413.542 2,69
969 7.349.853 5,79 Óleo Residual 34 3.936.311 3,10
Biomassa
Bagaço de Cana 354 7.648.288 6,02
438 9.379.937 7,39 Licor Negro 14 1.245.198 0,98
Madeira 43 376.535 0,30 Biogás 19 77.308 0,06
Casca de Arroz 8 32.608 0,03 Nuclear 2 2.007.000 1,58 2 2.007.000 1,58 Carvão Mineral
Carvão Mineral 10 1.944.054 1,53 10 1.944.054 1,53
Eólica 79 1.638.232 1,29 79 1.638.232 1,29
Importação
Paraguai 5.650.000 5,46
8.170.000 6,44 Argentina 2.250.000 2,17 Venezuela 200.000 0,19 Uruguai 70.000 0,07
Total 2.657 126.965.755 100 2.657 126.965.755 100 Fonte: ANEEL (2012)
Além do desenvolvimento econômico, outra variável que determina o consumo de
energia é o crescimento da população – indicador obtido tanto pela comparação entre as taxas
de natalidade e mortalidade quanto pela medição de fluxos migratórios.
No Brasil, entre 2000 e 2005, essa taxa de crescimento teve uma tendência de queda
relativa, registrando variação média anual de 1,46%, segundo relata o estudo Análise
Retrospectiva constante do Plano Nacional de Energia 2030, produzido pela Empresa de
Pesquisa Energética (MME, 2008).
2.1.5 Panorama do consumo de energia no Brasil
Ainda assim, a tendência do consumo de energia no período de 2000 a 2005 foi de
crescimento de 13,93%. A exemplo do que ocorre no mercado mundial, também neste caso o
movimento pode, portanto, ser atribuído principalmente ao desempenho da economia. O
45
Produto Interno Bruto do país, no mesmo período, registrou um crescimento acumulado de
14,72%, conforme dados do IPEA.
Comparando as séries históricas constante dos Balanços Energéticos Nacionais (BEN)
de 2008 e 2011, do Ministério de Minas e Energia, percebe-se que a expansão do consumo
global de energia sofreu redução percentual da ordem de 22,2%, uma vez que no BEN 2008
essa expansão foi de 62,1% enquanto que no BEN 2011 que relata dados levantados na década
iniciada em 2001 a 2010, essa expansão foi de apenas 39,9% (BRASIL, 2008).
Da análise desses dados apresentados pelo BEN 2011 e, de uma maneira geral, as
tendências tem sido de expansão do consumo global de energia (o que abrange derivados de
petróleo, gás natural, energia elétrica, entre outros). De 2001 a 2010, o crescimento acumulado
foi de 39,9%, com o consumo total passando de 172,186 milhões de tep para 240,949 milhões
de tep.
Nem mesmo em 2001, ano marcado pelo racionamento de energia elétrica, o consumo
global de energia registrou recuo: passou de 171,949 milhões de tep para 172,186 milhões de
tep (aumento de 0,14%), acompanhando a taxa de crescimento do PIB nacional, de 1,3%. Mas,
este comportamento foi beneficiado pela utilização de outros tipos de energia, visto que o
consumo de energia elétrica registrou uma queda de 6,6% em 2001 (BRASIL, 2008).
Enquanto no BEN 2008, os derivados de petróleo eram os principais energéticos
utilizados no país em 2007 – um comportamento verificado ao longo dos últimos anos. Se
somados óleo diesel, gasolina e GLP (gás liquefeito de petróleo), o consumo atingiu 76,449
milhões de tep, diante de um consumo total de 201,409 milhões de tep (BRASIL, 2011).
Foi muito superior, portanto, ao da energia elétrica que, ao atingir 35,443 milhões de
tep, registrou aumento de 5,7% em relação ao total de 2006, de 33,536 milhões de tep. É
interessante notar, porém, que enquanto a gasolina automotiva registrou recuo de 1,0% entre
um ano e outro, o consumo de etanol aumentou 34,7% ao passar de 6,395 milhões de tep para
8,612 milhões de tep. Etanol e bagaço de cana foram, inclusive, os grupos a registrar maior
variação no período, como mostra a Tabela 5, o que justifica a consolidação da cana-de-açúcar
como segunda principal fonte primária para produção de energia no país. Em 2007, o setor
industrial continuou a ser o maior consumidor, imediatamente seguido por transportes e
residências, como pode ser observado no Tabela 5. Movido pelo incremento no nível de
46
atividade econômica, este setor registrou um aumento de 6,7% no volume absorvido (BRASIL,
2011).
Tabela 5 - Consumo final energético das principais fontes energéticas 2011 a 2020.
Discriminação 2011 2015 2020 Variação
% a.a. 2010/2020*
Gás natural (mil m³/dia) 59.472 91.186 135.791 9,1 Carvão mineral e coque (mil t) 10.772 15.668 18.736 6,3 Lenha (mil t) 56.656 62.675 69.446 2,2 Carvão vegetal (mil t) 8.680 11.203 11.975 4,2 4,2 Bagaço de cana (mil t) 149.905 187.798 238.019 5,7 Eletricidade (GWh) 479.037 581.165 730.073 4,9 Etanol (mil m³) 23.715 42.268 64.643 10,5 Biodiesel (mil m³) 2.441 2.986 3.805 5,1 Derivados de petróleo (mil m³) 96.309 104.058 127.992 3,5 Óleo diesel 46.934 57.458 73.363 5,2 Óleo combustível 6.819 8.120 9.336 3,4 Gasolina 24.688 18.174 21.677 -0,3 Gás liquefeito de petróleo 13.397 14.792 16.509 2,4 Querosene 4.470 5.513 7.107 5,3
Fonte: PDE 2020. Brasil (2011).
A energia elétrica foi a modalidade mais consumida no país em 2007, considerando que
os derivados de petróleo, em vez de somados, são desmembrados em óleo diesel, gasolina e
GLP, como ocorre no BEN 2008.
O volume absorvido, 35,443 milhões de tep, correspondeu a uma participação de 17,6%
no volume total e a um aumento de 5,7% sobre o ano anterior. Com este desempenho, a
tendência à expansão contínua e acentuada, iniciada em 2003, manteve-se inalterada.
Em função do racionamento de 2001 – e das correspondentes práticas de eficiência
energética adotadas, como utilização de lâmpadas econômicas no setor residencial, em 2002 o
consumo de energia elétrica verificado no país, de 321.551 GWh, segundo série histórica
constante do BEN 2008, estava em níveis próximos aos verificados entre 1999 e 2000.
A partir desse ano, porém, ingressou em ritmo acelerado de crescimento – 6,5% em
2003; 5,2% em 2004; 4,2% em 2005 e 3,9% em 2006, o que provocou, inclusive, preocupações
com relação à capacidade energética da oferta acompanhar esta evolução, conforme Tabela 6.
47
Tabela 6 – Evolução do consumo final energético por fonte (103 tep). Identificação 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 Gás natural 4.196 4.305 4.893 6.384 7.552 9.202 10.184 11.448 12.663 13.625 14.731 Carvão mineral 2.101 2.084 2.525 2.841 2.759 3.016 3.294 3.594 3.519 3.496 3.743 Lenha 12.919 13.296 13.500 13.627 13.699 14.390 15.218 15.752 16.119 16.414 16.310 Bagaço de cana 16.674 16.684 16.687 13.381 15.676 17.495 19.355 20.273 21.147 24.208 26.745 Lixívia 1.946 2.069 2.246 2.291 2.280 2.456 2.976 3.144 3.342 3.598 3.842 Outras recuperações 436 460 641 709 775 804 904 874 907 709 761 Gás de coqueria 1.382 1.320 1.155 1.247 1.219 1.178 1.259 1.342 1.328 1.289 1.387 Coque de carvão mineral
6.695 6.538 5.829 6.506 6.327 6.673 6.688 6.817 6.420 6.137 6.716
Eletricidade 25.333 26.394 27.144 28.509 26.626 27.642 29.430 30.955 32.267 33.536 35.443 Carvão vegetal 4.379 3.986 4.401 4.814 4.409 4.609 5.432 6.353 6.248 6.085 6.247 Álcool etílico 6.910 6.783 6.798 5.820 5.377 5.776 5.794 6.445 6.963 6.395 8.612 Outras secundárias – alcatrão
97 58 78 77 75 78 38 50 37 48 56
Subtotal derivados de petróleo
69.157 71.303 70.918 71.450 71.869 71.210 69.049 71.177 71.726 72.706 76.449
Óleo Diesel 27.569 28.541 29.084 29.505 30.619 31.694 30.885 32.657 32.382 32.816 34.836 Óleo combustível 12.301 11.997 10.544 9.500 8.469 8.239 7.223 6.513 6.574 6.126 6.498 Gasolina 14.215 14.834 13.828 13.319 13.051 12.468 13.162 13.607 13.638 14.494 14.342 Gás liquefeito de petróleo
7.116 7.335 7.661 7.844 7.742 7.402 6.996 7.182 7.121 7.199 7.433
Nafta 4 4 4 4 4 4 0 0 0 0 0 Querosene 2.931 3.202 2.988 3.180 3.286 3.161 2.221 2.369 2.578 2.401 2.632 Gás canalizado 108 111 94 85 35 26 0 0 0 0 0 Outras secundárias de petróleo
4.914 5.279 6.715 8.014 8.664 8.216 8.562 8.848 9.433 9.670 10.709
Total 4.914 5.279 6.715 8.014 8.664 8.216 8.562 8.848 9.433 9.670 10.709
Fonte: Brasil, 2008 (Ministério das Minas e Energia, valores acumulados até maio de 2008).
As diferenças regionais, principalmente relacionadas ao ritmo de atividade econômica
que, em alguns casos, provoca fluxos migratórios e à disponibilidade da oferta de eletricidade
também interferiram nos volumes de energia elétrica absorvidos no país.
Assim, embora a região Sudeste, mais industrializada e Centro-Oeste, com atividade
agropecuária bastante ativa, continue a liderar o ranking dos consumidores, nas demais regiões
a evolução do consumo tem sido bem mais acentuado. A Figura 11 mostra o consumo de
energia elétrica por região em 2007.
É possível constatar, pela série histórica produzida pelo ONS, que de 1997 a 2007 o
volume absorvido pela região Sudeste/Centro-Oeste aumentou 83,71%. Na região Norte,
porém, a variação foi de 184,51%, no Nordeste, de 130,79% e, no Sul, 128,53%.
48
Figura 11 – Consumo de energia elétrica por região em 2007
Fonte: ONS, 2008 apud ANEEL, 2008
Segundo dados da Empresa de Pesquisa Energética (EPE), o caso da região Norte ilustra
como a oferta local é um elemento importante no impulso ao consumo. Segundo a EPE, a
absorção de energia na região foi incrementada a partir dos anos 70, em função de dois fatos
marcantes: a criação da Zona Franca de Manaus e a entrada em operação da usina hidrelétrica
Tucuruí, no Rio Tocantins, em fins de 1985, o que favoreceu a instalação de indústrias de
alumínio na região. Em 1970, essa região consumiu 466 GWh (Gigawatts-hora). Em 1990, o
consumo atingiu 12.589 GWh, chegando a 30.455 GWh, no ano de 2007 (EPE, 2011).
Já o caso do Nordeste é ilustrativo do impacto da geração de renda no consumo de
energia elétrica. Em maio de 2008, a EPE detectou que, pela primeira vez, o volume de energia
elétrica requerido pelas residências dessa região (que abriga 28% da população nacional,
49
segundo dados da própria empresa) ultrapassou o da região Sul (15% da população nacional)
(EPE, 2011).
Nos 12 meses concluídos em maio de 2008, o consumo residencial de eletricidade no
Nordeste atingiu 15,4 mil GWh, enquanto na região Sul ficou em 15 mil GWh. A diferença,
embora pequena, indica uma tendência consistente, que começou a se configurar no final do
ano de 2007. Segundo a EPE, está alicerçada tanto na expansão do consumo médio por
domicílios, em função do aumento de renda e de programas sociais de transferência de recursos
do Governo Federal (em especial o Bolsa Família) quanto na evolução do número de domicílios
atendidos, em função do Programa Luz para Todos, também do Governo Federal (EPE, 2011).
Por setores, o industrial, como ocorre tradicionalmente, continuou a liderar o ranking
dos maiores consumidores de energia elétrica, com a aplicação de 192.616 GWh em 2007. Este
setor se caracteriza, também, por ser o principal abrigo de uma tendência que tem evoluído nos
últimos anos: a autoprodução de energia, ou investimentos realizados por consumidores de
grande porte em usinas geradoras para suprimento próprio e venda do excedente em mercado.
Conforme série histórica constante do BEN 2008, em 1992 essa atividade foi responsável pelo
consumo de 13.020 GWh. Em 2007 salta para cerca de 47.138 GWh, conclui-se daí que no
período de 15 anos, a variação acumulada foi de 262%.
A linha divisória dessa expansão concentra-se nos últimos cinco anos da década de 90,
quando os investidores foram estimulados pela constituição do mercado livre de energia elétrica
(ver capítulo 1), no qual poderiam negociar os excedentes – ou eletricidade produzida, mas não
consumida. Em 1995, a quantidade produzida foi de 14.923 GWh, volume 14,6% superior ao
de 1992. Em 1998, ano de constituição do mercado livre, atingia 20.583 GWh, volume 37,9%
superior ao de 1995.
Outro setor que se destaca pelo volume absorvido aliado ao acentuado crescimento é o
residencial. Em 2007, ele absorveu 90.881 GWh, quantidade muito inferior à registrada pela
indústria, mas, ainda assim, o segundo maior do país. No setor comercial o consumo foi de
58.535 GWh, no público, de 33.718 GWh, agropecuário, 17.536 GWh, e transportes, 1.575
GWh, como mostra a Figura 12. Nos últimos anos, o setor também tem se caracterizado pela
acentuada variação dos volumes consumidos.
50
Figura 12 – Consumo de energia elétrica por setor no Brasil em 2007
Fonte: BEN (2008) Brasil (2008)
Este comportamento foi mais visível a partir de 2003, o que leva muitos analistas a
interpretarem o fenômeno como o abandono gradual, pela população em geral, das práticas de
consumo eficiente de eletricidade, adotadas durante o racionamento. Em 2000, o consumo foi
de 83.613 GWh. Em 2001 e 2002 recuou para, respectivamente, 73.770 GWh e 72.740 GWh.
Em 2003, porém, deu um salto de 4,7%, atingindo 76.143 GWh. No acumulado dos cinco anos
que vão de 2002 a 2007, portanto, o consumo de energia elétrica pelo setor residencial
aumentou 25%.
Também contribuíram para esse comportamento o aumento do número de unidades
consumidoras formalmente ligadas à rede elétrica. Este fenômeno foi proporcionado tanto pelos
programas de regularização de ligações clandestinas, desenvolvidos individualmente pelas
distribuidoras, quanto pelas novas ligações realizadas pelo Programa Luz para Todos (LPT), do
Governo Federal, coordenado pela Eletrobrás.
Nos quatro anos de vigência, o programa realizou um total de 1,6 milhões de ligações,
beneficiando 7,8 milhões de pessoas, segundo dados do Ministério de Minas e Energia,
divulgados em maio de 2008 pela Empresa de Pesquisa Energética (EPE). Como pode ser
observado na Tabela 7, a maior parte das ligações foi realizada nas regiões Nordeste e Sudeste.
1,57517,269 17,536
33,71858,535
90,881
192,616
412,13
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
Transportes Setor Energético Agropecuário Público Comercial Residencial Industrial Consumo Final
Energético
TW
h
51
Tabela 7 – Estimativa do número de novos consumidores ligados à rede elétrica pelo Programa Luz Para todos, nas grandes regiões do Brasil de 2004 à 2008
Regiões Pessoas
beneficiadas Número de ligações realizadas
Norte 1.200.000 244.300 15,5% Nordeste 3.800.000 772.800 49,0% Sudeste 1.600.000 322.200 20,4%
Sul 650.000 129.500 8,2% Centro-
Oeste 550.000 108.900 6,9%
Total 7.800.000 1.577.700 100,0% Fonte: MME, 2008 (valores acumulados até maio de 2008), apud ANEEL, 2008.
2.1.6 Produção de eletricidade a partir da energia eólica
A produção de eletricidade a partir da fonte eólica alcançou 2.176,6 GWh em 2010. Isto
representa um aumento em relação do ano anterior (75,8%), quando se alcançou 1.238,0 GWh.
Em 2010 a potência instalada para geração eólica no país aumentou 54,1%. Segundo o Banco
de Informações da Geração (BIG), da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), o parque
eólico nacional cresceu 326 MW, alcançando 928 MW ao final de 2010, em decorrência da
inauguração de catorze parques eólicos. Dentre os novos parques eólicos se destacam quatro
com potência instalada superior a 40 MW: “Volta do Rio”, “Bons Ventos” e “Canoa Quebrada”
(respectivamente 42 MW, 50 MW e 57 MW, todos no Ceará), além do empreendimento
“Alegria I” (51 MW, no Rio Grande do Norte) (ANEEL, 2008).
2.1.7 Produção de eletricidade a partir do biodiesel
Em 2010 o montante de Biodiesel (B100) produzido no país atingiu 2.397.272 m³ contra
1.608.053 m³ do ano anterior. Com isto, verificou-se aumento de 49,1% no biodiesel
disponibilizado no mercado interno. Ao longo de 2010 o percentual de B100 adicionado
compulsoriamente ao diesel mineral foi constante em 5%. A principal matéria prima foi o óleo
de soja (82,2%) seguido do sebo bovino (13,0%).
52
2.1.8 Produção de eletricidade a partir da cana-de-açúcar e álcool
De acordo com o Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento (MAPA), a
produção de cana-de-açúcar no ano civil 2010 alcançou 627,3 milhões de toneladas. Este
montante foi 0,8% superior ao registrado no ano civil anterior, quando a safra foi de 622,6
milhões de toneladas.
Em 2010 houve aumento de 11,6% na produção nacional de açúcar, com um total 37,7
milhões de toneladas, além de um acréscimo de 7,1% na produção de etanol, produzindo- se o
montante de 27.962.558 m³. Cerca de 71% deste total referem-se ao álcool hidratado:
19.926.019 m³. Em termos comparativos, houve aumento de 4,4% na produção deste
combustível em relação a 2009. No que tange à produção de álcool anidro, que é misturado à
gasolina A para formar a gasolina C, registrou-se acréscimo de 14,6%, totalizando 8.036.539
m³.
Um fato relevante do setor sucroalcooleiro é o aumento de 5,4% na quantidade de ATR
(Açúcar Total Recuperável) na cana-de--açúcar, que corresponde à quantidade de açúcar
disponível na matéria-prima, subtraída das perdas no processo industrial. Em 2010 a média
registrada foi de 140,1 kg de ATR/ tonelada de cana ante 132,9 kg de ATR/ tonelada de cana
no ano civil anterior
2.1.9 Produção de energia elétrica
A geração de energia elétrica no Brasil em centrais de serviço público e autoprodutores
atingiu 509,2 TWh em 2010, resultado 10,0% superior ao de 2009. Permanece como principal
a contribuição de centrais de serviço público, com 87,5% da geração total. A principal fonte é
a energia hidráulica, que apresentou elevação de 3,7% em 2010. A geração a partir de
combustíveis fósseis representou 9,8% do total das centrais de serviço público contra 8,9% em
2009. A geração de autoprodutores em 2010 apresentou expressivo crescimento de 18,4% com
relação ao ano anterior, considerando o agregado de todas as fontes utilizadas. Importações
líquidas de 35,9 TWh, somadas à geração interna, permitiram uma oferta interna de energia
elétrica de 545,1 TWh, montante 8,4% superior a 2009. O consumo final foi de 455,7 TWh, um
aumento de 7,8% em relação a 2009.
53
Figura 13 – Oferta Interna de Energia Elétrica no Brasil - Distribuição por Fonte, dados de 2010.
Fonte: Balanço energético Nacional 2011: Ano Base 2010 - MME, 2011.
Houve, nos últimos trinta anos, uma considerável diversificação nos perfis da matriz
energética do Brasil e do mundo. No Brasil, houve um forte aumento na participação da energia
hidráulica, do gás natural e dos produtos da cana-de-açúcar. Já nos países da OCDE, ocorreu
forte incremento da energia nuclear, seguido do gás natural. A perda de participação de 13,5
pontos percentuais do petróleo e derivados, deste bloco econômico, entre 1973 e 2006, reflete
o enorme esforço de substituição desses produtos, decorrente, principalmente, dos choques nos
preços do petróleo (MME, 2007).
Na matriz energética brasileira, destaca-se o fato de que 46% de toda a energia
consumida no país foi produzida a partir de fontes renováveis, contrastando significativamente
com a média mundial de 12,9% (EPE, 2008).
No setor elétrico brasileiro, destaca-se a geração centralizada, principalmente a
hidráulica, representando 77,4% do total (EPE, 2008), requerendo, geralmente, grandes
investimentos em transmissão e distribuição, pelo fato das usinas estarem normalmente
distantes dos centros consumidores.
4%3% 1%
74%
7%
5%
6%
Derivados do petróleo
Nuclear
Carvão e derivados
Hidráulica
Gás Natural
Biomassa
Importação
54
No Brasil, o aproveitamento hidrelétrico é de apenas 33% do potencial disponível, mas
o restante se concentra principalmente na região amazônica, onde o aproveitamento pode
acarretar grandes impactos ambientais e elevados custos de transmissão e distribuição (T&D).
Nesse contexto, faz-se necessária a criação de novas alternativas para geração de
energia, sendo uma dessas, o uso da energia SFV. O alto grau de irradiação solar disponível em
nosso país, a natureza complementar da disponibilidade de geração solar versus a hidrelétrica,
além do caráter distribuído da geração fotovoltaica (FV) integrada ao ambiente construído
conectada à rede em grandes centros, ou de forma autônoma em regiões isoladas, possibilitando
a geração de potência no local de consumo, devem ser levados em consideração (JARDIM et
al., 2007).
Autores como Keshner e Arya (2004), acreditam que embora possa existir o problema
do alto custo da tecnologia FV, o aumento da escala de produção dos módulos fotovoltaicos
para uma ordem de grandeza de Gigawatts pico por ano (GWp/ano), poderia fazer com que essa
tecnologia se torne competitiva com os sistemas convencionais de geração de energia elétrica,
porém frise-se que tal informação não se confirmou até o momento.
O mercado global de energia fotovoltaica teve um acréscimo de cerca de 7,2 GW em
2009, alcançando a capacidade total instalada de 22 GW no mundo. Este foi o maior aumento
anual de capacidade instalada, mesmo com o impacto da crise econômica deste mesmo ano
(EPIA, 2010).
A Alemanha permanece como sendo o maior mercado, com uma capacidade instalada
chegando a quase 10 GW, incluindo os cerca de 3,8 GW instalados em 2009. Sendo que na
evolução do mercado mundial houve também importante participação da Itália, Japão e Estados
Unidos (EPIA, 2010).
