ESTUDO DA VIABILIDADE TÉCNICA DA UTILIZAÇÃO DA ENERGIA SOLAR TÉRMICA E FOTOVOLTAICA EM RESIDÊNCIAS

Centro Universitario de Araraquara - UNIARADepartamento de Ciencias da Administracao

e Tecnologia

Engenharia Eletrica

ESTUDO DA VIABILIDADE T ECNICA DAUTILIZAC AO DA ENERGIA SOLAR T ERMICA

E FOTOVOLTAICA EM RESID ENCIAS.

CARLOS EDUARDO RIBEIRO

ARARAQUARA

2011

CARLOS EDUARDO RIBEIRO

ESTUDO DA VIABILIDADE T ECNICA DAUTILIZAC AO DA ENERGIA SOLAR T ERMICA

E FOTOVOLTAICA EM RESID ENCIAS.

Trabalho de Conclusao de Curso (TCC) apresentado aoDepartamento de Ciencias da Administracao e Tecnolo-gia, do Centro Universitario de Araraquara - UNIARA,como parte dos requisitos para obtencao do tıtulo de En-genheiro Eletricista.

Orientador: Prof. Msc. Fernando A. de Andrade Sobrinho

Co-orientador:Stela Letıcia Bisinotto

ARARAQUARA

2011

ii

Trabalho de Conclusao de Curso sob o tıtulo”ESTUDO DA VIABILIDADE TECNICA

DA UTILIZACAO DA ENERGIA SOLAR TERMICA E FOTOVOLTAICA EM RESIDENCIAS.”,

defendida por Carlos Eduardo Ribeiro e aprovada em 11 de Novembro de 2011, em Araraquara,

Estado de Sao Paulo, pela banca examinadora constituıda pelos professores:

Prof. Msc. Fernando Araujo de Andrade SobrinhoOrientador

Stela Letıcia BisinottoCo-orientador

Prof. Adilson MassaCentro Universitario de Araraquara - Uniara

Nota

iii

A minha famılia, que nos momentos de minha ausencia

dedicados ao estudo superior, sempre me apoiaram e

entenderam que o futuro,e feito a partir da constante

dedicacao no presente e aos meus amigos, minha segunda

famılia que os lacos de amizade construıdos neste anos se

tornem cada vez mais fortes!!!

iv

AGRADECIMENTOS

Aquele que me permitiu tudo isso, ao longo de toda a minha vida, e nao somente nestes

anos como universitario, a voce meu DEUS, obrigado!Es o maior mestre que uma pessoa pode

ter e conhecer.

Ao meu pai Carlos, que mesmo nao mais estando ao meu lado ensinou a enfrentar as lutas

e os desafios desta vida, ensinou me a ter carater e continuarsempre em frente, e a minha

mae Dolores que com sua simplicidade mostrou a todos que o amor e a dedicacao podem fazer

coisas maiores que o dinheiro, sempre se dedicou aos seus filhos e me serviu de exemplo, de

luta, perseveranca e conquistas. Aos meus irmaos Ana Carla e Rafael Henrique agradeco todo

o amor, carinho, compreensao e respeito.

Agradeco a todos os professores, mestres nesta longa jornada transmitiram conhecimento e

experiencias. Em especial ao Prof. Fernando A. de Andrade Sobrinho orientador deste trabalho,

a Professora Stela L. Bisinotto pela co-orientacao, ao Prof. Anderson Betiol pelo grande auxilio

no uso daLATEXe ao nosso coordenador Cristiano Minotti pelas lutas para a melhoria do nosso

curso.

Aos amigos daBlue Solque me abriram as portas da energia solar e o horizonte das energias

renovaveis. Tenho muito mais a agradecer e a muitas outras pessoas nao cito nomes para nao

ser injusto com todos que me auxiliaram ate aqui.

Muito obrigado a todos!

Carlos Eduardo Ribeiro

v

RESUMO

Os avancos tecnologicos, o crescimento da economia e a constante preocupacao com o meioambiente, remete a uma preocupacao com a disponibilidadede energia e os impactos ambien-tais que as fontes tradicionais causarao para suprir esta necessidade crescente, como adequar anecessidade com a oferta de energia. O uso de fontes alternativas de energias como a energiasolar podem suprir esta necessidade, neste trabalho sera mostrado duas formas de utilizacaode fonte energetica, a energia solar termica utilizando ocalor fornecido pelo sol para aqueci-mento de agua para uso residencial, ou um fluido de trabalho para uso industrial. E a energiasolar fotovoltaica que transforma a luz fornecida pelo sol em energia eletrica para os mais va-riados fins.Estas duas formas de aproveitamento do sol como fonte primaria de energia, alemde garantir o acesso a energia em localidade remotas, quandoutilizadas em localidades queja sao atendidas pelas concessionarias do setor eletrico podem suprir grande parte ou total-mente a demanda por eletricidade de uma residencia, trazendo uma reducao consideravel naconta e energia das residencias que dispuserem destes equipamentos. Alem do impacto diretona conta de energia da residencia, o uso deste sistemas tambem proporciona uma diminuicaoda carga sobre o sistema eletrico nacional, diminuindo o investimento na ampliacao das redesde distribuicao e na construcao de novas usinas hidrelétricas ou termoeletricas, diminuindo aemissao de carbono e contribuindo para a preservacao do meio ambiente.

Palavras-chave:Energia eletrica, energia alternativa, energia fotovoltaica, reducao do con-sumo, eficiencia energetica.

vi

ABSTRACT

Advances in technology, economic growth and constant concern about the environment, refersto a concern about the availability of energy and environmental impacts that cause traditionalsources to meet this growing need, such as the need to adjust the supply of energy. The useof alternative energy sources like solar energy can meet this need. So, his work will show twoways to use energy source, solar thermal energy using the heat supplied by the sun to heat waterfor residential use, or a fluid work for industrial use. And the photovoltaic solar energy thatturns the light provided by the sun into electrical energy for various purposes. These two waysof harnessing the sun as a primary source of energy, and ensure access to energy in remotelocations when used in locations that are already served by utilities in the electricity sector canmeet most or all of the electricity demand of a residence , bringing a considerable reductionin residential energy bill and their possession of such equipment. Besides the direct impacton the energy bill of the residence, the use of this system also provides a reduced load on thenational electrical system, reducing the investment in theexpansion of distribution networks andbuilding new power plants or power plants, reducing the emission of carbon and contributing tothe environment preservation.

Key-words: Electricity, alternative energy, photovoltaics, reducing consumption, energyefficiency.

vii

SUMARIO

Lista de Figuras x

Lista de Tabelas xii

Lista de Abreviaturas e Siglas xiii

1 INTRODUCAO 15

1.1 Contextualizacao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 15

1.2 Justificativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16

1.3 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.4 Problemas e Hipotese de Pesquisa . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 17

1.5 Metodologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2 FONTES DE ENERGIA 19

3 CONCEITO ENERGIA SOLAR 21

3.0.1 Disponibilidade da Energia Solar . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 23

3.0.2 Metodos de Captacao da Energia Solar . . . . . . . . . . . .. . . . . . 24

3.1 ENERGIA SOLAR TERMICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3.1.1 Sistema de Aquecimento Solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 25

3.1.2 Classificacao de um sistema de aquecimento solar . . .. . . . . . . . . 26

3.1.3 Coletores Solares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.1.4 Reservatorio Termicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 30

3.2 ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

viii

3.2.1 Efeito fotovoltaico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32

3.2.2 Tipos de celulas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3.2.2