O Brasil apresenta uma matriz de geração elétrica de origem predominantemente
renovável, sendo que a geração interna hidráulica responde por montante superior a 74 % da
oferta. Somando as importações, que essencialmente também são de origem renovável, pode-
se afirmar que aproximadamente 86% da eletricidade no Brasil é originada de fontes
renováveis.
55
No que tange ao consumo de energia elétrica, o setor industrial cresceu 9,9% em relação
a 2009, com destaques para os setores “ferro-gusa e aço”, “mineração e pelotização”, “não
ferrosos e outros da metalurgia”, além de “alimentos e bebidas”. Estes quatro setores
apresentaram variação de consumo acima de 10%
2.2 ENERGIA SOLAR
Segundo CRESESB (2004), o aproveitamento da energia gerada pelo Sol é inesgotável
na escala terrestre de tempo, tanto como fonte de calor quanto de luz. Dessa forma a mesma se
constitui numa das melhores alternativas para solução do problema energético enfrentado pelo
mundo, que precisa conviver com o aumento da população mundial e por consequência com a
necessidade de geração de energia elétrica, que em sua maioria ainda é proveniente de uma
matriz energética baseada fortemente em combustíveis fósseis. Surge então o aproveitamento
da radiação solar como solução para esse problema. Algumas formas de utilização da energia
solar são apresentadas a seguir.
2.2.1 Energia solar fototérmica
A primeira forma de aproveitamento desse tipo de energia é aquela oriunda da
quantidade de energia que um determinado corpo é capaz de absorver, sob a forma de calor, a
partir da radiação solar incidente no mesmo. Para que se possa utilizar esse tipo energético, faz-
se necessário a sua captura e manipulação a ponto de se poder armazená-la. Para que seja
realizada essa função o dispositivo com esse objetivo específico de captar a energia solar
fototérmica são os coletores solares (CRESESB. 2004, p.17).
A segunda forma de aproveitamento da radiação solar é através da transformação da luz
solar em energia elétrica, a qual se dá o nome de energia SFV, descrita a seguir no próximo
tópico.
56
2.3 ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
Conceitua-se a energia SFV, como aquela obtida a partir da conversão direta da radiação
proveniente do sol em eletricidade. A esse fenômeno Edmond Becquerel, que foi quem primeiro
percebeu esse efeito, chamou de Efeito Fotovoltaico. Tal fenômeno resulta do aparecimento de
uma diferença de potencial nos extremos de uma estrutura de material semicondutor, produzida
pela absorção da luz. Para ele a célula fotovoltaica seria a unidade fundamental do processo de
conversão e mola mestre do processo, sem a qual o fenômeno não se realizaria (CRESESB,
2004).
O Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio de Salvo Brito, em seu
Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos, apresenta um breve histórico da evolução
dessa tecnologia desde sua descoberta:
Em 1876 foi concebido o primeiro aparato fotovoltaico advindo dos estudos das
estruturas de estado sólido, e apenas em 1956 iniciou-se a produção industrial,
seguindo o desenvolvimento da microeletrônica. Inicialmente o desenvolvimento da
tecnologia apoiou-se na busca, por empresas do setor de telecomunicações, de fontes
de energia para sistemas instalados em localidades remotas. O segundo agente
impulsionador foi a “corrida espacial”. A célula solar era, e continua sendo, o meio
mais adequado (menor custo e peso) para fornecer a quantidade de energia
necessária para longos períodos de permanência no espaço. Outro uso espacial que
impulsionou o desenvolvimento das células solares foi a necessidade de energia para
satélites. A crise energética de 1973 renovou e ampliou o interesse em aplicações
terrestres. Porém, para tornar economicamente viável essa forma de conversão de
energia, seria necessário, naquele momento, reduzir em até 100 vezes o custo de
produção das células solares em relação ao daquelas células usadas em explorações
espaciais. Em 1978 a produção da indústria no mundo já ultrapassava a marca de 1
MWp/ano. O objetivo das pesquisas americanas na década de 80 era fornecer de 1 a
5,5% de toda a energia elétrica consumida no ano 2000 nos Estados Unidos, através
da conversão fotovoltaica. Em 1998 a produção de células fotovoltaicas atingiu a
marca de 150 MWp, sendo o Silício quase absoluto no ranking dos materiais
utilizados. O Silício, segundo elemento mais abundante na crosta terrestre, tem sido
explorado sob diversas formas: monocristalino (mono-Si), policristalino (poly-Si) e
amorfo (a-Si) (CRESESB, 2004).
57
O avanço na busca de novos componentes é uma emergência, visto que a nova
tecnologia possibilita melhorias e ganho no desempenho dessas células solares, responsáveis
pela transformação da radiação em energia.
Segundo o CRESESB os estudos se concentram no desenvolvimento de filmes finos,
onde a matéria prima mais adequada é o silício amorfo, uma vez que células solares baseadas
nesse tipo de material apresentam algumas características benéficas, como: além de utilizarem
menor quantidade de material do que as que apresentam estruturas cristalinas requerem uma
menor quantidade de energia no seu processo de fabricação, características que, por si só,
justificam o esforço em seu aperfeiçoamento.
O desafio da redução dos custos de células solares é a motivação para novos estudos e
planos de desenvolvimento de cada componente, isso tudo para que se viabilize a produção
desses dispositivos em escala industrial.
Para o CRESESB ainda que os custos sejam altos a tecnologia fotovoltaica torna-se cada
vez mais competitiva, uma vez que seus custos estão se equiparando com equipamentos
utilizados na geração de outras formas de energia convencionais. Esse movimento encontra
resposta em alguns fatores como: a necessidade de redução de impactos ambientais, quase
sempre decorrentes da exploração de combustíveis fósseis, além dos altos investimentos
necessários para a exploração de fontes energéticas como o petróleo, carvão e gás natural,
dominantes na Matriz Energética Mundial.
O CRESESB assegura, baseado em afirmações de Especialistas, que a tecnologia de
filmes finos poderá levar, no século XXI, a um custo de 1 US$/Wp, aproximadamente 1/4 dos
preços praticados atualmente no mercado internacional, para os módulos fotovoltaicos.
Investimentos em melhorias no processo de fabricação também auxiliarão na redução de custo.
2.4 ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA NO BRASIL
O CRESESB destaca em sua publicação o notável o impulso que a geração de energia
elétrica por conversão fotovoltaica vem recebendo no Brasil nos últimos anos, através de
projetos privados e governamentais, atraindo interesse de fabricantes pelo mercado brasileiro.
58
A quantidade de radiação incidente no Brasil é outro fator muito animador para o
aproveitamento da energia solar (CRESESB, 2004). Porém esses impulsos prescindem ainda
de ajustes, o que o Governo Federal vem tentando fazer através de incentivos e novas
legislações como a Resolução Normativa nº 482, de 17 de abril de 2012 em conjunto com a
Resolução Normativa nº 414, de 9 de setembro de 2010, estabelecendo novos critérios e condições
gerais para o acesso de microgeração e minigeração distribuída aos sistemas de distribuição de
energia elétrica e para o sistema de compensação de energia elétrica, criando assim regras para o
marco regulatório do setor.
Conforme o art. 1º da Resolução Normativa nº 414 da ANEEL de 9 de setembro de 2010, o
objetivo é estabelecer, de forma atualizada e consolidada, as condições gerais de fornecimento de
energia elétrica, cujas disposições devem ser observadas pelas distribuidoras e consumidores.
Percebe-se que a intenção do Governo Federal é criar um marco regulatório para o setor,
estabelecendo regras claras e bem definidas que possibilitem que os diversos usuários do sistema
possam usufruir do recurso energia elétrica, estabelecendo qual o seu papel no sistema como um
todo.
Complementarmente, conforme o art. 1º da Resolução Normativa nº 482 da ANEEL de 17
de abril de 2012 que tem como objetivo estabelecer as condições gerais para o acesso de
microgeração e minigeração distribuídas aos sistemas de distribuição de energia elétrica e o
sistema de compensação de energia elétrica. À partir dessas definições, abrem-se oportunidades
para o desenvolvimento da microgeração e minigeração distribuída, possibilitando que pequenas
centrais geradoras de energia elétrica, sejam elas de potência instalada de até 100 kW, para o caso
da microgeração distribuída, ou de 100 kW a 1 MW, para o caso da minigeração distribuída, que
apresentem como fontes a energia hidráulica, solar, eólica, biomassa ou cogeração qualificada,
conforme regulamentação da ANEEL.
A Resolução Normativa nº 482 de 17 de abril de 2012, da ANEEL, define e estabelece o
sistema de compensação de energia elétrica, à partir do qual a energia ativa gerada por uma unidade
consumidora com microgeração ou minigeração distribuída poderá compensar o consumo de
energia elétrica ativa da mesma unidade consumidora, tal definição, trazida agora como
regulamento, capacita o pequeno gerador ou a união de pequenos geradores a produzir energia
elétrica à partir de seu domicílio, ou de seu comércio, ou ainda de sua indústria, desde que esteja
devidamente equipado e atenda as disposições dessa resolução.
59
Esses instrumentos vêm ao encontro de uma difusão da utilização da energia SFV que já se
verifica no mundo todo, constituindo uma tendência nos países do primeiro mundo e que atinge um
dos objetivos do país na redução da emissão de gases do efeito estufa e também na contribuição de
uma fonte energética renovável e limpa na Matriz Energética do Brasil. Com a redução dos preços
dos dispositivos e equipamentos utilizados na microgeração de energia elétrica à partir da energia
SFV pode-se alcançar níveis de geração suficientes para atender a uma residência e, em
empreendimentos bem planejados poder-se-ia pensar em condomínios horizontais e verticais sendo
beneficiados por esse tipo de geração. A solução que antes ficava restrita às comunidades isoladas
pode agora se tornar viável também para as regiões urbanas e densamente povoadas, como é o caso
das grandes cidades.
O atendimento de comunidades isoladas tem impulsionado a busca e o desenvolvimento
de fontes renováveis de energia. No Brasil, por exemplo, 15% da população não possuem
acesso à energia elétrica. Coincidentemente, esta parcela da população vive em regiões onde o
atendimento por meio da expansão do sistema elétrico convencional é economicamente
inviável. Trata-se de núcleos populacionais esparsos e pouco densos, típicos das regiões Centro-
Oeste, Nordeste e Norte.
A utilização de fontes de energia elétrica, não renovável, no Brasil e no mundo é um
dos maiores entraves para a continuidade do crescimento sustentável. Uma vez que sem energia
elétrica nenhum tipo de desenvolvimento pode ser alcançado, a insistência por esse tipo de
fonte, sobretudo de setores importantes da economia mundial como a indústria, manufatura e
serviços, chega a ser algo irresponsável e descabida.
A revisão da literatura apresentada nesta pesquisa faz uma abordagem do campo da
evolução das questões energéticas dentro de um contexto histórico. Mostra ser a energia SFV
uma forma de energia renovável de grande importância para a sustentabilidade e
complementaridade da geração de energia elétrica, além de identificar que, apesar de seu ainda,
alto custo, ela também traz vantagens como elemento viável no abastecimento energético
mundial e nacional.
A utilização de energia SFV na geração de eletricidade tem se demonstrado uma
alternativa excelente na redução de impactos ambientais, mas principalmente na busca por uma
matriz energética limpa que afete o mínimo possível o ambiente, colaborando na busca da
60
redução de impactos ao ambiente, realizados a séculos pelo homem, e também no mínimo
alteração das características climáticas do planeta.
Segundo Varella et al. (2012), países como Japão, EUA, Alemanha, Espanha e outros,
desenvolveram mecanismos específicos que possibilitaram não só a regulação do setor, como
também estimularam a utilização desse tipo de fonte energética através de programas
governamentais que focaram, como estratégia principal, incentivos fiscais e /ou financeiros para
os proponentes.
Para Rüther (2004), em apenas algumas décadas os habitantes de centros urbanos, em
todo o mundo, irão se utilizar de uma forma de geração de energia elétrica baseada no
aproveitamento fotovoltaico. Aponta ainda que a utilização do potencial da geração solar
fotovoltaica integrada à edificação e interligada à rede elétrica pública no Brasil poderá
proporcionar um grande salto não só de qualidade, mas, sobretudo, na solução de problemas
energéticos pelos quais todos os países do mundo enfrentam ou ainda enfrentarão no futuro.
Tendo isso como foco o incentivo à adoção e produção de fontes renováveis, mesmo
que de forma alternativa pode ser o caminho a seguir nas políticas de desenvolvimento dos
países como um todo.
Em todo o mundo o desenvolvimento dessas políticas de investimento para a produção
de módulos fotovoltaicos e também da utilização desse tipo de fonte vem ao encontro da
redução do impacto ambiental e das emissões de CO2, que tem origem no consumo de fontes
energéticas baseadas em combustíveis fósseis.
O Brasil é um país dotado de altíssima incidência de radiação solar, durante quase todo
o ano e, em grande parte de sua extensão territorial, mas o que se vê são singelos movimentos,
sobretudo governamentais no sentido de motivar e fomentar o crescimento dessa indústria, em
contraponto com os países citados acima que apresentam fortes impulsos para desenvolvimento
dessa indústria, totalmente implantada e com marcos regulatórios bem definidos, possibilitando
que os investimentos privados possam ser realizados de forma segura e adequada.
O crescimento econômico resulta em um aumento direto do consumo de energia elétrica,
sendo que, mesmo nos anos de pouco desenvolvimento econômico e industrial, o aumento da
61
população e a abertura de mercados externos, apresentaram um aumento de energia por usos
finais (BRASIL, 2007).
A geração convencional é, centralizada e distante do ponto de consumo, possuindo
grandes perdas ao longo do sistema, que aumentam o custo de produção da energia e geram
danos ambientais (SALAMONI, 2004). Em contrapartida, a geração distribuída oferece
inúmeras vantagens ao setor elétrico, sendo a opção para uma geração de energia próxima aos
pontos de consumo.
Segundo Rodrigues (2002), sendo a geração distribuída próxima do consumidor final,
ela oferece vantagens em relação à geração centralizada, uma vez que ela não necessita de linhas
de transmissão, oferece redução de custos, menor tempo de implantação e tecnologias diversas
que podem ser escolhidas em função dos objetivos específicos exigidos por cada sistema em
particular.
As energias renováveis vêm sendo cada vez mais utilizadas como alternativa às energias
convencionais. Assim, as tecnologias que empregam essas energias, e em particular a energia
solar, têm contribuído para a diversificação da matriz energética atual. A partir disso, e ciente
das questões emergenciais relacionadas às questões ambientais, deve-se investir na utilização
da energia solar para sua aplicação em maior escala (JARDIM, 2007).
De acordo com Fraidenraich (2005) apud Varella et al. (2012, p.16), a crise do petróleo
descrita anteriormente, impulsionou o desenvolvimento da tecnologia fotovoltaica no Brasil,
começando assim a comercialização de produtos fotovoltaicos no país. Se originariamente, essa
tecnologia foi utilizada na corrida pelo domínio espacial, para fornecer energia a equipamentos
e dispositivos de aeronaves e satélites que precisavam ficar muito tempo no espaço
impossibilitadas de alimentação através de fontes de energia convencionais, começam agora a
ser foco de esforços significativos no sentido de adequar essa geração de energia em sistemas
isolados/autônomos, ou ainda, conectados a uma rede para fornecer, a partir do aproveitamento
fotovoltaico, energia elétrica a edificações residenciais e comerciais.
No Brasil devido à falta de redes de energia elétrica, sobretudo em regiões remotas e
muito distantes dos grandes centros, uma das alternativas encontradas foi exatamente de
desenvolver a eletrificação rural a partir de sistemas fotovoltaicos, criados em conjunto com
empresas de distribuição de energia elétrica.
62
Nessa ocasião algumas iniciativas devem ser citadas: o Programa Luz Solar ("Programa
Luz Solar"), implementado no estado de Minas Gerais, Programa Luz solar ("Programa Luz do
Sol"), na Região Nordeste e do Programa Nacional de Eletrificação Rural ("Luz no Campo")
(WINROCK INTERNATIONAL - BRAZIL, 2002, p. 24).
Segundo Galdino et al. (2002, p. 78), foram implementadas algumas iniciativas de
utilização da energia SFV, como: o Programa de Desenvolvimento Energético de Estados e
Municípios - PRODEEM11, considerado um dos maiores programas de eletrificação rural,
baseado em sistemas fotovoltaicos e implementado nos países em desenvolvimento, em todo o
mundo. Criado em dezembro de 1994 pelo Governo Federal o programa possibilitou a
instalação de cerca de 9.000 sistemas fotovoltaicos autônomos em todos os 26 estados
brasileiros de 1996 a 2001, especialmente em regiões como o semiárido nordestino, região
Norte com destaque para o estado do Amazonas.
Em abril de 2002, através da Lei n º 10.438, revista pela Lei n º 10.762, de Novembro
de 2003, o Programa de Incentivo de Energia Renovável (PROINFA) foi criado sob a
responsabilidade do Ministério de Minas e Energia (MME). O PROINFA é considerado o maior
programa brasileiro de promoção de fontes de energia alternativas para geração de eletricidade
(BRASIL, 2006).
Segundo Porto (2007)12 apud Varella et al. (2012), apesar da implementação do
PROINFA como instrumento de incentivo ao uso de energia renovável, a energia SFV não
estava incluída no rol de atividades do programa. As razões seriam porque o programa foi
concebido para fornecer energia elétrica ao Sistema Interligado Nacional (SIN) e também ao
alto custo de implantação da tecnologia, o que restringiria a instalação apenas a áreas isoladas,
uma vez que em centros urbanos essa tecnologia não seria competitiva. Nessas áreas, o baixo
consumo de energia, a alta dispersão da população, a dificuldade de acesso e as restrições
11 O programa foi coordenado pelo Departamento de Desenvolvimento Energético Nacional (DNDE), do Ministério das Minas e Energia (MME). O CEPEL (Centro de Pesquisas de Energia Elétrica), localizado no Rio de Janeiro, responsável por orientações técnicas do PRODEEM, compreendendo especificação de equipamentos para licitações, avaliações de projetos, treinamento de pessoal técnico, o estabelecimento de normas de instalação, verificação/inspeção do desempenho das instalações, e análise de falhas. 12 Porto, L., 2007. Comunicação via e-mail. Diretora do Departamento de Desenvolvimento Energético e Coordenadora da Sala de Monitoramento do PROINFA. Novembro 2007.
63
ambientais são condições que tornam uma tecnologia fotovoltaica das soluções mais adequadas
para o fornecimento de energia.
As principais tecnologias dos sistemas fotovoltaicos possibilitam o uso de forma
individual ou de forma combinada com outras tecnologias de potência de abastecimento,
chamado também de modelo híbrido, permitindo a prestação do fornecimento total ou a redução
do consumo de diesel em geradores.
Mesmo a tecnologia solar fotovoltaica não fazendo parte do PROINFA, a Lei 10.438
em um de seus dispositivos cria a Reserva Reversa Global (RGR), um fundo de investimento
que visa promover e desenvolver a energia SFV. Esse dispositivo, porém só sairia do papel
através de um novo programa do Governo Federal iniciado em 2004, o Programa Luz para
Todos (LPT)13 que se apropria dessa ferramenta com o objetivo de universalizar o acesso à
eletricidade no país, abrindo uma grande oportunidade para implantar energia SFV,
especialmente na Amazônia e semiárido. No entanto, os poucos projetos relacionados ao seu
uso dentro do LPT não são suficientes para considerar o programa como um programa de apoio
a essa tecnologia (PORTO, 2007 apud VARELLA et al., 2012, p.17).
Em 2002, a partir de um relatório elaborado pelo Tribunal de Contas da União (TCU)
com o objetivo de avaliar os resultados obtidos pelo PRODEEM, em que recomenda uma
reestruturação do programa e solicitando maior controle da propriedade é que se elabora um
novo Plano de Revitalização e Capacitação (PRC) configurando uma nova roupagem ao
PRODEEM.
O LPT, também conhecido como o Programa Nacional de Acesso Universal à Energia
Elétrica, foi criado pelo Decreto n º 4,873 de 11 de Novembro de 2003 e inicialmente teve como
objetivo proporcionar o acesso à eletricidade para a população brasileira inteira rural até 2008
(ELETROBRAS, 2008 apud VARELLA et al., 2012, p.18).
Segundo Varella (2012, p.18), no período de abril de 2008 até o final de 2010, o
governo federal, interviu nessa política promovendo um adiamento da conclusão do programa,
decisão essa devido aos atrasos na implantação do programa em alguns estados, tanto na ligação
13 O Programa Luz para Todos (LPT) é coordenado pelo MME com a participação da Eletrobrás e suas subsidiárias.
64
de novos consumidores à rede como também ao número de solicitações de conexão para além
das estimativas iniciais.
Mesmo levando em consideração os vários benefícios trazidos pela implantação do
PROINFA, como mencionado anteriormente, ele ainda não é um regulamento completo, alguns
marcos ainda precisam ser definidos para que possa propiciar o crescimento da energia SFV
como fonte de geração de energia conectada ao Sistema Interligado Nacional de Energia em
rede (SIN). Segundo Varella (2012, p. 18) são duas as preocupações a serem resolvidas do
ponto de vista jurídico e legal para a promoção da geração de eletricidade por fontes renováveis
de energia no Brasil. A primeira preocupação é devido aos sistemas de energia sem conexão
com o SIN, também chamados como sistemas isolados, o segundo é devido à pequena escala
de geração distribuída.
A iniciativa do Brasil em estimular a energia SFV a fim de aumentar sua participação
na matriz energética brasileira, propiciando não só benefícios sociais mas também redução do
passivo ambiental, não é tão recente. No entanto, tais incentivos ainda não foram suficientes e
o país carece de alguns mecanismos específicos de regulamentação para efetivamente promover
a sua utilização. A solução para os diversos países do mundo são incentivos fiscais e / ou
financeiros que também têm sido muito utilizados para introduzir a energia SFV. Apesar dos
avanços lentos nesse sentido, o Brasil já tem alguns incentivos fiscais para alguns equipamentos
fotovoltaicos (VARELLA, 2012).
Segundo Varella et al. (2012), os dois impostos mais relevantes que têm promovido o
uso de alguns equipamentos fotovoltaicos são o ICMS estadual (Imposto sobre Serviços e
Circulação de Mercadorias) e IPI a nível federal (Imposto sobre Produtos Industrializados). No
caso do ICMS, alguns produtos como: bomba hidráulica, até 2 HP para uso em sistemas
fotovoltaicos de energia solar em corrente contínua, módulos fotovoltaicos e células solares.
Essa isenção só se aplica aos equipamentos que estão isentos ou tributados por meio do
Decreto 3827/01, o que reduz a zero o IPI sobre diversos equipamentos e componentes
relacionados à geração de eletricidade (BRASIL, 2001).
De acordo com os fabricantes e revendedores de equipamentos fotovoltaicos, os
módulos fotovoltaicos são os únicos produtos atualmente isentos de IPI e ICMS. Todos os
módulos fotovoltaicos atualmente comercializados no Brasil são importados. A aquisição dos
65
conversores no mercado doméstico sofre incidência de uma alíquota de 12% no ICMS enquanto
que outro dispositivo importante e necessário, para a instalação, como é caso de controladores
de carga, estão incluídas alíquotas de 12% de ICMS e 15% de IPI (VARELLA et al. 2012, p.
19).
Ainda não existem produtores nacionais dos módulos fotovoltaicos, mas desde 2004 há
um acordo de cooperação técnica para a instalação do CB-SOLAR nas instalações do Núcleo
de Tecnologia em Energia Solar (NT-Solar)14 da Faculdade de Física da Pontifícia Universidade
Católica de Rio Grande do Sul (PUCRS).
Segundo dados do próprio centro em seu site, o NT-Solar tem como objetivo:
desenvolver dispositivos fotovoltaicos que reduzem o custo da energia elétrica obtida
diretamente da conversão da energia solar. A linha de pesquisa relativa a células
solares centra-se no desenho, fabricação e caracterização destes dispositivos. Um
dos principais resultados foi o desenvolvimento de um processo de fabricação de
células com alta eficiência (17%). As atividades relacionadas com módulos resumem-
se no projeto, otimização, fabricação e caracterização experimental de módulos
fotovoltaicos convencionais e concentradores estáticos. O grupo desenvolveu
dispositivos concentradores com potencial de redução de custo de 30%. Uma das
principais metas é desenvolver uma linha de produção pré-industrial para fabricação
de células solares e módulos fotovoltaicos com tecnologia nacional. Em sistemas
fotovoltaicos autônomos são desenvolvidos métodos numéricos e analíticos,
realizadas análises experimentais de longo tempo e realizada a
certificação/etiquetagem de módulos fotovoltaicos convencionais, baterias e
controladores de carga e baterias. (CB-SOLAR, 2012).
De acordo com Varella et al. (2012) as pesquisas realizadas até o momento permitiram
a descoberta de uma matéria-prima mais econômica para a utilização nesses processos, além
disso, segundo fontes da própria instituição, as previsões preliminares indicam que seria
possível reduzir os custos de produção dos módulos em 15% (AGÊNCIA CT, 2008).
Para tanto, além dos mecanismos de incentivos já implementados, seria importante que
todos os equipamentos necessários ao sistema fotovoltaico (células, placas módulos
fotovoltaicos, inversores de frequência, controladores de carga, etc.) fossem incluídos no
Programa Brasileiro de Etiquetagem (PBE).
14 Considerado o mais moderno laboratório na América Latina para a fabricação de módulos fotovoltaicos.
66
O Brasil é privilegiado pela alta incidência de insolação em seu território e pelas reservas
de quartzo para produção de silício grau solar, usado nos painéis de captação, assim sendo, o
Brasil tem condições de figurar em situação bastante confortável quanto à geração energética,
apoiado neste binômio, segundo o Centro de Gestão e Estudos Estratégicos, em seu Relatório
energia SFV no Brasil: subsídios para tomada de decisão (CGEE, 2010)15.
Segundo ainda o CGEE:
“Documentos internacionais reportam para o ano de 2050 que 50% da geração de
energia no mundo virão de fontes renováveis. Dessa demanda, 25% serão supridos
pela energia solar fotovoltaica. Populações do fim do século dependerão em até 90%
das renováveis, dos quais 70% será de fotovoltaica. Portanto, esses números
aplicados ao Brasil indicam que haverá um crescimento da eletricidade solar
fotovoltaica, seguida da energia eólica, podendo vir a predominar sobre a energia
hidroelétrica, a qual atualmente representa elevada parcela da matriz energética
nacional. Incontáveis estudos apontam ainda que a qualidade de vida das futuras
gerações dependerá intensamente das tecnologias de exploração da energia solar.
Fato é que, diante de firmes tendências, o Brasil precisa no curto prazo ingressar de
forma sustentável no mercado de energia fotovoltaica a fim de garantir seu espaço
estratégico na geração de dividendos socioeconômicos no futuro. Para isso, não
poderá permanecer ausente de investimentos vultosos em pesquisa tecnológica e
desenvolvimento industrial, a exemplo de China, Alemanha, Espanha, EUA, Japão,
Índia e outros (CGEE, 2010).”
Para alcançar uma posição de liderança, o Brasil precisará de investimentos em
pesquisa, modernização de laboratórios, integração de centros de excelência em pesquisa e
desenvolvimento de tecnologia para obtenção de energia SFV a baixo custo. Além disso, é de
suma importância a contribuição do Governo Federal através de políticas de investimento nesse
setor e programas de distribuição de energia com sistemas que conectem casas, empresas,
indústria e prédios públicos, no sentido de viabilizar essa solução de fonte de energia renovável
e limpa.
A Figura 14 mostra a capacidade de geração de energia SFV no mundo, nota-se que a
Europa se destaca do restante do mundo pelos altos índices de geração muito em razão da
15CGEE, Energia solar fotovoltaica no Brasil: subsídios para tomada de decisão - Centro de Gestão e Estudos Estratégicos, 2010.
67
mudança de postura dos governos com a introdução de legislações que criam regras e diretrizes
para o setor, como o Brasil tenta fazer agora com a Resolução Normativa nº 482 e 414.
Figura 14 – Dados acumulados da capacidade de geração de energia SFV no mundo
Fonte: Adaptado de BP Statistical Review of World Energy, 2012
Segundo dados do CGEE, o consumo mundial de energia primária tem aumentado ano
a ano alcançando cerca de 15 TW.ano atualmente. Para o CGEE esse crescimento é
proveniente do maior nível de industrialização que as populações dos diversos países
conseguiram com o fortalecimento do setor energético, cresce também a economia dos Países,
o que leva a um maior consumo de energia e assim se estabelece um ciclo. Essa disponibilidade
de energia impulsiona todo o planeta, uma vez que também os países em desenvolvimento
experimentaram acréscimos no consumo de energia elétrica.
O Brasil se destaca atualmente, uma vez que camadas inteiras da população estão sendo
incluídas no mercado consumidor e com isso experimentando algum grau de crescimento.
Dessa forma, conclui-se então que, quanto mais desenvolvido é o País, maior consumo de
energia ele apresenta, sendo assim o CGEE destaca que o Produto Interno Bruto (PIB) dos
países desenvolvidos está intrinsecamente relacionado ao alto consumo de energia no mundo,
chegando a ser 50 vezes maior que os níveis pré-industriais.
68
Tal comparação pode ser notada conforme apresentada na Figura 15.
Figura 15 - Consumo de energia mundial
Fonte: CGEE, 2010
A energia SFV consiste numa das mais recentes formas de geração de energia elétrica,
permitindo a geração distribuída e no ponto de consumo. Os sistemas fotovoltaicos de geração
oferecem vantagens: podem não possuir partes rotativas, os painéis solares têm vida útil
superior a 30 anos, baixa manutenção, não gera poluição ou ruído, não requer combustível,
exceto o sol (MARINI; ROSSI, 2002 apud MELO, 2010). A geração de energia SFV se dá por
intermédio do efeito fotovoltaico em materiais semicondutores. Os principais materiais
utilizados são: silício amorfo hidrogenado (a-Si: H ou simplesmente a-Si); silício
monocristalino (m-Si); silício multicristalino (p-Si); telureto de cádmio (CdTe); disseleneto de
cobre (gálio) e índio (CuInSe2 ou CIS e Cu(InGa)Se2 ou CIGS, sendo que o silício corresponde
por mais de 87% da produção mundial de módulos solares fotovoltaicos (PHOTON
INTERNATIONAL, mar-2010 apud MELO, 2010).
Estima-se que o tempo necessário para que incida sobre a terra uma quantidade de
energia solar equivalente à demanda energética mundial anual seja de aproximadamente 12
minutos. Em três semanas, a energia solar incidente sobre a terra equivale também a todas as
reservas conhecidas de combustíveis fósseis como óleo, gás natural e carvão (RÜTHER, 2000).
Os valores de irradiação solar global incidente em qualquer região do Brasil (1533 -2171
kWh/m2/ano) são superiores aos da maioria dos países da União Europeia, como Alemanha
69
(900-1250 kWh/m2/ano), França (900-1650 kWh/m2/ano) e Espanha (1200-1850
kWh/m2/ano), locais onde a utilização de sistemas fotovoltaicos são amplamente disseminados
e contam com incentivos governamentais (PEREIRA et al., 2006). A Figura 16 mostra a média
anual da irradiação solar global incidente no plano horizontal nas várias regiões do Brasil
(PEREIRA et al., 2006), na qual é possível visualizar que Minas Gerais e, em específico, a
região de Belo Horizonte, possui um índice elevado de irradiação solar incidente.
Figura 16 - Média anual do total diário de irradiação solar no Brasil em kWh/m2/dia.
Fonte: PEREIRA et al., 2006.
70
Para a região de Mato Grosso estima-se, segundo os dados apresentados, uma média de
irradiação que varia da ordem de 5,60 a 5,95 kWh/m2/dia, número que embora seja inferior à
região Nordeste que apresenta médias de 6,30 kWh/m2/dia, podendo chegar a 6,65 kWh/m2/dia
é muito superior que a radiação máxima de países como a Alemanha onde essa média atinge
um pico de 3,29 kWh/m2/dia (RÜTHER, 2010).
A principal limitação da energia SFV é o seu caráter intermitente, pois só haverá efeito
fotovoltaico se houver radiação solar incidente nos painéis fotovoltaicos, o que favorece uma
geração de energia elétrica apenas nas durante o dia. Assim, deve-se pensar nesta forma de
energia como complementar, e não, como uma substituição da energia elétrica convencional.
Uma alternativa para essa intermitência é a utilização de acumuladores, sendo que os
mais utilizados para essa tarefa são bancos de baterias que possam suprir com energia elétrica,
por um determinado espaço de tempo os equipamentos elétricos. Porém como se trata de uma
solução precária, faz-se necessário maiores quantidades de baterias quanto maior for a
necessidade de energia elétrica para operação.
Outra utilização possível em termos de acumulação de energia seria o uso do hidrogênio,
pois segundo as pesquisas mais recentes há certo consenso nas vantagens de integrá-lo desta
forma a sistemas de suprimento de energia como a solar fotovoltaica no futuro. De certa forma,
hidrogênio e eletricidade seriam complementares; é difícil prever de que forma isso poderia
ocorrer, pois questões como qual a estrutura de transporte e de armazenamento para essa
solução. O hidrogênio pode ser produzido de diversas formas, a partir da eletricidade
(eletrólise), por energia solar através da conversão fotoquímica. O uso ideal para energia
elétrica seria através de célula a combustível (não combustão direta). Possivelmente as
aplicações referentes à geração estacionária serão o primeiro mercado para hidrogênio
(MACEDO, 2003).
2.5 TIPOS DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS
Os sistemas fotovoltaicos são sistemas de energia elétrica que convertem a luz emitida
pelo sol em energia elétrica de forma limpa e confiável sem consumo de combustível fóssil,
liquido ou gasoso. A conversão ocorre no painel fotovoltaico e resultado do movimento de
71
elétrons entre as bandas de valência e condução gerando uma diferença de potencial e dando
origem a uma corrente elétrica (MINEIRO, 2004).
A energia elétrica fornecida pelo painel é armazenada em baterias sobre supervisão do
controlador de carga. Na grande maioria dos casos para que essa energia armazenada seja
consumida necessita-se de um circuito inversor o qual tem a função de converter corrente
contínua em corrente alternada. Dessa forma os sistemas fotovoltaicos são constituídos
basicamente por;
Painel fotovoltaico – Elemento responsável pela conversão da energia solar em energia
elétrica.
Controlador de carga – Dispositivo eletrônico capaz de realizar a adaptação do painel
fotovoltaico ao banco de baterias controlando o carregamento da mesma.
Bateria – Dispositivo que acumula a energia disponibilizada pelo painel fotovoltaico na
forma química, por esse motivo, também chamada de acumuladores de corrente.
Inversor – Dispositivo eletrônico capaz de converter corrente contínua em corrente
alternada.
Os sistemas fotovoltaicos possuem vantagens e desvantagens quando comparados a
outras formas de geração de energia elétrica. Pode-se citar como vantagem; durabilidade, baixo
custo de manutenção, custo zero com combustíveis, descentralização da rede elétrica e redução
da poluição ambiental. Entretanto, possui desvantagem de alto custo inicial, potência
instantânea do sistema pode sofrer oscilação devida variações da radiação solar disponível,
necessitam de acumuladores (no caso dos isolados), necessita de conscientização e treinamento
do usuário, etc.
As primeiras utilizações de sistemas fotovoltaicos foram em satélites e sondas espaciais.
Em março de 1958, embora não convicta das vantagens da utilização de painéis solares, a
NASA lançou o primeiro satélite que utilizava energia solar, o Vanguard I. Desde então a
utilização vem aumentado gradativamente (Instituto Superior Técnico, 2004)
O rendimento do sistema gerador fotovoltaico depende de diversos parâmetros como
radiação solar (localização geográfica, inclinação e orientação), temperatura dos painéis,
72
sombreamento parcial, limpeza dos painéis, resistência dos condutores e descasamento entre
painéis de um mesmo string16, levando a perdas de rendimento conhecidas como module
mismatch losses17. O sistema fotovoltaico apresenta combinações série x paralelo para atingir
as características elétricas da carga, sendo também importante para a seleção do inversor a ser
usado. O conjunto de módulos fotovoltaicos é conectado ao sistema inversor que, por sua vez,
faz a interface com a rede elétrica local, sendo obedecidas as normas de instalação em vigor.
Os sistemas solares fotovoltaicos vêm tomando investimentos crescentes no mercado
energético. A indústria fotovoltaica vem crescendo de 30 a 40% ao ano, desde 1996, com
subsídios e programas de incentivo governamentais (GREENPRO, 2004).
Nos países da Europa, as aplicações dos sistemas de geração solar fotovoltaica
apresentam bons resultados, onde se encontram níveis de irradiação e mudanças climáticas mais
bruscas. No Brasil, entretanto, país que oferece melhores condições físicas (relevo e
hidrografia) e climáticas, com um maior aproveitamento em função da grande incidência de
irradiação solar e extensas áreas, esses sistemas devem ser utilizados como complementares aos
sistemas convencionais de geração de energia elétrica (SALAMONI, 2004).
Os sistemas fotovoltaicos apresentam duas configurações distintas: eles podem ser
isolados ou autônomos e conectados à rede elétrica. A diferença entre eles destaca-se pela
existência, ou não, de um sistema acumulador de energia. Os sistemas autônomos se
caracterizam pela necessidade de um sistema acumulador (baterias), onde a energia gerada
pelos painéis solares é armazenada e distribuída para os pontos de consumo. Sistemas
autônomos são normalmente utilizados quando o custo para a extensão da rede elétrica pública
for proibitivo.
Os sistemas interligados à rede elétrica, por outro lado, dispensam o uso de
acumuladores, pois atuam como usinas geradoras de energia elétrica em paralelo à rede elétrica.
Eles podem ser integrados à edificação, se sobrepondo ou substituindo elementos de
revestimento e, portanto, próximo ao ponto de consumo, ou, do tipo central geradora, sendo
16 String – associação em série de módulos fotovoltaicos. 17 Module mismatch losses – perdas na capacidade de geração devido a interconexão de módulos capazes de fornecer uma potência maior com módulos menos capazes, limitando o string à capacidade do menor. Isto ocorre mesmo entre módulos do mesmo modelo/fabricante.
73
esta, distante tipicamente do ponto de consumo. Esse tipo de sistema é atualmente competitivo
com formas mais convencionais de geração (RÜTHER, 2004).
Os painéis solares fotovoltaicos são projetados e fabricados para serem utilizados em
ambiente externo, sob sol, chuva e outros agentes climáticos, podendo operar, nessas condições,
por um período de aproximadamente 30 anos (RÜTHER, 2004).
2.6 COMPONENTES BÁSICOS DOS SISTEMAS FOTOVOLTAICOS
A eficiência de conversão de uma célula solar é a razão entre a energia elétrica produzida
e a energia luminosa incidente, constituindo em uma das principais características dos geradores
fotovoltaicos (MINEIRO, 2004, p. 23). Um sistema solar fotovoltaico pode ser constituído,
basicamente pelos componentes descritos a seguir.
2.6.1 Semicondutores
Segundo CRESESB (2004) os semicondutores são materiais encontrados na natureza,
que apresentam as seguintes características:
Uma banda de valência totalmente preenchida por elétrons e uma banda de
condução totalmente “vazia” à temperaturas muito baixas. A separação entre
as duas bandas de energia permitida dos semicondutores (“gap de energia”)
é da ordem de 1 eV, o que os diferencia dos isolantes onde o gap é de vários
eVs. Isto faz com que os semicondutores apresentem várias características
interessantes. Uma delas é o aumento de sua condutividade com a
temperatura, devido à excitação térmica de portadores da banda de valência
para a banda de condução.
Uma propriedade fundamental para as células fotovoltaicas é a possibilidade
de fótons, na faixa do visível, com energia superior ao gap do material,
excitarem elétrons à banda de condução. Este efeito, que pode ser observado
em semicondutores puros, também chamados de intrínsecos, não garante por
si só o funcionamento de células fotovoltaicas. Para obtê-las é necessário uma
74
estrutura apropriada para que os elétrons excitados possam ser coletados,
gerando uma corrente útil.
Esses materiais são os mais adequados à transformação da radiação solar em energia
fotovoltaica, isto porque, apresentam essas características de forma natural, isto é não
necessitam de manipulação humana para que esse fenômeno aconteça.
2.6.2 Placas de células solares fotovoltaicas
A célula fotovoltaica é um dispositivo criado para a conversão da energia solar em
energia elétrica, sua obtenção é realizada a partir de elementos transformadores, geralmente
semicondutores18. Os semicondutores mais apropriados à conversão da luz solar são os mais
sensíveis, ou melhor, aqueles que geram o maior produto corrente-tensão para a luz visível, já
que a maior parcela de energia fornecida pelos raios do sol está dentro da faixa visível do
espectro. Para se transformar em célula fotovoltaica o material semicondutor deve passar
primeiramente por duas etapas distintas. A primeira é a etapa de purificação e a segunda etapa
é a chamada de dopagem19, que é a introdução de impurezas, dosadas na quantidade certa
(CRESESB, 2004).
O material mais importante para as células solares cristalinas é o silício. Não é um
elemento químico puro, mas uma ligação química em forma de dióxido de silício. Para a
obtenção do silício, em primeiro lugar é necessário separar o oxigênio não desejado do dióxido
de silício. Para que isso seja possível, a areia de sílica é aquecida e fundida num cadinho, junto
com pó de carvão. Durante este processo é criado o silício metalúrgico, com uma pureza de
98% (GREENPRO, 2004).
No entanto, para aplicações eletrônicas 2% de impurezas no silício é muito, sendo
admissível um bilionésimo por cento e, por este motivo, o silício em estado bruto purificado
através de um processo químico em que se deposita o silício bruto num forno com ácido
18 Semicondutores são sólidos geralmente cristalinos de condutividade elétrica intermediária entre condutores e isolantes. Os semicondutores são, quando puros e cristalinos, a temperaturas muito baixas, excelentes isolantes. Ao contrário do comportamento observado nos metais, contudo, a condutividade dos semicondutores puros (intrínsecos) aumenta significativamente com a temperatura. 19 Dopagem é a adição de pequenas quantidades de outros elementos àquele de forma a criar um excesso de elétrons – tipo-n – ou de buracos; elétron – tipo-p – que alteram a condutividade do material. Os silícios de tipo-n e de tipo-p são por norma associados de modo a constituírem junções p-n, as estruturas básicas das células fotovoltaicas ou dos LEDs (light-emitting diodes).
75
clorídrico. Como resultados são produzidos os químicos: hidrogênio e, triclorosilano, um
líquido que ferve a 31 ºC. Este último é destilado em várias e sucessivas etapas, durante as quais
é reduzida a percentagem de impurezas em cada estágio da destilação. Quando se consegue a
percentagem de pureza necessária, o triclorosilano é reduzido a silício com a ajuda do
hidrogênio a 1.000 ºC. Este silício de elevada qualidade pode agora ser processado de diferentes
modos, como por exemplo, para produzir células monocristalinas ou células policristalinas
(GREENPRO, 2004).
Para a conversão fotovoltaica, as células solares são definidas como os elementos que
compõem a base do processo que converte a energia do sol em energia elétrica. As células
básicas do sistema, ou seja, os módulos solares fotovoltaicos, comercialmente encontrados no
mercado, apresentam-se com eficiência de conversão fotovoltaica que dependem da tecnologia
aplicada. Nesse processo, são utilizados materiais semicondutores como o silício, o arseneto de
gálio, telureto de cádmio ou disseleneto de cobre e índio. A célula de silício cristalina é a mais
comum.
Segundo GREENPRO (2004), até o ano de 2004, cerca de 95% de todas as células
solares do mundo eram fabricadas a partir do silício, uma vez que o elemento se apresenta com
uma disponibilidade quase ilimitada na Terra, embora não exista como um elemento químico,
está associado à areia de sílica. Para que possa ser utilizado nas células solares deve ser da
maior pureza possível. Isto pode ser conseguido através de sucessivas etapas na produção
química. Os principais tipos de células fotovoltaicas são apresentados a seguir.
Silício (Si) Monocristalino
Trata-se de um material também utilizado na fabricação de circuitos integrados para
microeletrônica. Suas células são formadas em fatias de um único grande cristal, previamente
crescido e fatiado. A eficiência e também a confiabilidade nesse tipo de produto estão
intimamente ligados à acuidade na sua fabricação, e a pureza do material. Trata-se da tecnologia
que produz maior eficiência na conversão da luz solar em energia elétrica, em termos teóricos
pode alcançar cerca de 27%, enquanto que em produtos comerciais sua eficiência pode variar
dentro de uma faixa de 12 a 16%. Devido às quantidades de material utilizado e à energia
envolvida na sua fabricação, esta tecnologia apresenta sérias barreiras para redução de custos,
mesmo em grandes escalas de produção (CRESESB, 2004; GREENPRO, 2004).
76
Segundo GREENPRO (2004), um outro processo de produção pode ser descrito, sendo
utilizado para a produção de células solares de maior pureza e de maior eficiência (1 a 2 %).
No entanto, o material bruto necessário para alcançar esse nível de pureza é muito dispendioso,
pois para esse processo necessita-se de uma barra de silício cristalino de extrema pureza. A
Figura 17 ilustra os modelos de células fotovoltaicas de silício monocristalino.
Figura 17 – Modelos de Células Fotovoltaicas de Silício Monocristalino Fonte: GREENPRO, 2004
Silício (Si) Multicristalino
Também chamado de Silício (Si) Policristalino; são células fabricadas a partir do
mesmo material que, ao invés de formar um único grande cristal, é solidificado em forma de
um bloco composto de cristais muitos pequenos. A partir deste bloco são obtidas fatias e
fabricadas as células. Tem sua eficiência um pouco reduzida devido a interfaces entre os vários
cristais.
Na prática os produtos disponíveis alcançam eficiências muito próximas das oferecidas
em células monocristalinas. Neste caso, a quantidade de material por célula é basicamente o
mesmo do caso anterior, entretanto, a energia necessária para produzi-las é significativamente
reduzida (CRESESB, 2004). A Figura 18 mostra alguns modelos de células de silício
policristalino.
O processo de produção mais comum para o silício policristalino é o de fundição de
lingotes. O silício em estado bruto é aquecido no vácuo até uma temperatura de 1.500 ºC e
depois arrefecido na direção da base do cadinho, a uma temperatura aproximada de 800 ºC. São
assim criados os blocos de silício de 40x40 cm2 com uma altura de 30 cm.
77
Os blocos são primeiro serrados em barras e depois em pastilhas com uma espessura de
0,3 mm. Durante a serragem, perdem-se partes do silício na forma de pó de serragem. Depois
da introdução de impurezas de fósforo, a camada posterior de contato é unida à pastilha. Por
último, os contatos elétricos são fixados no lado frontal juntamente com uma camada de
antirreflexão (AR) (GREENPRO, 2004).
Figura 18 – Modelos de Pastilhas Policristalinas sem antirreflexão, com antirreflexão e com AR
e filamentos elétricos Fonte: GREENPRO, 2004
Filmes Finos
A tecnologia dos filmes finos é uma alternativa na fabricação de células fotovoltaicas,
que tem demandado muitas pesquisas. O objetivo geral é obter uma técnica através da qual seja
possível produzir células fotovoltaicas confiáveis, utilizando pouco material semicondutor,
obtido de forma passível de produção em larga escala, resultando em custo mais baixo do
produto e consequentemente da energia gerada.
Estes estudos tem se dirigido a diferentes materiais semicondutores e técnicas de
deposição destes em camadas finas com espessura de poucos mícrons. Entre os materiais mais
estudados estão o silício amorfo hidrogenado (a-Si:H), o disseleneto de cobre e índio (CIS) e o
telureto de cádmio (CdTe) (CRESESB, 2004).
Os semicondutores utilizados são os fotoativos, aplicados em finas camadas num
substrato (na maioria dos casos vidro). Os métodos utilizados incluem disposição por
vaporização, processos de disposição catódica e banhos eletrolíticos.
Devido à elevada absorção luminosa destes materiais, teoricamente, uma camada com
uma espessura menor que 0,001 mm é suficiente para converter a luz solar, conforme pode ser
78
visto na Figura 19 onde é apresentado um modelo dessa tecnologia de película fina
semitransparente de silício (GREENPRO, 2004).
Figura 19 – Modelo de película fina semitransparente de Silício Amorfo Fonte: GREENPRO, 2004.
Na tecnologia de película fina, uma célula consiste numa longa e estreita fita de material
semicondutor, depositada sobre um substrato de vidro. Assim, o módulo em bruto designa uma
folha de vidro completamente revestida com várias fitas de células ligadas em série. Quando
este é encapsulado com um material composto (EVA) e, protegido por uma segunda folha de
vidro, passa a designar-se por módulo. Embora tenha baixa eficiência, a energia produzida, por
esse tipo de módulo pode, em certas condições, ser bastante considerável. Além disso, as células
de película fina apresentam algumas vantagens como: um melhor aproveitamento para baixos
níveis de radiação e para radiações do tipo difusas, coeficiente de temperatura mais favorável,
isto é, a deterioração do desempenho para elevadas temperaturas é menor que de outras
tecnologias, acrescente-se também que devido a sua forma celular (longas e estreitas fitas), as
células de películas finas apresentam menor sensibilidade aos efeitos de sombreamento
(GREENPRO, 2004).
O silício amorfo é o material com maior volume de produtos para esse tipo de
tecnologia, porém a instabilidade do mesmo é um obstáculo para sua utilização. No entanto,
este efeito tem sido minimizado através da adoção de células com múltiplas camadas
79
(CRESESB, 2004). O silício amorfo (sem forma) não constitui uma estrutura regular de cristal
mas sim, uma rede irregular, devido a esse fenômeno, ocorrem ligações livres que absorvem
hidrogênio até à saturação. Este silício amorfo hidrogenado (a-Si:H) é criado através da
vaporização química de Silano Gasoso (SiH4). Este processo requer temperaturas relativamente
baixas, na ordem dos 200 ºC a 250 ºC (GREENPRO, 2004).
A maior desvantagem das células amorfas consiste na sua baixa eficiência. Esta
eficiência diminui durante os primeiros 6 a 12 meses de funcionamento, devido à degradação
induzida, até nivelar num valor estável. As células solares multijunções foram desenvolvidas
para contrariar este problema, uma vez que nesse tipo de células são sobrepostas duas estruturas
p-i-n e, com células triplas, três estruturas p-i-n. Cada célula individual pode ser otimizada para
uma diferente banda de cor do espectro solar, conseguindo-se assim aumentar a eficiência total
(GREENPRO, 2004). A Figura 10 traz um exemplo de um módulo de silício amorfo.
Figura 20 – Exemplo de Módulo Amorfo
Fonte: GREEENPRO, 2004
Células com concentração
Uma possibilidade alternativa é o uso de lentes concentradoras acopladas a células de
alta eficiência. Para este uso o próprio silício cristalino e o arseneto de gálio (GaAs) têm sido
utilizados na fabricação destas células. A questão aqui é como conseguir sistemas simples e
eficientes de focalização de luz e de seguimento do Sol, uma vez que apenas os raios diretos do
80
Sol podem ser concentrados sobre o dispositivo (CRESESB, 2004). Com um número destas
células associadas em série e distribuídas uniformemente, se formam os módulos fotovoltaicos
para gerar potência de até algumas centenas de watt pico (Wp), dependendo da matéria-prima
e do fabricante.
2.6.3 Módulos fotovoltaicos
O módulo fotovoltaico é a unidade básica de todo o sistema fotovoltaico, ele é composto
por células conectadas em arranjos produzindo tensão e corrente suficientes para a utilização
da energia. Esse agrupamento das células solares em módulos faz-se necessário devido à pouca
energia elétrica produzida. Além disso, a célula apresenta espessura reduzida e, necessita de
proteção contra esforços mecânicos e fatores ambientais. O número de células conectadas em
um módulo e seu arranjo é definido a partir dos níveis de necessidade de tensão e corrente
desejados, sendo que essa ligação pode ser em tanto em série quanto em paralelo. A reduzida
potência das células solares justifica a ligação de várias células na fabricação dos módulos
fotovoltaicos (encadeamento de células).
Na ligação em série, os contatos frontais de cada célula são soldados aos contatos
posteriores da célula seguinte, por forma a ligar o polo negativo (parte frontal) da célula com o
polo positivo (parte posterior) da célula seguinte. Os terminais de início e de fim da fileira de
células são estendidos para o exterior, tendo em vista a posterior ligação eléctrica (CRESESB,
1994; GREENPRO, 2004). Dessa forma se faz necessário sua ligação em série, ou paralelo,
ligando-se o polo negativo de uma célula ao polo positivo da célula seguinte, quando da
fabricação dos módulos fotovoltaicos, ao final os terminais de início e fim de cada módulo
ficam aparentes para que possa se proceder à ligação elétrica, conforme visto na Figura 21.
81
Figura 21 - Interligação em série de células cristalinas solares Fonte: GREENPRO (2004)
Os módulos fotovoltaicos são normalmente fabricados em silício cristalino (c-Si),
diferenciando-se pela sua estrutura, nesse caso podem ser monocristalino (m-Si) ou
multicristalino (p-Si), silício amorfo hidrogenado (a-Si), HIT (Heterojunction with Intrinsic
Thin Layer), baseado em silício cristalino com uma camada de silício amorfo, telureto de
cádmio (CdTe) e disseleneto de cobre (gálio) e índio (CIS e CIGS) (DIAS, 2006).
É predominante a participação do silício cristalino na fabricação dos módulos
fotovoltaicos, mas é possível notar uma tendência de crescimento na participação dos filmes
finos principalmente nos últimos cinco anos, conforme pode ser visto na Figura 22, destacando-
se em 2009 a tecnologia do telureto de cádmio (CdTe), principalmente devido ao crescimento
expressivo da produção do fabricante First Solar, líder do segmento deste tipo de produto
(PHOTON INTERNATIONAL, mar-2010).
82
Figura 22 - Percentual de participação no mercado fotovoltaico para cada tipo de
tecnologia no período de 1999 a 2010. Fonte: PHOTON INTERNATIONAL, mar-2010.
Devem ser frisadas algumas características dos módulos fotovoltaicos importantes na
definição do sistema como um todo, são elas:
Geometria das células
A geometria das células é uma importante característica dos módulos fotovoltaicos, uma
vez seu arranjo deve ocupar o máximo de área possível do módulo. Atualmente existem células
quadradas e redondas em operação. As quadradas ocupam melhor espaço nos módulos,
enquanto que as redondas têm a vantagem de não sofrerem perda de material, devido à forma
cilíndrica de crescimento do silício monocristalino (CRESESB, 2004).
83
Encapsulamento da célula
Com a intenção de se proteger o conjunto de células solares de um módulo fotovoltaico
de possíveis tensões mecânicas, agentes atmosféricos e umidade que venham avariar o sistema,
procede-se ao encapsulamento do mesmo. Para isso o conjunto de células é embebido em um
material transparente e maleável com uma função extra de isolamento elétrico do conjunto.
Alguns dos materiais utilizados são o vidro, plástico acrílico, metal ou folheados de plástico.
Os cuidados a serem tomadas nesse processo de encapsulamento é que a cobertura, no lado
sensível à luz, seja feita de material com elevada transmissão luminosa, de forma a permitir a
maior incidência possível da energia solar na célula solar. Por esta razão, o vidro com baixo
teor de ferro é usado geralmente como substrato frontal, pois permite uma penetração de 91 %
da luz. O vidro solar é temperado para que possa resistir às elevadas cargas térmicas. Um vidro
solar antireflexivo recentemente desenvolvido tem uma cobertura adicional antirreflexo
aplicada por um processo cáustico ou por imersão, e uma transmissão luminosa de 96 %. Este
grau de transparência permite um aumento da produção total do módulo na ordem de 3,5 %,
em comparação com os restantes módulos que usam vidro solar convencional (GREENPRO,
2004).
É possível distinguir três tipos diferentes de encapsulamento: Encapsulamento Etileno
Vinil Acetato (EVA); Encapsulamento Teflon; Encapsulamento em resina fundida.
Encapsulamento em Etileno Vinil Acetato (EVA)
No encapsulamento em EVA, as fileiras de células são confinadas em uma câmara de
vácuo em que são aplicadas pressões positiva e negativa em uma temperatura crescente de
forma a laminá-las, derretendo assim o EVA que por sua vez, circunscreve as células solares.
Segundo o GREENPRO esse EVA deve ser resistente aos raios ultravioleta (UV) que incide
sobre a superfície frontal do módulo (GREENPRO, 2004).
Encapsulamento em Teflon
No encapsulamento em Teflon, as células solares são circundadas por um
fluoropolímero especial (Teflon), embora o processo seja semelhante ao encapsulamento com
EVA, neste as células solares assentam num substrato galvanizado, sem cobertura frontal. Isso
é possível uma vez que o Teflon é resistente aos raios UV, além de ser altamente transparente,
84
repelir a sujidade, não perder cor e possuir superfície refletiva, embora o Teflon seja bom
condutor de calor (GREENPRO, 2004).
Encapsulamento em resina fundida
O terceiro tipo de encapsulamento, em resina, é aquele realizado através de um processo
de fundição. Nesse processo as células solares são dispostas entre duas folhas de vidro, que
satisfazem as características estruturais do módulo, são unidas pelo preenchimento das
cavidades existentes entre as placas com resina fortemente fundida.
A escolha do tipo de material da resina a ser aplicado depende da necessidade ou não
de solidificação da mesma através da incidência de radiação UV. A maior vantagem deste tipo
de encapsulamento consiste na rigorosa posição das células, que permanece constante durante
a fundição. Isto permite que se mantenham intervalos uniformes entre as células, mesmo para
grandes módulos.
O encapsulamento em resina é utilizado normalmente para módulos especiais tendo em
vista a integração em edifícios (fachadas, coberturas de vidro e dispositivos de sombreamento).
A resina usada na fabricação dos módulos é também utilizada para a produção de superfícies
envidraçadas com isolamento acústico. Por este motivo, um módulo encapsulado com resina
fundida, tem propriedades atenuantes em termos da propagação do ruído (GREENPRO, 2004).
Em face das diferentes tecnologias de revestimento que são usadas na fabricação das
células de película fina, o material semicondutor poderá ser depositado no topo ou no lado
oposto da folha de substrato, dependendo do substrato se encontrar na face frontal ou posterior.
A posição do material, semicondutor, afeta a possível estrutura do módulo.
Nos módulos monolíticos amorfos ou CdTe, a camada do semicondutor está assente no
lado posterior do vidro do substrato. Isto permite que o vidro do substrato desempenhe também
a função de protetor contra os agentes atmosféricos.
Com o encapsulamento EVA, estes módulos poderão ser revestidos na face posterior
por uma folha de vidro convencional ou, caso a aplicação o imponha, de vidro de segurança
endurecido.
85
2.6.4 Baterias
As baterias são unidades de acumulação que quando conectadas a um circuito elétrico
existe fluxo de corrente devido a uma transformação eletroquímica no seu interior, ocasionando
assim a produção de corrente contínua através da conversão de energia química em energia
elétrica. As baterias podem ser classificadas em recarregáveis e não recarregáveis dependendo
do tipo de célula de que são compostas. Existem dois tipos básicos de células: primárias e
secundárias (CRESESB, 2004).
As células primárias compõem as baterias que podem ser utilizadas apenas uma vez
(não recarregáveis). Quando as células primárias descarregam-se completamente sua vida útil
termina e elas são inutilizadas. As baterias não recarregáveis ou primárias são geralmente
utilizadas como fontes de energia de baixa potência, em aplicações tais como relógios de pulso,
aparelhos de memória digital, calculadoras e muitos outros aparelhos portáteis (CRESESB,
2004).
As células secundárias compõem as baterias recarregáveis, ou seja, aquelas que podem
ser carregadas com o auxílio de uma fonte de tensão ou corrente e reutilizadas várias vezes. São
comumente chamadas de “acumuladores” ou “baterias de armazenamento” e são úteis na
maioria das aplicações por longos períodos, como por exemplo, em Sistemas Fotovoltaicos.
A palavra “bateria” refere-se a um grupo de células conectadas eletricamente em série
e/ou paralelo para produzir uma tensão e/ou corrente mais elevada do que a que pode ser obtida
por uma única célula. Uma bateria pode também ser constituída por uma única célula caso esta,
se constitua num sistema de armazenamento eletroquímico completo.
Embora a capacidade de uma bateria seja normalmente definida como a quantidade de
Ampères-hora (Ah) que pode ser retirada da mesma quando esta apresenta carga plena, pode,
também, expressar capacidade em termos de energia (Watt-hora ou quilowatt-hora).
Teoricamente, uma bateria de 200 Ah deve ser capaz de fornecer corrente de 200 A durante 1
hora, ou 50 A por 4 horas, ou 4 A por 50 horas, ou ainda, 1 A por 200 horas. Um fator que
influencia na capacidade da bateria é a velocidade de carga ou descarga. Quanto mais lento for
o descarregamento, ligeiramente maior será a sua disponibilidade de carga e vice-versa. Os
fabricantes normalmente fornecem a capacidade para cada regime de descarga.
86
Outro fator que influencia na capacidade é a temperatura de operação da bateria. As
baterias são projetadas para trabalharem a 25o C. Assim, temperaturas mais baixas reduzem
significativamente sua capacidade e temperaturas mais altas resultam em uma capacidade
ligeiramente maior acarretando, contudo, aumento da perda de água e diminuição do número
de ciclos, durante a vida útil da bateria.
Segundo o CRESESB (2004), A operação de uma bateria, usada em um Sistema Solar
Fotovoltaico, deve atender a dois tipos de ciclos, basicamente:
a) Ciclos rasos a cada dia;
b) Ciclos profundos por vários dias (tempo nublado) ou semanas (durante o inverno).
Os ciclos profundos ocorrem quando o carregamento não é suficiente para repor a
quantidade de carga usada pelos aparelhos durante todo o dia. Por isso, o estado de carga depois
de cada ciclo diário é ligeiramente reduzido e, se isto ocorrer por um período de vários dias,
levará a um ciclo profundo. Quando o tempo melhora ou os dias prolongam-se, há um
carregamento extra, aumentando o estado de carga depois de cada ciclo diário. As
características mencionadas a seguir devem ser observadas para que as baterias tenham um bom
desempenho quando instaladas em um sistema solar fotovoltaico: elevada vida cíclica para
descargas profundas, necessidade de pouca ou nenhuma manutenção, elevada eficiência de
carregamento, baixa taxa de auto descarga, confiabilidade, mínima mudança no desempenho
quando trabalhando fora da faixa de temperatura de operação.
Para o CRESESB (2004) atualmente as baterias chumbo-ácido sejam as mais utilizadas
atualmente em Sistemas Fotovoltaicos, as de níquel-cádmio são as que apresentam
características mais próximas das ideais. As baterias níquel-cádmio não apresentam, por
exemplo, problemas de ciclos profundos ou de sulfatação20 e, portanto, podem ser deixadas
completamente descarregadas. Entretanto, o elevado custo tem limitado o seu uso, em pequenos
sistemas.
20 Sulfatação:é a formação de rígidos cristais de sulfato de chumbo sobre as placas, quando as baterias são descarregadas. Eventualmente essa sulfatação pode inibir as reações químicas, quando a bateria está descarregada. A sulfatação nas placas dá-se em decorrência da auto descarga na bateria por ficar longos períodos sem uso, vão se criando pontos esbranquiçados, ou seja, cristalizados: quanto mais tempo a bateria ficar sem uso, maior será a sulfatação, até que a placa fique totalmente cristalizada, neste processo de sulfatação, o ácido concentra-se nas placas causando assim trincas nas grades e perda das mesmas.
87
Baterias automotivas são projetadas para curtos períodos de rápida descarga, sem
danificá-las. Este é o motivo pelo qual elas não são apropriadas para Sistemas Fotovoltaicos.
Isto, no entanto, não é suficiente para que se deixe de usá-las já que estas apresentam como
atrativo o seu baixo custo. Em qualquer situação, é indispensável conhecer as características
elétricas da bateria selecionada e escolher um controlador de carga adequado.
2.6.5 Controladores de carga
São dispositivos incluídos nos Sistemas Fotovoltaicos, com o objetivo de facilitar a
máxima transferência de energia do arranjo fotovoltaico para a bateria ou banco de baterias e
protegê-las contra cargas e descargas excessivas, aumentando, consequentemente, a sua vida
útil. São dispositivos considerados críticos em sistemas isolados, pois caso ocorra alguma falha
a bateria, ou ainda a carga que está diretamente ligada ao sistema podem sofrer danos
irreversíveis, dependendo do período de tempo decorrido.
Controladores de carga são componentes críticos em nos sistemas fotovoltaicos
isolados, pois, caso venham a falhar, a bateria ou a carga poderão sofrer danos irreversíveis. Os
controladores devem desconectar o arranjo fotovoltaico quando a bateria atinge carga plena e
interromper o fornecimento de energia quando o estado de carga da bateria atinge um nível
mínimo de segurança.
Segundo o CRESESB (2004), uma forma de melhorar o desempenho do controlador de
carga, seria acoplar a ele um sensor de temperatura de forma a compensar o efeito da variação
da temperatura nos parâmetros das baterias. O controlador de carga deve ainda permitir o ajuste
dos seus parâmetros e a escolha do método de controle para adaptá-los aos diferentes tipos de
baterias.
Os Controladores de Carga podem diferir quanto à grandeza utilizada para o controle.
Carga (integração do fluxo de corrente na bateria), tensão e densidade do eletrólito são as mais
utilizadas. Outro fator de diferenciação é a forma que o controlador utiliza para desconectar o
painel fotovoltaico da bateria quando esta apresenta carga plena. Sob este aspecto, pode-se
classificá-los como shunt ou série. Segundo CRESESB (2004) ambos os modelos podem ser
usados em sistema fotovoltaico. Um controlador ideal para a aplicação fotovoltaica deve, além
de satisfazer os objetivos básicos apresentados, gerenciar a carga de acordo com a
88
disponibilidade de energia solar, necessitando para tal, possuir uma informação confiável do
estado de carga da bateria em um dado instante. Deve evitar penalizar o usuário ao mesmo
tempo em que busca satisfazer os requisitos de operação das baterias como, por exemplo,
evitando que baterias chumbo-ácido permaneçam descarregadas por longos períodos.
2.6.6 Inversores
O inversor é o componente responsável pela conversão de corrente contínua (CC) em
corrente alternada (CA) é comumente conhecido como “inversor” ou, mais genericamente,
“conversor CC-CA”. Este também é mencionado na literatura como PCU - Power Conditioning
Unit (Unidade Condicionadora de Potência). O inversor deve dissipar o mínimo de potência,
evitando as perdas e deve produzir uma tensão com baixo teor de harmônicos e em sincronismo
com a rede elétrica, se o Sistema Fotovoltaico estiver interligado à rede. Muitas vezes utilizam-
se filtros para minimizar o conteúdo de harmônicos (CRESESB, 2004).
Os inversores usam um mecanismo de chaveamento para alternar o fluxo de corrente
entre as direções positiva e negativa. Nos sistemas de potência elevada, que cobrem uma
extensa área, a vantagem de usar um inversor está no fato de que a dimensão (seção) dos cabos
para interligação entre longas distâncias pode ser reduzida. Isto acontece uma vez que, nos
circuitos CA, as tensões de operação são mais elevadas e, consequentemente, as correntes são
pequenas. Neste caso, a redução de custo, pelo uso de cabos de menor bitola, é bastante
considerável. Também é mais fácil elevar ou reduzir a tensão através de transformadores.
Segundo o CRESESB (2004), existem, basicamente, dois tipos de inversores: os
comutados pela rede (comutação natural) e os auto comutados (comutação forçada). No
primeiro, o processo de inversão é controlado pela tensão da rede elétrica; no auto comutado, o
controle é realizado pelo próprio inversor. As tecnologias estão possibilitando que o mesmo
inversor possa operar nos dois sentidos, isolado ou sincronizado à rede. Inversores isolados
comumente operam com tensões de entrada de 12, 24, 48 ou 120 Volts (CC21) que geralmente
são convertidos em 120 ou 240 Volts (CA22), na frequência de 60 ou 50 Hertz.
21 CC – Corrente contínua. 22 CA – Corrente alternada.
89
Para especificar um inversor, é necessário levar em consideração a tensão de entrada
CC quanto a tensão de saída CA. Além disso, todas as exigências que a carga fará ao inversor
devem ser observadas, não somente em relação à potência, mas também variação de tensão,
frequência e forma de onda.
Segundo Brum (2013), os inversores são circuitos estáticos que atuam de forma a
converter a corrente continua em alternada com uma frequência de saída especificada. Eles são
classificados em dois tipos: inversores de tensão e inversores de corrente. Inversores de tensão
podem produzir tensão controlada com variação de frequência, gerada a partir de uma fonte de
tensão continua. Eles devem dissipar o mínimo de potência possível, de modo a evitar perdas.
Deve, ainda, gerar uma tensão com poucos harmônicos e em sincronismo com a rede.
Acrescenta o autor que nos inversores são usados transistores de potência, retificadores
controlados de silício (RCS’s e IGBT’s) como chaves semicondutoras. Esse mecanismo de
chaveamento é responsável por alterar o fluxo de corrente entre as direções positivas e
negativas.
A classificação proposta pelo autor respalda-se em que inversores de corrente são
inversores a tiristores empregados como filtros ativos, controlados através do monitoramento
da corrente da rede. Algumas das aplicações dos inversores além das fontes de alimentação
ininterruptas são: acionamentos de corrente alternada de velocidade variável, fonte de tensão e
frequência controlada, compensação de reativos e fornos de indução. Outra maneira de
classificar os inversores é quanto ao tipo de comutação. Existem os inversores comutados pela
rede, em que, o processo de inversão é controlado pela tensão da rede elétrica. E o segundo tipo
é o de comutação forçada ou auto comutado, neste é o inversor que realiza o controle da
comutação.
Dessa colocação o autor conclui ainda que os diferentes métodos de conversão dos
inversores são responsáveis por gerar diferentes tipos de formas de onda, as mais comuns são:
quadrada, quadrada modificada (retangular), senoidal e PWM. A forma de onda de saída é um
indicador da qualidade e custo do inversor. Harmônicos são gerados no processo de conversão,
para isso são usados filtros para suavizá-los. A tabela abaixo traz um resumo dessa
classificação.
90
Tabela 8 - Característica dos inversores com formas de onda diferentes. Tipos de Inversores Características
Onda Quadrada
Fornecem uma saída CA com harmônicos elevados e pequena regulação de tensão. A onda quadrada é obtida simplesmente alterando-se a tensão e corrente. Comparando-se a operação em tensão senoidal de rede elétrica, um motor de indução, que esteja operando com esses tipos de inversores, tem somente cerca de 60% do seu torque normal e aquecimentos indesejáveis. São tipicamente mais baratos, porém, não devem ser usados para cargas indutivas, como motores. Entretanto, são muito adequados para cargas resistivas, tais como lâmpadas incandescentes.
Onda Quadrada, Modificada ou Retangular
Trata-se de um refinamento dos inversores de onda quadrada. Chaveamentos adicionais são usados para melhorar aproximação de uma onda senoidal e, por isso, estes possuem menor distorção harmônica que os de onda quadrada. São adequados para uma maior variedade de caras, incluindo lâmpadas, equipamentos eletrônicos e a maioria dos motores, embora não consiga operar um motor tão eficientemente quanto um inversor de onda senoidal. São mais adequados para operarem motores do os inversores de onda quadrada, já que o aquecimento do motor é menor. O torque de partida e operação também são melhores, visto que a tensão e corrente de pico são maiores. Entretanto, a tensão de pico destes inversores não deve ser excessiva.
Onda Senoidal
São geralmente mais caros, entretanto, se adequadamente projetados e dimensionados, são os que produzem uma tensão de saída e desempenho mais adequados. Podem operar a maioria dos aparelhos CA ou motor, dentro da sua classificação de potência. Utilizam normalmente a técnica PWM23 com uma filtragem posterior. Usado em geral para inversores trifásicos
PWM
Possuem distorção harmônica muito baixa, principalmente em configurações trifásicas, apesar do aspecto visual da forma de onda. Permitem a construção de inversores senoidais com filtragem não muito complexa. Adequado para quase todas as cargas CA, exceto equipamentos muito sensíveis.
Fonte: Adaptado de Brum (2013, p. 19).
Complementando-se essa descrição dos inversores, têm-se no mercado dispositivos com uma
alta gama de aplicações e tecnologias inovadores no que diz respeito ao processo de inversão
de frequência para utilização em sistemas fotovoltaicos. Destaque-se aqui modelos que podem
ser operados por um técnico treinado, como o Fronius Agilo Outdoor, que segundo o
23 A técnica de modulação de largura de impulsos PWM permite controlar a frequência e a amplitude da tensão eficaz da onda de saída. O princípio base do funcionamento desta técnica está em comparar um sinal triangular portador de alta frequência que define a frequência de comutação, em face de um sinal de frequência inferior, designado por sinal de referência modulador. Controla-se o valor médio da saída ao longo do período do sinal modulador, com impulsos de duração proporcional ao valor médio requerido de tensão (LOPES, 2013).
91
fabricante é ideal para sistemas fotovoltaicos industriais e comerciais com níveis de potência
de 75kW a 100kW, outros como Fronius Galvo que trata-se de um inversor para sistemas de
auto-consumo de pequeno porte, baseado em um dispositivo transformador monofásico com as
categorias de baixa potência 1,5-3,1 kW, equipado com função de gestão de energia integrada
podendo simplesmente ter seu software de gestão atualizado através de cartões (FRONIUS
INTERNATIONAL, 2013). Outros dispositivos como o THEIA HE-t que segundo o seu
fabricante tem Eficiência máxima de 97,3% com isolamento galvânico, estando adequado para
painéis de todas as tecnologias, com design térmico inteligente, Interface do usuário intuitiva,
Tela colorida com botões touch sense o que pode garantir facilidade de uso (ELTEK Valere,
2013). Uma tendência também junto aos fabricantes de inversores é a monitoração e
comunicação do mesmo através de sua interação a um servidor de web integrado com um
software de monitoração.
Percebe-se que a categoria dos inversores vem passando por constantes avanços para
atender o mercado cada vez mais aquecido de transformação de energia solar em energia
elétrica.
2.6.7 Conversores CC - CC
Também são dispositivos que atuam como controlador de carga de baterias a partir da
energia gerada por painéis solares. São dispositivos que possibilitam controlar de forma mais
precisa a corrente e a tensão que são aplicadas às baterias, proporcionando assim um aumento
da vida útil das mesmas e uma melhor eficiência do processo de transferência de energia do
painel para a bateria. Também é necessário utilizar este conversor quando se deseja uma tensão
CC de saída de valor diferente daquele fornecido pelas baterias e painéis. Pode-se utilizar este
conversor tanto para elevar a tensão (conversores tipo Boost) quanto para abaixar a tensão
(conversores tipo Buck). Também é possível obter com este conversor várias tensões de saída
a partir de uma única tensão de entrada (CRESESB, 2004).
Outros dispositivos podem ainda ser incorporados nos sistemas fotovoltaicos, mas
apenas em instalações específicas, sendo relacionados neste estudo apenas aqueles efetivamente
utilizados na maioria desses sistemas.
92
2.7 VIABILIDADE ECONÔMICA
Analisando o viés da viabilidade econômica, aponta que a energia fotovoltaica apresenta
um custo alto, o que dificulta a sua aplicação em maior escala. No entanto, esses custos vêm
diminuindo ao longo dos anos devido a vários fatores, como programas de incentivos à sua
implantação, aperfeiçoamento de processos de fabricação, diversidade de tecnologia, eficiência
dos módulos e a procura por energia sustentável, silenciosa e limpa (JARDIM, 2007). Os custos
de implantação dos sistemas fotovoltaicos têm diminuído, sendo provável que eles diminuam
ainda mais. Porém, a utilização dessas fontes poderia ser mais acelerada, se houvesse mais
programas governamentais de incentivo ao uso da tecnologia.
As gerações futuras poderiam obter benefícios por meio da utilização de uma energia
renovável, de forma a colaborar com a preservação ambiental. Desse modo, a produção de
energia fotovoltaica iria beneficiar a sociedade de uma maneira global, gerando postos de
trabalho, suprimento de energia e, além disso, prevenindo a degradação ao meio ambiente
(SALAMONI, 2004).
Para instalações fotovoltaicas interligadas à rede elétrica, o custo da energia atualmente
é superior ao da geração convencional. Estes custos vêm declinando desde o lançamento do
primeiro programa de implantação de sistemas desse tipo, no início dos anos 90, pelo governo
alemão 1000- Roofs Program. Neste programa, os custos para implantação desta são
distribuídos na seguinte proporção: painéis (60%), instalação (15%), materiais de instalação
(10%) e inversor (15%) (RÜTHER, 2004).
A Associação Europeia da Indústria Fotovoltaica (EPIA) mostra, em um cenário
otimista para o ano 2030, que os sistemas fotovoltaicos poderão gerar cerca de 2600 TWh de
eletricidade ao redor do mundo. A capacidade instalada anual de sistemas fotovoltaicos atingiria
281 GWp, sendo que cerca de 60% destes seriam de sistemas interligados à rede, principalmente
nos países industrializados. Nesse cenário, 1.280 milhões de pessoas estariam cobrindo seu
próprio consumo de eletricidade, a partir de um sistema fotovoltaico interligado (EPIA, 2008).
Diversos tipos diferentes de sistemas fotovoltaicos (FV) foram desenvolvidos nas
últimas décadas. Os módulos que estão dominando hoje são os de silício cristalino, que
93
representam cerca de 80% do mercado, enquanto os de tecnologia de filmes finos contam com
aproximadamente 20% do mercado (EPIA, 2010).
No futuro, melhorias nos módulos FV e nos componentes do balanço de sistema (BOS)
são esperados. A questão-chave para uma maior difusão desta tecnologia de geração é a redução
dos custos de todos os tipos de sistemas fotovoltaicos. Atualmente, o preço de um sistema FV
é de menos de 3 Euros/Wp no mercado internacional (PHOTON INTERNATIONAL, abr-
2010). Segundo Melo (2010), as curvas de experiência para sistemas fotovoltaicos é uma
construção teórica baseada em pesquisa e desenvolvimento (P&D) onde vários países têm
apoiado o desenvolvimento de novas tecnologias, e estes esforços têm propiciado tecnologias
mais limpas e eficientes. Entretanto, muitas destas tecnologias são ainda muito caras para o
desenvolvimento comercial, necessitando de medidas políticas para a sua implementação no
mercado.
As curvas de experiência propostas pelo professor Lena Neij (NEIJ, 1997; NEIJ, 2008)
mostram reduções de preço associadas a uma taxa de aprendizagem (que mede o grau de
conhecimento da tecnologia, tanto pelo usuário quanto pelo mercado consumidor) do mercado
solar fotovoltaico de aproximadamente 20% para os módulos fotovoltaicos para cada
duplicação da capacidade instalada de produção acumulada, isto é, o custo dos equipamentos
envolvidos nesse modelo de geração cai à medida em que o conhecimento e a tecnologia são
difundidas, sugere o professor que, o governo, além de investir em P&D, deveria subsidiar
tecnologias emergentes para que estas entrem em nichos de mercado onde possam se tornar
comercialmente viáveis.
Segundo Neij (2008), estudos indicam que essa taxa de aprendizagem é, na verdade, a
capacidade que a população tem de assimilar a nova tecnologia e colocá-la em prática, se
beneficiando da geração elétrica. Esses dados se traduzem no aumento da produção de sistemas
e dispositivos para instalações fotovoltaicas. Essas curvas de experiências são baseadas em
sistemas fotovoltaicos interligados à rede, utilizando-se módulos de silício cristalino. Isto tem
como resultado uma redução anual de 5 a 7% preço para esta tecnologia. A indústria
fotovoltaica teve uma produção em torno de 12 GW em módulos em 2009, que representou um
crescimento de 56% em relação à do ano anterior, conforme pode ser visto na Figura 23 e as
previsões indicam uma produção acima de 21 GW para 2010 (PHOTON INTERNATIONAL,
mar-2010).
94
Figura 23 - Produção de células fotovoltaicas no mundo de 1999 a 2009.
Fonte: PHOTON INTERNATIONAL, mar-2010.
Uma análise de cima para baixo do setor identificou e detalhou futuras fontes
substanciais de redução de custos. As fontes mais importantes de redução de custos estão
relacionadas com o custo do silício, da eficiência e da escala das plantas. Fontes de redução de
custos para módulos de filme fino também foram identificados, mas não quantificados. No
entanto, o futuro depende da redução dos custos dos módulos de filme fino, mais do que
módulos de silício, ou de uma combinação de ambos. Além disso, acredita-se que novas
inovações nos módulos FV possibilitarão reduções de custo adicionais (NEIJ, 2008).
Segundo a Photon International (mar-2010), o custo do silício varia de US$ 50,00 a US$
60,00 por quilograma, devendo cair para uma faixa de U$ 25,00 a US$ 30,00 nos próximos
cinco anos, o que deve favorecer na redução do custo de fabricação das células fotovoltaicas.
Com base nestes resultados, a melhoria gradual das tecnologias já existentes também pode ser
esperada. Por outro lado, assumindo-se melhorias mais radicais e o desenvolvimento de novos
e inovadores sistemas fotovoltaicos e sistemas de produção, é de se esperar que o aprendizado
acerca dos sistemas fotovoltaicos aumente de forma exponencial, uma vez que maiores
investimentos em pesquisa devem subsidiar uma nova geração de tecnologia para esse setor.
No entanto estudos indicam limitações nesses investimentos e possíveis reduções dos custos
atrelados a esse tipo de tecnologia no futuro (NEIJ, 2008).
95
3 MATERIAIS E MÉTODOS
Neste capítulo procurou-se descrever o sistema fotovoltaico montado em laboratório.
Apresentam-se as especificações de cada equipamento em função do nível de tensão, corrente
e potência em função da carga normalmente encontrada numa edificação residencial.
3.1 COMPONENTES DO SISTEMA FOTOVOLTAICO MONTADO
O sistema solar montado, como pesquisa, pelo Programa de Pós-Graduação em
Engenharia de Edificações e Ambiental, da Faculdade de Arquitetura, Engenharia e Tecnologia
da Universidade Federal de Mato Grosso, é constituído basicamente de placas solares,
controlador de carga, conjunto de baterias, inversor de energia de corrente contínua para
corrente alternada e a carga, todos eles montados em uma bancada de testes em laboratório.
A Figura 24 ilustra, de forma esquemática, exemplos de como podem ser constituídos
um sistema solar fotovoltaico. Em nosso experimento a carga prevista para o sistema é de um
motor de geladeira com potência de 1/5 CV e tensão elétrica de 127 V, seis lâmpadas
fluorescentes do tipo compacta de 21W de potência e tensão elétrica de 127 V.
96
Figura 24 - – Esquema do sistema fotovoltaico montado Fonte: CRESESB/CEPEL
3.2 TIPOS DE EQUIPAMENTOS
Os equipamentos empregados no sistema solar fotovoltaico estão especificados a seguir.
Os mesmos foram adquiridos através de recursos provenientes do Programa Pró-Equipamentos
da CAPES que visa apoiar propostas que atendam a necessidade de equipamentos destinados à
melhoria da estrutura de pesquisa científica e tecnológica dos Programas de Pós-Graduação,
em todas as áreas do conhecimento, nas Instituições Públicas de Ensino Superior, como é o
caso do Programa de Pós Graduação em Engenharia de Edificações e Ambiental (PPGEEA).
97
3.2.1 Placa Solar
Painel solar policristalino de alta eficiência24, com capacidade de transformação da
radiação solar diretamente em eletricidade. O painel possui células encapsuladas entre camadas
de vidro temperado como cobertura, acetato de vinil etilênico e, polivinil fluorídrico como
fundo. Os painéis são à prova d’água e resistentes as mais severas condições ambientais. O
painel está emoldurado em alumínio anodizado, fornecendo uma estrutura rígida e de fácil
instalação. Os painéis adquiridos para utilização têm potência de fornecimento de 85 Wp, e
tensão de geração de 12 V.
A Figura 24 ilustra como fica a distribuição dos painéis de acordo com a carga a ser
alimentada. Para atender à geladeira um conjunto (1) de 6 painéis de 85 Wp/12V. O conjunto
de cargas advindos do sistema de iluminação (6 lâmpadas de 21W) foram alimentados por outro
conjunto (2) de 6 painéis solares.
A bomba d’água foi ligada diretamente no conjunto (3) composto por dois painéis
solares, ligados em paralelo, pois a tensão de saída é de 12 V(CC). Os conjuntos de painéis
solares (1) e (2), deverão ser ligados em paralelo e depois em série, de maneira a obter uma
tensão de geração de 24 V (CC).
3.2.2 Controlador de Carga
O controlador de carga usado na pesquisa é definido para utilização em baterias
utilizadas em sistemas solares, tem capacidade de controlar uma carga de 20 A, com a tensão
de operação de 24 V (CC). Está empregado no monitoramento das baterias chumbo-ácido. Suas
funções são totalmente automáticas detectando dia/noite pelo painel solar, desliga
automaticamente quando a tensão da bateria está baixa, evitando danos à mesma. Ativa
automaticamente quando a tensão volta ao nível de trabalho. O equipamento possuir proteção
contra curto-circuito e inversão de polaridade.
24 Diz-se de alta eficiência, pois quando foram desenvolvidas as primeiras placas solares, sua eficiência era da ordem de 1 a 2%. As placas solares utilizadas atualmente chegam a um rendimento médio da ordem de 14%, daí serem classificadas como de alta eficiência, em relação as primeiras.
98
O controlador possui, ainda, cerca de 4 leds indicadores do estado do circuito, condições
da bateria e da carga. Estão instalados dois controladores de carga independentes, como mostra
a Figura 24.
3.2.3 Inversor de Frequência
O inversor de frequência instalado converte a energia em corrente contínua, de 24 V
(CC), proveniente do painel solar ou do conjunto de baterias 24 V (CC) para os equipamentos
que vão ser alimentados em 127 V/60 Hz.
A Figura 24 mostra dois inversores de frequência independentes para controlar as
cargas. Utiliza-se um inversor somente para alimentar a geladeira de 1/5 CV, 110 V. O outro
inversor para alimentar o sistema de iluminação de seis lâmpadas fluorescentes compactas de
21 W/127 V.
3.2.4 Baterias
As baterias são do tipo estacionárias, de chumbo-ácido com capacidade de 150 Ah/12V,
de elevada vida útil, aproximadamente 3 anos. Em razão do experimento montado tratar-se de
aplicação estacionária, e nesse caso não haver restrição quanto a relação potência/peso dos
dispositivos de armazenamento, as baterias de chumbo ácido foram escolhidas por serem uma
boa alternativa, pelo seu baixo custo, longa vida de armazenamento e tecnologia dominada, por
esses motivos para esse estudo essas baterias serão utilizadas. O melhor desempenho de uma
bateria de Chumbo Ácido depende diretamente da qualidade do método de recarga empregado.
Os objetivos principais de utilização de um método de carga adequado é aumentar a eficiência,
o ciclo de vida e possibilitar um baixo tempo de recarga (TOALDO & STEIN, 2012).
Como ilustrado na Figura 24, as baterias estão ligadas em série, proporcionando uma
tensão de saída das mesmas de 24V (CC).
99
3.2.5 Bomba d’água
A bomba d’água é alimentada com 12V (CC) que pode recalcar mais do que 6,8
litros/minuto, até uma altura de 42 metros, quando colocada dentro de um poço. O consumo
esperado desta bomba é de 7,2 Ah, para uma altura de recalque de 42 metros.
3.3 ESPECIFICAÇÕES DOS EQUIPAMENTOS
3.3.1 Número de Equipamentos
A Tabela 9 mostra a quantidade de equipamentos utilizados no sistema para
aproveitamento de energia solar. Não estão incluídos os acessórios para fazer interligação dos
equipamentos e, também não estão eletrodutos de pvc para proteção de cabos.
Tabela 9 - Número de equipamentos do sistema solar. ORDEM ESPECIFICAÇÃO UNIDADE QUANTIDADE
1 Painel solar fotovoltaico policristalino 85W, 12V Und 14
2 Controlador de carga, painel fotovoltaico e bateria, de 20A, 24V(CC)
Und 2
3
Inversor de frequência de 500VA, para sistema fotovoltaico, com entrada de 24V(CC) e saída em 127V (RMS), com frequência constante de 60Hz puramente senoidal.
Und 2
4 Bateria estacionária de chumbo-ácido de 150Ah, 12V, com duração de 8 anos
Und 4
5 Bomba de superfície, 12V, com fluxo superior a 6,8 litros/minuto, recalque até 42 metros de altura e, consumo de 7,2 Ah.
Und 1
6 Motor de geladeira Und 1 7 Lâmpadas fluorescentes compactas de 21W Und 6
Fonte: Próprio autor
3.3.2 Potência de cada equipamento
Começando pela parte de geração de energia, ou seja, placas fotovoltaicas, são 14 placas
de 85 Wp/12V cada uma. A média mensal de energia gerada por uma das placas fotovoltaicas
é de 11,47 kWh/mês, estimando-se uma média de 4h30min de insolação diária. O total gerado
pelas placas fotovoltaicas em um mês é estimado em 160 kWh/mês.
100
O controlador de carga instalado têm capacidade de controlar correntes da ordem de
20A, a uma tensão do lado de corrente contínua de 24 V (CC).
O inversor de frequência tem potência mínima de 1000 VA, para alimentar as cargas
estimadas como descrito na Figura 24. Ou seja, um inversor alimenta um motor de geladeira
duplex de 1/5 CV, 110V. Outro inversor alimenta um sistema de iluminação com seis lâmpadas
econômicas de 21 W/120V.
A bomba d’água tem uma potência estimada de 100 W, pois o consumo esperado é de
7,2 Ah, com uma tensão de 12 V.
3.3.3 Tensão de funcionamento de cada equipamento
Sob o ponto de vista da carga, propõe-se a utilização de equipamentos eletrodomésticos
como uma televisão, uma geladeira, um conjunto de seis lâmpadas fluorescentes do tipo
compacta com potência de 21 W, além de um computador do tipo PC, que serão alimentados
com tensão de 127 V, quadrada, na frequência de 60 Hz.
A bomba d’água foi alimentada diretamente pelas placas fotovoltaicas. A bomba d’água
é alimentada com uma tensão de 12 V.
O controlador de carga da marca Morningstar, modelo ProStar PS30 (sem display) é
alimentado com a tensão de operação de 24 V.
A tensão de entrada do inversor de frequência é de 24V, em corrente contínua, enquanto
que as baterias são de chumbo-ácido de 12V cada uma.
3.3.4 Consumo em ampères por hora de cada equipamento
A lâmpada compacta de 21 W, possui um consumo de 0,2 Ah por lâmpada, totalizando
1,2 Ah de consumo, se todas elas tiverem ligadas. A bomba d’água, como já foi dito, um
consumo de 7,2 Ah.
101
Não foi considerado o consumo do próprio inversor de frequência e do controlador de
carga; pois este valor é irrelevante em comparação com a carga instalada.
3.3.5 Número de horas/uso de cada equipamento
A previsão do tempo de funcionamento do sistema ligado a cada dia para cada
equipamento é a estimada pela Tabela 10, onde se pode observar que controlador de carga, o
inversor de frequência possuem consumo desprezível, em comparação com as outras cargas,
enquanto que, a bateria tem apenas o caráter de armazenador de energia.
Tabela 10 - Número de horas/uso de cada equipamento.
ORDEM EQUIPAMENTO HORAS/USO
(Diária) POTÊNCIA
GERAÇÃO / CONSUMO
[KWh] (MENSAL) 1 Painel solar fotovoltaico 10 (Teórica) 85Wp 261,80 2 Controlador de carga 24 480VA 0
3
Inversor de frequência 1000 VA, para sistema fotovoltaico, com
entrada em 24V (CC) e saída em 127V (RMS), com frequência
constante de 60 Hz.
24 500VA 0
4 Bateria estacionária de chumbo-
ácido de 150Ah, 12V 24 0
5 Motor de Geladeira 15 200W 66,00 6 6 Lâmpadas Fluorescente de 21W 6 21W 16,63
Fonte: Próprio autor
Geração de energia Consumo de energia
3.4 MÉTODO
3.4.1 Local de instalação
Com a finalidade de avaliar qual a intensidade de energia elétrica produzida na região
Centro-Oeste, em especial em Cuiabá, a partir do aproveitamento da radiação solar incidente,
montou-se um Sistema Fotovoltaico nas dependências da Faculdade de Arquitetura, Engenharia
e Tecnologia (FAET).
102
O local escolhido para a instalação do sistema fotovoltaico compreendeu as
dependências do Campus da Universidade Federal de Mato Grosso (UFMT), em Cuiabá-MT,
conforme Figura 25. Sendo que as placas solares fotovoltaicas estão posicionadas voltadas para
o Norte e instaladas no telhado do bloco, precisamente sobre a sala 125 do Bloco D (Prédio da
Faculdade de Arquitetura, Engenharia e Tecnologia da UFMT). Pode-se afirmar que o local
possui maior parte dos dias do ano com elevada insolação, devido a sua posição geográfica,
com coordenadas geográficas em 15º28’36,89” de Latitude Sul e 56º03’59,91” de Longitude
Oeste.
Figura 25 – Imagem geral do ICET e do ponto de Instalação dos Módulos Solares
Fotovoltaicos Fonte: Adaptado de Google Earth.
Estimou-se, no início da pesquisa, que o tempo médio diário de insolação que pode ser
captado pela placa seja da ordem de 4,5 horas (quatro horas e meia).
O prédio tem estrutura em concreto armado, com laje de cobertura e coberto por telhas
de fibrocimento apoiadas em estrutura metálica de aço. Esse telhado é composto ainda por uma
platibanda de concreto armado, com cerca de 60 cm de altura em todo o perímetro da cobertura,
conforme pode ser visto na Figura 26.
103
Figura 26 - Caracterização do local de instalação do módulo fotovoltaico e estrutura de
suporte. Fonte: Próprio autor
O sistema montado é composto basicamente por um módulo fotovoltaico constituído
por placas solares fotovoltaicas instaladas sobre suporte fabricado, sob medida, para suportar
essas placas. Na fabricação desse suporte foram utilizados perfis metálicos em chapa de aço
galvanizado dobrados em formato cartola, parafusados uns sobre os outros.
Esse conjunto foi posicionado e fixado sobre a platibanda do prédio relativo ao Bloco
D, conforme Figura 27 e 28, que abriga em seu primeiro pavimento, salas de aula e laboratórios
e, em seu segundo pavimento, salas de aula.
104
Figura 27 – Detalhe de fixação da
estrutura de sustentação
Figura 28 - Detalhe dos perfis de
sustentação Fonte: Próprio autor
A montagem das placas foi realizada com cuidado de forma a não danificar as mesmas
e também garantir o seu alinhamento e planicidade, uma vez que qualquer distorção poderia
comprometer a recepção da radiação incidente e, sobretudo interferir na captação de cada placa,
conforme pode ser visto na Figura 29. Ao conjunto já montado denominou-se Arranjo
Fotovoltaico.
Figura 29 – Detalhe das montagens das placas solares na estrutura de sustentação
Fonte: Próprio autor
105
3.4.2 Orientação do Arranjo Fotovoltaico
Na definição da orientação do arranjo fotovoltaico obedeceu-se critérios específicos
recomendados pelo CRESESB.
Com a finalidade de beneficiar-se da máxima captação de energia ao longo
do ano, duas condições devem ser observadas. A primeira considera que, para
uma operação adequada, os módulos devem estar orientados em direção ao
Equador. Para instalações localizadas no território brasileiro (Hemisfério
Sul), os módulos fotovoltaicos fixos devem estar orientados em direção ao
Norte Verdadeiro CRESESB (2004, p. 142).
O CRESESB alerta ainda para a correta determinação da direção Norte-Sul, uma vez
que estamos sujeitos à diferença entre Norte Verdadeiro e Norte Magnético (indicado pela
bússola), em virtude da Declinação Magnética, cita ainda que na maioria das regiões, o Norte
Verdadeiro raras vezes coincide com o Norte Magnético.
A diferença entre a direção Norte Verdadeiro e Norte Magnético é chamada de
Declinação Magnética do Lugar. Mesmo que para a verificação da direção Norte-Sul utilize-se
de uma bússola, essa leitura certamente estará sujeita a grandes desvios.
Para que se evite esse tipo de erro nas definições dessa direção sugere que se consulte o
Mapa de Declinação Magnética, Figura 30 e Figura 31 para que se encontre a correta direção
angular, que deverá ser aplicada à leitura da bússola, e cuidar-se para obter uma leitura correta
com a bússola, evitando objetos metálicos, fontes de campos magnéticos etc.
106
Figura 30 – Mapa de Declinação Magnética 2012 Fonte: Observatório Nacional, 2012.
O segundo critério observado diz respeito ao ângulo de inclinação que esse arranjo
fotovoltaico faz com a horizontal. Segundo o CRESESB (2004), de maneira geral essa
inclinação deve ser igual à latitude do local da instalação do sistema, e obrigatoriamente, nunca
deverá ter inclinação inferior a 10°, de forma que possibilite a autolimpeza dos módulos, em
caso de acúmulo de materiais estranhos.
Essa providência, porém não deve limitar as intervenções de manutenção para limpeza
dos módulos, sobretudo em locais de grande incidência de poeira, que podem reduzir o
desempenho do arranjo fotovoltaico.
Segundo dados do Observatório Nacional em seu Mapa de Declinação Magnética 2012,
a região de Cuiabá está localizada entre a latitude 15°S e 20° S, dados esses utilizados para
definição da inclinação do conjunto como um todo. Considerando que o conjunto é estático
107
durante todo o ano, optou-se por um ângulo de inclinação que propiciasse a máxima geração de
energia nas diversas épocas do ano e com a latitude do local onde o sistema foi instalado com
ângulo de inclinação com a horizontal definido foi da ordem de 16,15° admitido por
interpolação.
Figura 31 – Declinação Magnética de Cuiabá Fonte: Adaptado de Observatório Nacional, 2012.
Segundo o CRESESB (2004) tal precisão pode ser utilizada uma vez que para
maximizar a energia gerada ao longo do ano, a inclinação do arranjo fotovoltaico deve estar
dentro de 10º no entorno da latitude do local. Para exemplificar e justificar essa afirmação, um
sistema usado, ao longo de todo o ano, em uma latitude de 35º pode ter um ângulo de inclinação
de 25 a 45º, sem uma redução significativa no seu desempenho anual.
A montagem dessa estrutura possibilitou a instalação das placas atendendo a um ângulo,
de inclinação com a horizontal, de 16,15º e também, ao posicionamento das placas voltadas
para o Norte de forma a garantir um melhor aproveitamento na captação da radiação solar.
108
3.4.3 Montagem e ligação elétrica
O próximo passo foi proceder à conexão dos módulos fotovoltaicos a um Quadro de
Distribuição de Energia, de forma a possibilitar a ligação das cargas e separação dos circuitos
utilizados para cada tipo de equipamento ligado, bem como garantir a segurança da instalação
dos equipamentos contra correntes de curto circuito e sobretensões. Esse quadro foi construído
em laboratório com os dispositivos adquiridos no comércio, como disjuntores, bornes e
barramentos de cobre, conforme pode ser visto nas Figuras 32 e 33.
Figura 32 – Detalhe de montagem do Quadro de Distribuição
Fonte: Próprio autor
Na intenção de reduzir custos com cabeamento, optou-se pela instalação desse Quadro
de Distribuição logo abaixo dos módulos fotovoltaicos e, fixado à platibanda por intermédio de
parafusos com bucha. Dessa forma o Quadro de Distribuição está parcialmente abrigado de
intempéries sem no entanto impedir também vistorias e manutenção do sistema, uma vez que o
acesso é facilitado pela platibanda.
109
Figura 33 – Detalhe de fixação do Quadro de Distribuição
Fonte: Próprio autor
As ligações dos módulos fotovoltaicos foram realizadas com condutores de cobre
flexível em cores, vermelho e preto, para diferenciação dos mesmos em sinais positivo e
negativo e de forma a facilitar as ligações no Quadro de Distribuição. Essas ligações executadas
à partir dos módulos fotovoltaicos, foram executadas em canaletas de PVC para que não
ficassem expostas à intempéries e também para que o cabeamento utilizado não atrapalhasse
em futuras manutenções e vistorias, conforme Figura 34.
Figura 34 – Detalhe da ligação dos Módulos Fotovoltaicos
Fonte: Próprio autor
A conclusão dessa montagem possibilitou que, à partir do Quadro de Distribuição,
partissem três cabos que alimentam circuitos independentes onde são ligados os equipamentos
da pesquisa, quais sejam: dois conjuntos de duas baterias estacionárias, uma bomba hidráulica,
um circuito de iluminação e, um circuito de alimentação para um motor de geladeira conforme
110
esquema de montagem dos circuitos detalhado na Figura 35, que relaciona as placas solares
montadas no módulo com os circuitos independentes citados.
Figura 35 – Esquema de Montagem dos Circuitos
Fonte: Próprio autor
Depois de identificados os circuitos elétricos, montou-se uma bancada de testes para
que fossem instalados os diversos equipamentos e dispositivos de medição, e também os
equipamentos elétricos para consumo da energia elétrica produzida à partir dos módulos
fotovoltaicos, conforme apresentado na Figura 36.
111
Figura 36 – Detalhe da montagem da Bancada de Teste e chegada dos Cabos Elétricos dos
Circuitos Independentes Fonte: Próprio autor
Para armazenamento da energia produzida foram adquiridos dois conjunto de duas
baterias estacionárias de chumbo ácido com capacidade de 150 Ah /12V, de elevada vida útil
de 8 anos. Como ilustrado na Figura. 37, as baterias estão ligadas em série, proporcionando
uma tensão de saída das mesmas de 24V (CC).
Figura 37 – Detalhe da ligação das baterias estacionárias
Fonte: Próprio autor
112
Durante a realização dos ensaios são necessários alguns equipamentos que possibilitam
a conversão do sinal elétrico de corrente contínua, produzido diretamente pelas placas
fotovoltaicas, para a corrente alternada, possibilitando que a energia produzida seja consumida
pelos diversos equipamentos ligados. O equipamento utilizado para isso é o inversor de
frequência mostrado na Figura 38.
Figura 38 – Detalhe do Inversor de frequência 1000W, Entrada 24V / Saída 127V
Fonte: Próprio autor
Outro dispositivo utilizado foi o controlador de carga, conforme detalhe da Figura 39.
Esse dispositivo é o responsável por controlar a carga de energia enviada até as baterias, têm
funcionamento automático, desliga automaticamente quando a tensão na bateria está muito
baixa do mesmo modo que é ativado automaticamente quando a tensão volta ao nível de
trabalho.
113
Figura 39 – Detalhe do controlador de carga
Fonte: Próprio autor
Para a realização das leituras e acompanhamento do comportamento do sistema utilizou-
se dois equipamentos: o osciloscópio e o multímetro, conforme mostrado nas Figuras 40 e 41.
Figura 40 – Detalhe Osciloscópio
Digital GDS 2062 - GW Instek 60MHz 2CH.
Figura 41 – Detalhe multímetro
digital ITMD 3010
Fonte: Próprio autor
As leituras, foram realizadas diariamente em intervalos de meia hora entre uma e outra,
apenas nos dias da semana, desprezando-se finais de semana e feriados. Essas leituras têm início
à partir das 8h00 horas e término às 17h30 horas.
No próximo capítulo apresentam-se os resultados encontrados das leituras realizadas no
período da montagem.
114
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
Os resultados encontrados durante a pesquisa permitiram a conclusão de alguns pontos
inquiridos como objetivos da pesquisa. Como primeira análise dos dados encontrados deu-se o
estudo dos fenômenos que acontecem a partir do comportamento do sistema montado,
monitorando-se com o auxílio do osciloscópio as características das formas de onda de tensão
e intensidade de corrente, geradas pelo módulo fotovoltaico e que chegam na entrada e saída
do inversor de frequência.
4.1 LEITURA DO OSCILOSCÓPIO
A primeira leitura realizada foi a forma de onda da tensão na saída do inversor de
frequência ao ligarmos um motor de geladeira ao sistema, conforme pode ser visto na Figura
42. Nota-se a aparência da forma de onda quadrada uma vez que seus valores variam
diretamente de um mínimo para um valor máximo, sem passar por valores intermediários.
Nesta leitura a tensão variou de -150 V a 150 V num intervalo de 17,5 ms. A
característica das ondas quadradas é de que contêm uma grande faixa de harmônicas, e estas
podem gerar radiação eletromagnética ou pulsos de corrente que podem interferir em circuitos
próximos, causando ruídos ou erros.
115
Figura 42 – Forma de Onda da Tensão na saída do inversor para motor geladeira a
ponteira vezes 10 Fonte: Próprio autor
A segunda leitura realizada pelo osciloscópio foi a forma de onda da corrente na saída
do inversor de frequência ao ligarmos um motor de geladeira ao sistema, conforme pode ser
visto na Figura 43. Para esse formato de onda percebe-se a existência de muitos ruídos no sinal,
cuja aparência varia de uma onda senoidal para uma onda levemente triangular, sendo que os
picos de corrente positivos são da ordem de 3A e picos negativos da ordem de 4A.
Figura 43 – Forma de onda da corrente na saída do inversor para o motor geladeira
Fonte: Próprio autor
A terceira leitura realizada identifica as formas de onda da Tensão e da Intensidade de
Corrente, de forma conjugada, na saída do inversor de frequência para a carga, quando se liga
o motor de geladeira ao sistema, conforme pode ser visto na Figura 44.
116
Figura 44 – Forma de onda da tensão e corrente na saída do inversor para o motor
geladeira Fonte: Próprio autor
A quarta leitura realizada apresentou a forma de onda da tensão e da corrente, de forma
conjugada, ao ligar-se um motor de corrente contínua 12V que aciona uma bomba hidráulica,
as leituras realizadas são da ordem de 18Vcc e 2,2A de média para o sistema, conforme pode
ser visto na Figura 45. A forma de onda que representa a intensidade da corrente elétrica (cor
azul) foi adquirida através de um resistor shunt série, no valor de 0,56 ohms. Percebe-se que
tanto as formas de onda da tensão quanto da corrente assumem formas distorcidas, com
amplitudes diferentes.
Figura 45 – Forma de onda da tensão e corrente para o motor CC 12V – Bomba – 18Vcc e
2,2A (média) Fonte: Próprio autor
A próxima leitura, ilustrada na Figura 46 mostra as características da forma de onda da
tensão, registrada na saída do inversor de frequência, para um sistema de iluminação formado
117
por seis lâmpadas fluorescentes compactas, com potência de 21W, cada uma, uma vez mais
configura-se uma onda quadrada, variando-se de um valor mínimo a um valor máximo sem
passar por valores intermediários.
Figura 46 – Forma de onda da tensão na saída do inversor de frequência para um sistema
de iluminação com 6 lâmpadas de 21 W. Fonte: Próprio autor
A leitura ilustrada na Figura 47 mostra as características da forma de onda da corrente
que assume formas também distorcidas, com diversos ruídos e picos de amplitude relativamente
altos, tal leitura foi registrada na saída do inversor de frequência, para um sistema de iluminação
formado por seis lâmpadas fluorescentes compactas, com potência de 21W.
Figura 47 – Forma de onda da corrente na saída do inversor de frequência para um
sistema de iluminação com 6 lâmpadas de 21 W. Fonte: Próprio autor
A leitura ilustrada na Figura 48 mostra as características das duas formas de onda, tanto
da tensão, como também da intensidade da corrente elétrica, plotados no mesmo gráfico,
118
registradas na saída do inversor de frequência, para um sistema de iluminação formado por seis
lâmpadas fluorescentes compactas, com potência de 21W para cada lâmpada.
Figura 48 – Forma de Onda da Corrente e Tensão na saída do inversor de frequência
para um sistema de iluminação com 6 lâmpadas de 21 W. Fonte: Próprio autor
4.2 AQUISIÇÃO DE DADOS RELATIVOS AO SISTEMA DE ILUM INAÇÃO
Após a análise com o osciloscópio procedeu-se a leitura dos dados através dos módulos
de aquisição de dados e também dos softwares de aquisição. O período de leitura foi
compreendido entre 29/11/2012 a 25/01/2013, de forma a calibrar os equipamentos que foram
utilizados na pesquisa. Posteriormente foram realizadas medições firmes, isto é que tiveram
leituras consideradas no desenvolvimento da pesquisa, entre os dias 29/01 a 01/02/2013, de
forma ininterrupta o que gerou os dados da Figura 49.
Da análise desses dados nota-se que a tensão na placa solar começa a se elevar a partir
das 5h45 e chegam novamente à zero por volta 18h00, na maioria dos dias de estudo. A bateria
carrega-se com valores mais acentuados à partir do dia 30.01 e por volta das 13h30 até as 16h00.
Já no dia 31.01 o esse fenômeno se observa à partir das 9h00 e permanece até as 16h00, por fim
no dia 01.02 constata-se que o carregamento inicia à partir das 11h00.
119
Como pode ser percebido da leitura da Figura 49, a corrente na bateria na maior parte
do dia é absorvida (valores negativos) pois recebe energia gerada pelas placas solares (valores
positivos). Em determinados intervalos quando a radiação solar é bloqueada pela passagem de
nuvens, a corrente na bateria torna-se positiva, isto porque, nestes momentos a bateria é quem
vai fornecer corrente para o inversor e este para a carga.
Figura 49 – Comportamento da corrente e tensão das placas solares e bateria no período de
29.01 a 01.02.2013 Fonte: Próprio autor
Seus valores mais elevados encontram-se no intervalo das 11h00 às 14h00, a não ser
que haja interrupção da radiação proporcionada pelo sol em decorrência da passagem de nuvens
nesse período.
Outra conclusão possível, das leituras realizadas é de que a tensão na bateria oscila entre
os períodos diurnos e noturnos entre 23 V e um máximo de 29 V. Conclui-se que o controlador
de carga não permite que a tensão caia, abaixo dos 23 V. A tensão nas placas solares surgem
por volta das 6h30, segundo os dados analisados, e reduzem por volta das 19h00, ou seja,
enquanto existe radiação solar incidente, existe tensão nos terminais das placas solares.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
-1,5
-1
-0,5
0
0,5
1
1,5
17
:00
19
:15
21
:30
23
:45
2:0
0
4:1
5
6:3
0
8:4
5
11
:00
13
:15
15
:30
17
:45
20
:00
22
:15
0:3
0
2:4
5
5:0
0
7:1
5
9:3
0
11
:45
14
:00
16
:15
18
:30
20
:45
23
:00
1:1
5
3:3
0
5:4
5
8:0
0
10
:15
12
:30
29.01 30.01 31.01 01.02
Te
nsã
o (
V)
Co
rre
nte
(A
)
Data e horário da leitura
Corrente da Bateria Corrente da Placa Solar Tensão na Placa Solar Tensão na Bateria
120
Da análise dos dados representados na Figura 50, confirmam-se também as diversas
oscilações ocorridas na curva que representa a intensidade de corrente da placa solar. A
Potência (W= I x V) produzida, oscilou proporcionalmente à intensidade de corrente, uma vez
que houve pouca oscilação da tensão nas placas solares. Esse fato confirma então as
informações obtidas na Figura 49 no que diz respeito a tensão tanto na placa solar quanto na
bateria, uma vez que permanecem praticamente constantes, logo conclui-se que a variação de
energia é análoga à variação da corrente.
Figura 50 – Energia gerada pelas placas solares e energia absorvida e devolvida pela
bateria no período de 29.01 a 01.02.2013 Fonte: Próprio autor
A corrente elétrica gerada pela placa solar inicia-se por volta das 7h30 e vai até as 19h00,
correspondendo aos valores positivos da Figura 50. Ainda da análise da Figura 50 e também da
Figura 54, observa-se que a energia gerada pelas placas solares e, principalmente a energia
absorvida e devolvida pela bateria, tem comportamentos diferentes nos dias 30.01 e 31.01.2013.
Isto se deve ao fato de que no dia 30.01 a carga consumiu energia no período compreendido
entre 11h15 até as 14h00, aproximadamente.
Portanto, em determinado momento, a bateria teve que devolver a energia acumulada
para o sistema. No entanto, no dia 31.01, como pode ser visto na Figura 54, não houve consumo
de energia, pois a energia produzida não foi suficiente para acionar as seis lâmpadas
fluorescentes.
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29.01 30.01 31.01 01.02
Po
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cia
(W
)
Data e horário das leituras
Ws = Is x Vs Wb = Ib x Vb
121
Dessa forma tanto no dia 31.01, como também no dia 01.02.2013 a energia gerada pelas
placas solares e a energia absorvida pela bateria são simétricas em relação ao eixo dos tempos.
Conforme também pode ser visto através do diagrama de blocos mostrado na Figura 51, que
apresenta o fluxo de fornecimento de energia.
Figura 51 – Diagrama de blocos do sistema montado
Fonte: Próprio autor
A energia gerada (EG), pelas placas solares é igual à energia absorvida (EA) pela bateria,
mais a energia consumida pela carga (EC), sendo ainda ED a energia devolvida ao sistema pela
bateria. A energia devolvida pela bateria ao sistema ocorre quando a bateria já acumulou
energia suficiente e, funciona assim como suprimento da carga, quando a geração pelas placas
solares for interrompida ou insuficiente.
A equação 1, representa o equilíbrio do sistema de energia, conforme mostrado no
diagrama da Figura 51:
�� = �� + �� (1)
Como nos dias 31.01 e 01.02.2013, não houve energia suficiente para alimentar a carga,
então ED e EC são nulas, nesse período. Logo pode-se afirmar que neste caso particular:
122
�� = �� (2)
Mas segundo Edminister (1977, p. 3) a energia elétrica gerada é dada pela equação 3:
�� = � �����
��= �(�� � ��)��
��
�� (3)
De maneira análoga a energia elétrica absorvida pela bateria também pode ser expressa
pela Eq. (4):
�� = � � �� = � �� �� = � (�� . ��)��
��
��
��
��
�� �� (4)
Assim pode-se comprovar e, de acordo com a simetria dos sinais, em relação ao eixo
horizontal dos tempos para os dias 31.01 e 01.02.2013, denotada nos gráficos apresentados na
Figura 50:
�(�� � ��)����
��= �(�� � ��)�� (5)
��
��
123
A Figura 52 ilustra o comportamento da energia gerada pelas placas solares e a energia
absorvida e devolvida pela bateria no dia 30.01.2013. A escolha por esse dia se deu em razão
de melhor apresentar a informação, optou-se então, por segregar os dados adquiridos e reduzir
as informações a apenas um dia do período estudado, dessa forma e partir dos dados
experimentais e do comportamento do Inversor de Frequência.
Nota-se que no período compreendido entre 11h00 até as 12h15m a energia da bateria
torna-se positiva e, novamente por volta das 13h00 volta a um pico, isto ocorre porque houve
uma queda na geração de energia pelas placas solares. Após as 14h00 as energias, tanto a gerada
quanto a absorvida, comportam-se de maneira simétrica o que deduz que a carga foi desligada
por intermédio do controlador de carga.
Figura 52 – Energia gerada pelas placas solares e energia absorvida e devolvida pela bateria
no dia 30.01.2013 Fonte: Próprio autor
A Figura 53 mostra o comportamento da corrente e tensão tanto na bateria, como
também, nas placas solares verificados no dia 30.01.2013. Constata-se que a placa solar começa
e gerar energia por volta das 8h45m (posição 1) e parte dessa energia é direcionada para a
bateria, carregando a mesma. Por volta das 10h45m (posição 2), percebe-se que em razão de
uma flutuação dos valores de intensidade de corrente da placa solar, a bateria é acionada e
começa a fornecer energia ao sistema suprindo assim a queda da placa solar até por volta das
12h15m (posição 3), presume-se que possa ter ocorrido uma queda na captação da radiação
solar pela placa, possivelmente em razão de tempo nublado.
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30.01
En
erg
ia(W
)
Data e hora da leitura
Ws = Is x Vs Wb = Ib x Vb
124
É possível notar também que, por volta das 13h00 do dia 30.01, a corrente na placa solar
cai acentuadamente e, a corrente na bateria assume valores positivos para compensar essa falta
de geração de energia pelas placas solares que pudesse alimentar o sistema ligado constituído
por seis lâmpadas fluorescentes de 21 W (cerca de 126 W no total).
Figura 53 – Comportamento da corrente e tensão das placas solares e bateria no dia
30.01.2013 Fonte: Próprio autor
As tensões nas placas solares permanecem em nível 0 V, no período de 00h00 até 6h15,
enquanto que desse horário se estendendo até as 19h00 as tensões nas placas solares variam em
uma faixa de 23 V e 25 V. Após o horário das 19h00 a tensão nas placas solares retorna a zero
novamente. Quanto a tensão na bateria percebe-se que a mesma permanece quase constante o
dia e a noite toda, pois a variação está numa faixa de 24 V a 25 V.
Ainda da análise da Figura 53, conclui-se que houve geração de energia elétrica no
período compreendido entre 8h45m da manhã (posição 4) e, 18h45m da noite (posição 5),
perfazendo um período total de 10h00m de fornecimento de energia elétrica, ora procedente da
placa solar e ora utilizando-se da energia acumulada na bateria. Esta constatação é possível de
ser afirmada uma vez que em dois momentos a energia cedida pela bateria superou a energia
gerada pela placa solar, num primeiro momento por volta das 11h45m (posição 6) e, num
segundo momento por volta das 13h15m (posição 7).
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30.01
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V)
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nte
(A
)
Data e hora da leitura
Corrente da Bateria Corrente da Placa Solar Tensão na Placa Solar Tensão na Bateria
21 3
4 5
7
6
125
A Figura 54 mostra as formas de onda de corrente nas lâmpadas (Ia), a tensão eficaz nas
lâmpadas (Va) e a potência ativa (Wa), registradas pelo analisador de energia. No dia 29.01 o
analisador de energia registrou o consumo até as 18h30, já no dia 30.01 registrou as lâmpadas
acendendo as 11h15 e desligando por volta das 14h00. No dia 31.01 o conjunto de iluminação
não foi acionado, uma vez que não houve geração de energia por parte das placas solares, uma
vez que o local de instalação sofreu com grande intensidade de chuvas, impossibilitando assim,
a captação da radiação solar. As lâmpadas somente voltaram a ser acionadas por volta das 14h00
do dia 01.02.2013.
Convém ressaltar que a potência ativa das seis lâmpadas fluorescentes compactas de 21
W, apresentadas na Figura 54 tem o valor muito baixo, em razão de a unidade apresentada ser
o kW.
Figura 54 – Comportamento da corrente, tensão e potência ativa nas lâmpadas fluorescentes
registrados pelo analisador de energia no período de 29.01 a 01.02.2013 Fonte: Próprio autor
Para concluirmos quanto de energia elétrica foi produzida a partir da transformação pela
placa solar, faz-se necessário estabelecer um período médio de geração, para tanto lançou-se
mão dos dados colhidos na semana de 29.01 a 01.02.2013, uma vez que foi o período mais
firme de produção de energia, em que pese algumas interrupções e também as condições
climáticas desfavoráveis terem sido momentâneas, diferente do que foi verificado nos demais
dias onde se verificou diversas interrupções decorrentes dessas condições climáticas
desfavoráveis, seguidas de interrupções nas leituras efetuadas dos dispositivos de medição.
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29.01 30.01 31.01 01.02T
en
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)
Po
tên
cia
Ati
va
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)
Co
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(A
)
Ia(A) Va(V) Wa(kw)
126
Da análise da Figura 55 observa-se que a tendência do comportamento da energia gerada
pelas placas solares é ligeiramente superior ao da energia absorvida pela bateria. Este fato se
justifica em determinado intervalo em que se pode observar que a carga consumiu parte da
energia gerada, como vistos nos gráficos anteriores da corrente e da potência.
Figura 55 – Comportamento da energia do sistema de iluminação em 30.01.2013
Fonte: Próprio autor
Essas linhas de tendências não tem a pretensão de evidenciar os valores máximos e
mínimos de energia gerada e absorvida, mas sim facilitar a compreensão do fenômeno, uma
vez que descreve o comportamento médio da energia do sistema, seja ele da bateria ou da placa
solar.
A Figura 56 mostra em maiores detalhes o comportamento da energia gerada pela placa
solar e a energia absorvida/devolvida pela bateria
y = 8E-07x4 - 0,0002x3 + 0,0103x2 - 0,153x
R² = 0,1305
y = -2E-07x4 + 7E-05x3 - 0,0053x2 + 0,1198x - 0,569
R² = 0,0635
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h)
Energia Gerada pela Placa Solar Energia absorvida/devolvida pela Bateria"
127
Figura 56 – Energia fornecida ao sistema de iluminação em 30.01.2013
Fonte: Próprio autor
4.3 AQUISIÇÃO DE DADOS RELATIVOS AO MOTOR DE GELADE IRA
A pesquisa seguiu com a aquisição e análise de dados relativos à uma nova carga ligada
ao sistema de geração pelas placas solares e alimentação pelo conjunto de baterias. Substituiu-
se o conjunto de seis luminárias, desta vez por um motor de geladeira, na tentativa de simular
seu consumo em uma unidade habitacional.
Constatou-se que a tensão na bateria permanece praticamente constante variando muito
pouco em uma faixa de aproximadamente 26 V. A corrente da placa solar oscila de um ponto
máximo de 4,26 A e um mínimo de 2,07 A, sendo que, em média, permaneceu por volta de
3,0A.
Durante o período de medição, a corrente na bateria permaneceu em torno de 0 A. Isso
nos levou a concluir que toda a energia gerada pela placa solar foi direcionada para a
alimentação da carga que, nesse caso, é o motor de geladeira, conforme pode ser evidenciado
na análise da Figura 57.
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30.01
Energia gerada pela Placa Solar Energia absorvida/devolvida pela Bateria
128
Figura 57 – Corrente e tensão na bateira e placa solar – motor de geladeira em 27.05.2013 Fonte: Próprio autor
Outra constatação da análise dos dados registrado na Figura 57, observa-se que a tensão
na placa solar é nula, ou seja, zero o tempo todo. Acredita-se que, nesse período, o datalogger
tenha atingido o ponto máximo transferência de energia (MPPT), o que explicaria o valor nulo
registrado para a tensão na placa solar. Porém, considera-se que a mesma tenha atingido a
mesma faixa de tensão alcançada para o sistema de iluminação.
Analogamente ao verificado na Figura 49, que mostra o comportamento da corrente e
tensão na placa solar e bateria para a sequência de dados registrados no período de 29.01 até o
dia 01.02 no período diurno quando a carga era constituída pelo sistema de iluminação (seis
lâmpadas fluorescentes compactas), constatou-se que a tensão atingia valores que variavam
minimamente na faixa de 24 a 25 V.
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27.05.2013
Ten
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(V)
Cor
rent
e (A
)
Corrente na Bateria (A) Corrente na Placa Solar (A)
Tensão na Placa Solar (V) Tensão na Bateria (V)
129
Figura 58 – Comportamento da potência gerada pela placa solar e da energia cedida pela
bateria para o motor de geladeira em 27.05.2013 Fonte: Próprio autor
A análise da Figura 58, leva a concluir que não houve geração de energia pela placa
solar, porém credita-se o valor nulo a uma falha do registro da tensão na placa solar não
registrada pelo datalogger, ou que o mesmo tenha atingido o ponto máximo transferência de
energia (MPPT), o que explicaria o valor nulo registrado para a tensão na placa solar. Sendo
assim admitiu-se, fundado no comportamento registrado para o sistema de iluminação e, já
mencionado no relato anterior, que houve sim geração de energia pela placa solar para o motor
de geladeira. A falta de registro dos dados da tensão, inibiu o resultado produzido pela placa
solar, uma vez que impediu que se pudesse mensurar o quanto de energia foi realmente gerada
pelo conjunto de placas solares.
Diferentemente para a bateria, a energia recebida ou cedida no período de 09h40min até
às 10h42min é praticamente desprezível, pois a placa solar era quem estava fornecendo energia
para o motor de geladeira neste período. Isto pode ser visualizado na análise da Figura 57,
quando a corrente da placa solar é bem maior do que a corrente da bateria e também, nos dados
mostrados na Figura 59 seguinte, que foram obtidos à partir dos dados do analisador de energia.
Por esses dados conclui-se que o motor de geladeira permaneceu ligado desde às 09h45min até
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27.05.2013
Pot
ênci
a (W
)
Ws = Is x Vs Wb = Ib x Vb
130
às 19h15min, alimentado que foi pela energia gerada pela placa solar e posteriormente pela
energia devolvida pelas baterias.
Figura 59 – Comportamento da corrente, tensão e energia consumida pelo motor de
geladeira em 27.05.2013 Fonte: Próprio autor
A partir dos dados obtidos pelo analisador de energia pode-se tirar algumas conclusões
dos parâmetros medidos na saída do inversor de frequência. A Figura 59 mostra o
comportamento da corrente (Ia) e tensão (Va) na saída do inversor. Mostra também, a potência
ativa (Wa) que o motor de geladeira recebe para mantê-lo ligado no período de 09h45min até
às 19h15min, do dia 27/05/2013. Portanto, nota-se que o motor de geladeira permaneceu ligado
mesmo depois que não há radiação solar sobre as placas e, portanto sem geração de energia
pelas mesmas. Conclui-se então que as baterias acumularam energia suficiente para manter o
motor de geladeira funcionando por algumas horas após ter cessado a geração de energia pelas
placas solares e também, que a geração de energia pelas placas solares foi tão intensa que
permitiu não só a alimentação da carga durante o dia, mas também, o acúmulo de energia pelas
próprias baterias.Prosseguiu-se à aquisição de dados para o motor de geladeira no dia
28.05.2013, conforme representado na Figura 60. Da análise dos mesmos conclui-se que a
tensão na bateria permanece praticamente constante, reafirmando o que já havia sido notado no
dia anterior, variando em uma faixa entre 25 V e 27 V.
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27/05/2013
Ten
são
(V)
Pot
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Cor
rent
e (A
)
Ia(A) Va(V) Wa(W)
131
A corrente nas placas solares atingem um valor médio de 2,8 A, porém apresentando
grande oscilação, sobretudo, no período compreendido entre as 11h00 até as 12h00, tal
fenômeno pode ter sido provocado pela passagem de nuvens repentinas que causaram alterações
na captação dos raios solares nesse intervalo. Também foi verificado que a corrente na bateria
permanece praticamente nula, sem grandes amplitudes, isto porque as placas solares foram
responsáveis por praticamente todo o fornecimento de energia suficiente para o motor de
geladeira funcionar, conforme verificado das leituras realizadas no período das 10h15 até as
21h45, do dia 28.05.2013. Mais uma vez a energia gerada pela placa solar foi de tamanha
amplitude que possibilitou o funcionamento do motor de geladeira e também, o acúmulo de
carga pelas baterias que por sua vez, foram responsáveis pela alimentação do motor de geladeira
quando as placas deixaram de produzir energia, conforme verificado no dia anterior.
Os valores relativos à tensão não foram registrados pelo datalogger, fato esse que inibe
a aferição da quantidade de energia gerada pela placa solar. Porém, conforme descrito
anteriormente considera-se que a tensão na placa solar tenha variado dentro de uma faixa
compreendida entre 24 V e 25 V, tais números foram estimados a partir do comportamento do
sistema quando da aquisição de dados para o sistema de iluminação.
Figura 60 – Comportamento da corrente e tensão na placa solar e bateria para o motor de
geladeira em 28.05.2013 Fonte: Próprio autor
A análise da Figura 61 analogamente a Figura 58 induz a se acreditar que não houve
geração de energia pelas placas solares, porém essa conclusão é incorreta se forem cruzados os
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28.05.2013
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(V)
Cor
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e (A
)
Corrente da Bateria (A) Corrente da Placa Solar (A)
Tensão na Placa Solar (V) Tensão na Bateria (V)
132
dados de geração de energia (corrente e tensão), com os dados de energia consumida pela carga
e registrados pelo analisador de energia, mostrados na Figura 62.
Essa comparação leva à conclusão correta de que não houve registro de dados para a
tensão na placa solar pelo datalogger e, portanto, fica prejudicado também o registro da
amplitude de energia gerada pelas placas solares, conforme também já explicado na análise dos
dados mostrados para o dia 27.05.2013.
Figura 61 – Comportamento da potência gerada pela placa solar e energia devolvida pela
bateria para o motor de geladeira em 28.05.2013 Fonte: Próprio autor
Conforme ocorrido no dia anterior e já relatado nas análises anteriores, a Figura 62
mostra agora o comportamento da corrente, tensão e potência ativa cedida à carga na saída do
inversor e vem a confirmar que embora não tenha havido leitura para a tensão nas placas solares,
estas foram responsáveis pela energia cedida à carga (motor de geladeira), no período das 9h45
às 21h45, aproximadamente.
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28.05.2013
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(W
)
Ws = Is x Vs Wb = Ib x Vb
133
Figura 62 – Comportamento da corrente, tensão e energia consumida pelo motor de
geladeira em 28.05.2013 Fonte: Próprio autor
No período compreendido entre as 18h45 do dia 28.05 e 16h05 do dia 29.05, foram
realizadas novas leituras. Com relação a geração de energia pela placa solar e quanto a energia
cedida pela bateria à carga, a Figura 63 detalha o comportamento de ambas e registra o início e
fim da contribuição de cada uma.
Figura 63 – Comportamento da potência gerada pela placa solar e energia cedida pela
bateria para o motor de geladeira de 28.05.2013 à 29.05.2013 Fonte: Próprio autor
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28/05/2013
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e (A
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Ia(A) Va(V) Wa(W)
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28.05.2013 29.05.2013
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(W
)
Ws = Is x Vs Wb = Ib x Vb
134
Da análise desses dados o que se percebe é que mais uma vez a tensão na placa solar é
nula, logo a energia fornecida por ela também será nula, o tempo todo. Quanto à bateria pode-
se afirmar que no dia 28.05 a bateria cedeu energia para a carga até por volta das 21h15min.
Após esse horário e já no dia 29.05 a bateria passou a receber energia da placa solar de forma
mais acentuada no período de 07h30min até às 12h00min. Nos demais períodos dos dias 28.05
e 29.05 a energia cedida ou recebida pela bateria foi praticamente desprezível. Após a análise
da energia gerada pela placa solar e cedida ao sistema pela bateria, a Figura 64 mostra o
comportamento da corrente, tensão e potência ativa fornecida à carga a partir dos dados do
analisador de energia. Essa análise ajuda a compreender qual o período em que o motor de
geladeira funcionou, tanto para o dia 28/05/2013 no período de 10h30min até às 21h45min,
como também, para o dia 29/05/2013 onde se constata que não houve energia suficiente para
que o motor de geladeira viesse a funcionar.
Figura 64 – Comportamento da corrente, tensão e energia consumida pelo motor de
geladeira de 28.05.2013 a 29.05.2013 Fonte: Próprio autor
Como pode ser visto pela análise dos dados da Figura 65, os dados relativos à tensão na
placa solar permanece nula, mais uma vez o datalogger não conseguiu fazer a leitura correta
dos dados para essa grandeza, isso explica o comportamento da energia gerada pela placa solar
estacionar no nível zero o tempo todo, igualmente às leituras realizadas nos dias anteriores para
o motor de geladeira, conforme mostrado na Figura 66.
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28/05/2013 29/05/2013
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(W
)
Co
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)
Ia(A) Va(V) Wa(W)
135
Ainda da análise da Figura 65, percebe-se que quanto aos dados adquiridos para a bateria
pode-se afirmar que no dia 12.06 a bateria cedeu energia para a carga até às 21h40min. No dia
13.06 a bateria recebeu energia da placa solar a partir de 07h30min. Nos demais períodos dos
dias 12.06 e 13.06 a energia absorvida/devolvida pela bateria foi praticamente desprezível.
Figura 65 – Comportamento da corrente, tensão e energia consumida pelo motor de geladeira de 12.06.2013 a 13.06.2013
Já a partir da análise da Figura 66, percebe-se que o comportamento verificado nos dias
anteriores de leitura se repetem, com diferença apenas nos horários de início e fim de
fornecimento da placa solar e bateria, além dos instantes em que a energia gerada ou cedida
atingiu seus picos de máximo e mínimo.
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e (A
)
Corrente da Bateria (A) Corrente da Placa Solar (A)
Tensão na Placa Solar (V) Tensão na Bateria (V)
136
Figura 66 – Comportamento da potência gerada pela placa solar e energia cedida pela
bateria para o motor de geladeira de 12.06.2013 a 13.06.2013
Pode-se notar também que o motor de geladeira funcionou no dia 12.06.2013, à partir
das 18h45, quando o sistema é acionado, tendo sido alimentado pela bateria até cerca das 22h00.
A leitura dos dados mostrados na Figura 67 identifica um período em que o sistema ficou
desligado em razão da descarga das baterias e também por não haver geração de energia pelas
placas solares.
Figura 67 – Comportamento da corrente, tensão e energia consumida pelo motor de
geladeira de 12.06.2013 a 13.06.2013
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Ws - Potência Gerada pela Placa Solar Wb - Potência fornecida pela Bateria
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12/06/2013 13/06/2013
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ativ
a (W
)
Cor
rent
e (A
)
Ia(A) Va(V) Wa(W)
137
Para a compreensão de como funcionou o sistema nesse período de aquisição de dados,
faz-se necessário realizar uma análise comparativa dos dados mostrados nas Figuras 66 e 67,
Percebe-se que houve geração de energia pelas placas solares, porém acredita-se que toda
energia gerada foi direcionada para recarga das baterias, não sendo suficiente para acionar o
motor de geladeira. Entretanto, também nota-se que no dia 13.06.2013 por volta das 7h15 as
baterias começam novamente a ser recarregadas à partir da geração de energia pelas placas
solares.
4.4 ANÁLISE DA ENERGIA CONSUMIDA EM UM CICLO DE RED E
A seguir será feita uma análise da energia consumida, tendo como carga primeiramente
o sistema de iluminação composto por 6 (seis) lâmpadas fluorescentes, e num segundo
momento um motor de geladeira.
4.4.1 Energia consumida no sistema de iluminação
A carga de iluminação corresponde a seis lâmpadas fluorescentes de 21 W cada, tensão
de 127 V, numa frequência de 60 Hz. Carga esta que representa seis ambientes diferentes de
uma residência de moradores de classe popular. Para um ciclo de frequência de 60 Hz foram
obtidas as formas de onda de tensão e corrente na saída do inversor, como mostrado na Figura
68.
138
Figura 68 – Formas de onda de tensão e corrente para um ciclo, para carga de
iluminação
A energia consumida para um ciclo é dado pelo produto da tensão pela corrente ao longo
de um ciclo. A Figura 69 mostra a forma de onda obtida do resultado deste produto, com a
utilização do software Excel.
Figura 69 –Energia consumida pela iluminação durante um período da frequência de 60
Hz.
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100
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0
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166
Ten
são
(V)
Cor
rent
e (A
)Forma de onda da corrente e da tensão para o sistem a de iluminação à partir dos dados coletados pelo osciloscópio na saí da do inversor no
intervalo de um ciclo de onda para a carga de ilumi nação
Forma da onda da corrente Forma de onda da tensão
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1 6
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16
21
26
31
36
41
46
51
56
61
66
71
76
81
86
91
96
10
1
10
6
11
1
11
6
12
1
12
6
13
1
13
6
14
1
14
6
15
1
15
6
16
1
16
6
Ene
rgia
(W
s)
Energia consumida pelo sistema de iluminação
Energia consumida
139
A energia consumida (Ei1) durante um determinado período de tempo pode ser
representado pela Eq. (6) (EDMINISTER, 1977).
�� = � �(�) . �(�) �� (6)�
�"
Onde:
v(t) – valor instantâneo da tensão;
i(t) – valor instantâneo da corrente;
Na Figura 69 observa-se que o período da energia consumida é a metade do período da
rede, então fazendo a integração numérica da Eq. (7) dos valores obtidos no software Excel,
durante o intervalo de 0 até 8,33 ms obtém-se:
�� = � �(�) . �(�) �� (7) � $%,'' (�
�"$"
�� = (2,14 )) ∙ (8,33 ,-) (8)
�� = 0,0178 )- (9)
Como o período da rede é 16,66 ms então para se conseguir a energia total consumida
deve-se duplicar o resultado da Equação (10), logo:
140
��0 = 0,0356 )- (10) Ou
��0 = 128,20 )ℎ (11)
A energia total consumida pelo sistema de iluminação é de 0,0356 Ws (Eq. 10), ou
ainda, se utilizarmos a unidade padrão de consumo de energia utilizada pela concessionária
(kWh), teríamos então o valor de 128,20 Wh (Eq. 11) para o sistema de iluminação, isto é a
energia média gerada pelo módulo fotovoltaico que será utilizada na análise econômica.
Portanto esta é a energia consumida pela carga de iluminação para seis lâmpadas fluorescentes
de 21 W.
4.4.2 Energia consumida no motor de geladeira
O motor de geladeira tem uma potência de 1/5 CV, tensão de 127 V e uma frequência
de 60 Hz.
Para esta carga as formas de onda de tensão e corrente na saída do inversor estão
mostradas na Figura 70.
141
Figura 70 – Formas de onda de tensão e corrente para um ciclo, tendo como carga um
motor de geladeira
O produto da tensão pela corrente, valores instantâneos, proporciona os valores
representados no gráfico da Figura 71, valores estes obtidos com o software Excel.
Figura 71 - Energia consumida durante um período da frequência de 60 Hz, tendo como
carga um motor de geladeira.
Observa-se que para o motor de geladeira existe uma inflexão no semiciclo negativo nos
intervalos 76 a 86 e 156 a 168, isto porque sendo o motor existe um atraso da corrente em
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
-0,0015
-0,001
-0,0005
0
0,0005
0,001
0,0015
1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81 86 91 96 101
106
111
116
121
126
131
136
141
146
151
156
161
166
Ten
são
(V)
Cor
rent
e (A
)Forma de onda da corrente e tensão para o motor de geladeira a
partir dos dados do osciloscópio na saída do invers or
Corrente na saída do inversor Tensão na saída do inversor
-0,15
-0,1
-0,05
0
0,05
0,1
0,15
0,2
1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69 73 77 81 85 89 93 97 101
105
109
113
117
121
125
129
133
137
141
145
149
153
157
161
165
Ene
rgia
(W
s)
Energia consumida pelo motor de geladeira
Energia consumida
142
relação à forma de onda de tensão, proporcionando um produto com resultados negativos. Fato
este que não acontece quando a carga é de iluminação.
Fazendo a integração numérica ponto a ponto da Figura 71, obtém-se a energia
consumida pelo motor da geladeira (Eg1), como demonstra a Equação (12), para metade do ciclo
admitindo-se a frequência de 60 Hz.
�2 = � �(�) . �(�) �� (12) � $%,'' (�
�"$"
�2 = (2,576 )) ∙ (8,33 ,-) (13)
�2 = 0,0215 )- (14)
Da análise dos números encontrados na sequência das equações 12, 13 e 14 resulta a
energia consumida para metade de um ciclo da rede para uma frequência de 60 Hz, conforme
mostrado na Equação (14).
Para que possamos chegar ao valor da energia total consumida no ciclo completo esse
valor deve ser duplicado e, portanto, para o ciclo completo o total de energia consumida (Eg2)
para o motor de geladeira será:
�20 = 0,043 )- (15) Ou
�20 = 154,568 )ℎ (16)
143
A energia total consumida pelo motor de geladeira é 0,043 Ws (Eq. 15), ou ainda, se
utilizarmos a unidade padrão de consumo de energia utilizada pela concessionária (kWh),
teríamos então o valor de 154,568 Wh (Eq. 16) que é a energia total gerada no período de uma
hora para o motor de geladeira, isto é, a energia média gerada pelo módulo fotovoltaico que
será utilizada na análise econômica.
4.5 ANÁLISE ECONÔMICA
Uma das propostas desse trabalho é exatamente avaliar qual o impacto econômico da
utilização da energia elétrica gerada através do Módulo Fotovoltaico montado. Para isso
comparou-se o total de energia produzida que alimentou os sistemas montados para iluminação
e também para o motor de geladeira. Além disso, algumas considerações foram realizadas à
partir dos resultados encontrados na pesquisa, são eles:
1. O sistema montado contou com 14 placas solares de 85 Wp, considerou-se a
vida útil de 20 anos;
2. Foi utilizado um conjunto formado por duas baterias de 150 Ah, com vida útil
estimada em 3 anos;
3. Utilizou-se também 1 inversor de frequência de 1000 W, com vida útil estimada
em 10 anos;
4. Além de 1 controlador de carga, com vida útil estimada em 10 anos
5. O consumo do controlador de carga e também do inversor de frequência foram
considerados desprezíveis;
Para determinação do custo econômico utilizou-se o método proposto por Santos (2011,
p. 52) traduzido pela Eq. (17), onde os custos de produção de energia elétrica à partir da
transformação fotovoltaica, são basicamente aqueles relativos ao investimento inicial para
montagem do sistema.
144
34567 = 3�89 + 364 − 3;9< . ��
(17)
Onde:
34567 - Custo produtivo;
3�89 - Custo do investimento inicial, ou custo de aquisição;
364 - Custos de operação;
3;9 - Custos evitados;
n - Número de anos de vida útil;
�� - Energia produzida anualmente em kWh;
A expressão proposta por Santos (2011) é uma equação geral que descreve o custo de
produção de energia elétrica tanto para um sistema solar fotovoltaico autônomo, como também
para um sistema solar fotovoltaico interligado à rede. No âmbito dessa pesquisa e, pelo fato da
mesma ter sido realizada em laboratório, algumas considerações devem ser realizadas, por
exemplo: não há que se falar em custos operacionais, uma vez que a instalação foi realizada em
ambiente de pesquisa e a manutenção, quando realizada, ficou à cargo dos próprios
pesquisadores.
Quanto a parcela dos custos evitados, não cabe sua avaliação, pois o próprio autor sugere
que os mesmos sejam apurados apenas em casos de sistemas fotovoltaicos interligados à rede
elétrica uma vez que no caso de sistemas autônomos não existem custos a serem evitados no
que tange a sua instalação, todos os custos computados devem ser previstos no cálculo
econômico, portanto não há custos evitados, sendo assim, a Eq. (17) se resume apenas a:
34567 = 3�89< . ��
(18)
145
Dessa forma, apresenta-se na Tabela 11, os custos de aquisição do sistema fotovoltaico
montado, composto pelo custo de cada dispositivo utilizado no período de vida útil, já levando-
se em consideração as possíveis substituições no período de vida útil das placas solares que por
ser o equipamento de maior custo balizou os demais.
Tabela 11 – Custos de aquisição de cada equipamento. Descrição Quantidade Valor Unitário Valor Total
Módulos de células fotovoltaicas, silício cristalino, modelo SW85, 85Wp, 12V, marca Solarworld (vida útil de 20 anos)
14 990,00 13.860,00
Inversor de frequência, 600W, 24Vcc/120Vca, onda senoidal pura, modelo 600SP, marca Unitron (vida útil de 10 anos).
2 1.250,00 2.500,00
Controlador de cargas, 12/24V, CML20A, marca Phocos (vida útil de 10 anos).
2 340,00 680,00
Bateria estacionárias, 150 Ah, 12V, modelo EN12V150Ah (165Ah-100h), marca Ajax (vida útil de 3 anos).
14 620,88 8.692,32
Custo Total 25.732,32
Não serão computados aqui os custos referentes ao material de consumo como soldas,
fitas isolantes, cabos elétricos, nem mesmo os equipamentos e dispositivos utilizados para
leituras e coleta de dados, como analisador de energia, multímetro, computadores e módulos de
aquisição construídos, demais dispositivos como resistores e circuitos integrados.
Da análise combinada dos dados mostrados nas Figuras 50 e, considerando os valores
encontrados no analisador de energia mostrados na Figura 54, sobretudo no dia 29.01.2013,
percebe-se que houve geração de energia elétrica pelo módulo fotovoltaico e fornecimento ao
sistema de iluminação e ao conjunto de baterias estacionárias. Porém, constata-se que quase a
totalidade da energia gerada pela placa solar foi destinada para alimentar a bateria e, apenas o
excedente dessa energia, quando ocorria, é que era direcionada ao sistema de iluminação pelo
controlador de carga.
Dessa forma a conclusão que se chega é que o sistema de iluminação foi alimentado
pelas placas solares, no dia 29.01.13 no período das 15h00 (início das leituras) até as 18h30, no
dia 30.01.13 no período das 11h15 às 14h15; no dia 31.01.13 a energia gerada não foi suficiente
para alimentar o sistema de iluminação e já no dia 01.02.13 o sistema de iluminação foi
146
acionado apenas depois das 13h00, mas a leitura foi prejudicada e o sistema foi desligado às
14h15.
Observa-se também, da análise das Figuras 49 e 53 que houve geração de energia
elétrica no período das 9h45 às 19h15 pelas placas solares, totalizando portanto cerca de 9h30
(nove horas e 30 minutos) de geração firme, embora a maior parte da energia gerada tivesse
sido desviada para o conjunto de baterias, esse valor é que servirá de estimativa de fornecimento
de energia para o sistema. Nesse caso, baseia-se também num período de 30 dias no mês e 360
dias no ano, para cálculo da Energia acumulada pelo sistema.
Da Eq. 16 e dos valores apresentados na Tabela 11, tem-se que:
Tabela 12 – Apuração do custo produtivo de energia elétrica pelo sistema fotovoltaico. Descrição Valor
Custo investimento/aquisição em R$ (Cinv) 25.732,32
Vida útil do sistema em anos (N) 20
Energia acumulada pelo sistema em kWh (EA iluminação) * *438,44
Energia acumulada pelo sistema em kWh (EA motor geladeira) * *528,62
Custo produtivo de energia elétrica pelo SFV calculado para iluminação
2,935 R$/kWh
Custo produtivo de energia elétrica pelo SFV calculado para motor de geladeira
2,434 R$/kWh
*Energia que será produzida anualmente pelo SFV. Para a pesquisa o valor é correspondente à quantidade de energia gerada (Eq. 11 e Eq.16) multiplicado por 9,5 horas de funcionamento, que foi a condição mais favorável alcançada pelo sistema no dia 30.01.2013, conforme dados na Figura 49, multiplicado por 360 dias por ano.
Não serão incluídas no cálculo as incidências de juros ou ainda taxas de retorno do
capital investido, atendo-se apenas ao custo da energia produzido. O cálculo econômico para
sistemas solares fotovoltaicos é efetuado para se saber os níveis de compensação de cobertura
de custos, para os diferentes sistemas de produção e fornecimento de energia elétrica à rede
pública de distribuição.
Os cálculos econômicos, que excluem os juros e o retorno do capital investido, são muito
simples, sendo que são considerados os custos de investimento inicial, os custos de operação,
os custos evitados (para o caso de sistemas fotovoltaicos integrados em edifícios).
Considerou-se para o cálculo de viabilidade econômica o número de anos de vida útil
do sistema, que estipularemos de 20 anos, conforme o fabricante das placas solares e a energia
147
que será produzida anualmente pelo sistema fotovoltaico, todos os demais dispositivos também
serão considerados para atendimento desse prazo de vida útil.
Em função das leituras realizadas durante o período da pesquisa, conclui-se que a produção de
energia pelo conjunto de placas solares que formam o módulo fotovoltaico, alcançaram a ordem
de custo mostrada na tabela 12.
Para proceder a análise econômica da utilização do sistema solar fotovoltaico é necessário
estabelecer qual a relação de custo existente entre a aquisição do sistema e sua efetiva utilização
pelo usuário.
Em seguida estabelecer qual a relação existente entre o custo de produção de energia através
desse sistema e compará-lo aos custos identificados na utilização da energia elétrica da
concessionária.
Tabela 13 – Custos da energia consumida da concessionária.
Descrição Energia (Wh)
Dias de utilização
Tempo médio de
uso por dia (horas)
Consumo mensal (kWh)
Consumo Anual (kWh)
Custo anual cobrado pela
concessionária **
Sistema de iluminação – 6 lâmpadas 21 W (potência
126W) 126* 30 6 22,68 272,16 R$ 93,30
Motor de geladeira (potência média de 200 W)
150 30 10** 45 540 R$ 185,12
TOTAL R$ 278,42
* considerou-se todas as lâmpadas ligadas por 6 horas diárias (17h00 às 23h00)
** considerou-se um tempo médio de 10 horas de funcionamento do compressor.
** considerou-se a tarifa para a classe de consumo residencial B1 – valor de R$ 0,34282 o kWh (Set/2013)
Como se vê pela Tabela 14, o custo da energia gerada pelo sistema solar fotovoltaico
está na ordem de 2,935 R$/kWh e 2,434 R$/kWh para o sistema de iluminação e motor de
geladeira respectivamente, enquanto que o valor cobrado pela concessionária é da ordem de
0,34282 R$/kWh.
148
Tabela 14 – Custos da energia produzida pelo sistema solar fotovoltaico pesquisado.
Descrição
Energia gerada pelo
sistema (kWh)
Vida útil do
sistema de geração (anos)
Tempo médio de
geração por dia (horas)
Energia Gerada no
Ano (kWh)
Custo da energia gerada
no ano (R$/kWh)
Sistema de iluminação – 6 lâmpadas 21 W (potência
126W) considerando todas as lâmpadas ligadas por 6 horas
diárias (17h00 às 23h00)
0,12820 20 9,5 438,44 2,935
Motor de geladeira (potência média de 200 W)
0,154568 20 9,5 528,62 2,434
Comprova-se então que para o sistema montado a geração de energia elétrica à partir de
módulos fotovoltaicos ainda não é viável economicamente.
149
5 CONSIDERAÇÕES FINAIS E CONCLUSÃO
Após análise dos dados trazidos pela pesquisa pode-se afirmar com certeza que a mesma
atendeu plenamente ao objeto proposto inicialmente.
Em primeiro lugar constata-se que o sol pode sim fazer o papel de uma fonte de energia
suplementar à energia hidrelétrica que é a maior fonte energética utilizada no país atualmente.
Porém, por se tratar de uma fonte energética baseada na radiação que, por sua vez, varia
conforme a posição do sol, os níveis de radiação tendem a oscilar, faz-se necessário então,
estabelecer um critério mínimo que propicie a esse tipo de fonte energética contribuir na matriz
energética brasileira, ainda que de forma suplementar.
A região de Cuiabá/MT estudada, está inclusa em uma zona de grande potencial de
radiação solar. Todavia, como a maioria das regiões do País também está propensa a sofrer
temporadas com grande incidência de intempéries e nuvens, fatores que podem dificultar a
captação desses raios solares e, por sua vez na geração de energia elétrica à partir dos módulos
fotovoltaicos.
No que tange à radiação solar, responsável pela geração de energia elétrica, esta será
tanto maior quanto maior a perpendicularidade dos raios solares incidentes à superfície das
placas solares, o que para a região de estudo da pesquisa deve-se atentar para instalação dessas
placas em um plano que faz com a horizontal um ângulo de aproximadamente 16º, sem prejuízo
significativo do desempenho anual. Porém os ganhos serão superiores se a estrutura de
sustentação das placas solares for dotada de algum dispositivo que consiga acompanhar
diariamente o movimento do sol, tornando a incidência dos raios solares totalmente
perpendicular a essa superfície das placas.
O efeito fotovoltaico constitui-se na transformação de forma direta, da luz solar,
proveniente da radiação solar, em energia elétrica. Essa transformação é realizada por um
150
conjunto de células fotovoltaicas e que, por sua vez, constituem os módulos fotovoltaicos.
Conforme descrito na pesquisa, atualmente são diversos os tipos de células fotovoltaicas, cada
uma com sua eficiência e sua forma de produção, sendo a de maior uso na atualidade, àquelas
produzidas à partir de células de silício cristalino. Estas células ordenadas em cadeia e depois
do processo de encapsulamento aqui descrito é que vão constituir os módulos fotovoltaicos.
As baterias estacionárias, utilizadas como acumuladores, são os dispositivos que
permitem armazenar a energia fotovoltaica, sobretudo nos sistemas autônomos como o da
pesquisa, são essenciais para o sistema e por isso chegam a constituir um ponto crítico da
instalação, isto porque, sua utilização deve prever planos de manutenção rotineiros e prever
com exatidão sua vida útil e os custos associados à sua utilização.
Outro dispositivo importante e imprescindível nesse processo de transformação da luz
solar em energia elétrica são os inversores de frequência responsáveis pela transformação da
corrente contínua em corrente alternada (DC/AC). Esse dispositivo é responsável em
estabelecer a ligação entre o gerador fotovoltaico e a carga, e têm como objetivo a conversão,
da energia gerada em corrente contínua para, energia a ser consumida em corrente alternada.
No que diz respeito ao controle automático da carga, outro dispositivo importante são
os controladores de carga que controlam a carga da bateria pela análise da tensão da mesma e
interrompem o fornecimento de energia às cargas externas quando é atingida a profundidade de
descarga máxima da bateria, sendo responsável também pelo processo inverso quando a bateria
é restabelecida.
Em resumo, dispositivos como os módulos fotovoltaicos, as baterias estacionárias, os
inversores de frequência (DC/AC) e os controladores de carga são elementos constituintes de
sistemas solares fotovoltaicos, autônomos e, dessa forma, diretamente responsáveis pela
geração de energia elétrica à partir da transformação dos raios solares.
Como primeiro objetivo desta pesquisa procurou-se analisar qual o potencial de
produção de energia elétrica obtido através da conversão da radiação solar em energia elétrica
por um sistema fotovoltaico montado nas dependências da UFMT. Para tanto pesquisou-se em
laboratório dois sistemas de carga alimentados pela geração fotovoltaica, sendo um sistema de
iluminação (composto por 6 lâmpadas fluorescentes de 21 W, totalizando 126 W) e um motor
de geladeira (potência estimada de 150 W)
151
Considerando os valores atingidos para ambos os sistemas constatou-se que embora o
conjunto de placas solares que compõem o módulo solar fotovoltaico consiga gerar energia
elétrica por até 9,5 horas (nove horas e meia) ininterruptas, sua amplitude na maioria das vezes
não é suficiente para alimentar os sistemas, seja no caso do sistema de iluminação, seja no caso
do motor de geladeira. Constatou-se então, que grande parte dessa energia gerada foi utilizada
para realimentar as baterias estacionárias e apenas quando essas estavam com plena carga que
o controlador direcionava a energia gerada para os sistemas de carga.
Constatou-se também, dos valores encontrados para geração de energia elétrica através
do módulo fotovoltaico, que nessa configuração montada os valores foram muito pequenos,
frente a demanda por energia, variando da ordem de 0,1282 kWh (1,218 kWh no dia) a 0,155
kWh (1,473kWh no dia), uma vez que na melhor condição o sistema consegue gerar energia
por apenas 9,5 horas, tanto para o sistema de iluminação quanto para o motor de geladeira,
respectivamente, portanto, bem aquém da necessidade de uma casa popular com família de 4 a
5 pessoas, que chega a consumir diariamente cerca de 6,631 kWh por dia (ANEEL, 2012).
Concluiu-se também que o sistema ainda não é viável economicamente para ser
utilizado como fonte primária de energia elétrica, confirmando o que a maioria das pesquisas
realizadas sobre o assunto já afirmavam. Podendo sim ser utilizado em substituição ao sistema
convencional, quando este demandar custos de implantação e manutenção maiores que os
verificados na pesquisa. Dessa forma, os valores encontrados para geração de energia elétrica
através do módulo fotovoltaico montado são da ordem de 2,935 R$/kWh para o sistema de
iluminação e 2,434 R$/kWh para o motor de geladeira, enquanto que a energia vendida pela
concessionária está na ordem de 0,34282 R$/kWh, portanto economicamente inviável a geração
elétrica através de Sistema Solar Fotovoltaico Autônomo.
Após análise dos dados levantados, comprova-se o que já se esperava, o período de
maior intensidade de radiação solar diária se inicia por volta das 9h00 e se estende até por volta
das 18h30. Como as leituras foram realizadas no período de Outubro/2012 a Maio/2013, não
completando assim um ciclo de leituras para o período de um ano, o que acredita-se que seria
o ideal, fica prejudicado a afirmação de como seriam em outros meses do ano os níveis de
produção de energia gerados. Nesse período foram atingidos picos de corrente, tensão e energia
gerada tanto no sistema de iluminação, como também, no motor de geladeira por voltas das
152
14h30, momento em que os raios solares atingiam diretamente as placas solares quase que de
forma perpendicular, conforme já afirmado anteriormente.
Como já dito anteriormente e também baseado em vasta bibliografia sobre o assunto, o
sistema solar fotovoltaico autônomo não se aplica em regiões onde a infraestrutura de
implantação de redes de energia elétrica pela concessionária sejam mais viáveis
economicamente. Seu uso atualmente é restrito a regiões esparsas, distantes dos grandes
centros, onde a chegada dessa infraestrutura é cara e inviável, sendo assim o sistema solar
fotovoltaico autônomo acaba por viabilizar o fornecimento de energia elétrica, pois não
demanda grandes custos com implantação e manutenção dessa extensão de rede.
Dessa forma a maior alternativa para os sistemas solares fotovoltaicos é a sua integração
à rede elétrica já existente da concessionária, porém ainda assim conclui-se por ser necessário
que os equipamentos utilizados nesse tipo de fonte energética, sobretudo os módulos solares
produzidos à partir das células de silício, tenham seus preços reduzidos. Além disso a
regulamentação do setor também vem ao encontro da possibilidade de maior utilização dessa
fonte energética de reduzido impacto ambiental.
5.1 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
Como proposta para novos trabalhos sugere-se a continuidade dessa pesquisa, com
horizonte de estudo para um ano completo, onde poderá estabelecer os níveis de energia para
cada estação do ano e avaliar seus custos com base nas tarifas da concessionária, principalmente
na região de Cuiabá, onde a incidência de raios solares é muito grande.
Sugere-se também que se pesquise a integração do sistema de geração de energia solar
fotovoltaica à rede de energia elétrica da concessionária visando buscar aprender quais os
valores de energia elétrica são gerados e injetados nessa rede elétrica e como o usuário do
sistema pode se beneficiar dessa energia produzida, seja pelo modelo da compensação ou ainda
e, talvez a produção em consórcio, onde se reuniriam vários usuários de um determinado bairro
ou condomínio gerindo um mesmo sistema e injetando essa energia gerada por todos à
concessionária.
153
Uma outra vertente para trabalhos futuros poderia ser a utilização de softwares para
obtenção de dados de irradiação solar, temperatura e umidade relativa do ar que permitissem
cruzar essas informações e estabelecer cenários do comportamento da geração de energia solar
frente às condições climáticas da região.
Como última proposta para estudos futuros e complemento a essa pesquisa, sugere-se a
avaliação do fator de capacidade mensal do sistema e produtividade do mesmo através de dados
teóricos e práticos identificados.
Enfim a expectativa dessa pesquisa não foi nunca esgotar o tema, mas sim trazer à
discussão um tema de fundo do Programa de Pós graduação em Engenharia de Edificações e
Ambiental que é a Sustentabilidade. Optou-se pela energia solar fotovoltaica por ser um tema
em expansão na maioria dos países da Europa e Ásia e que, devidamente regulamentado o setor,
pode se tornar uma das grandes fontes energéticas do Brasil, colaborando sobremaneira para a
substituição, na Matriz Energética, de fontes não renováveis.
154
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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AGÊNCIA CT. Pesquisa reduz custo de equipamentos de geração de energia solar. Ministério de Ciência e Tecnologia (MCT), 2008. Disponível em: <http://inovabrasil.blogspot.com.br/2008/03/pesquisa-brasileira-reduz-custo-de.html> Acesso em: 22 jul. 2012.
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ZILLES, Roberto e RÜTHER, Ricardo. Telhados solares e a indústria fotovoltaica. Valor Econômico. São Paulo, Abr. 2010. Disponível em: <http://www.provedor.nuca.ie.ufrj.br/eletrobras/estudos/zilles1.pdf> Acesso em: 04 jun. 2011.
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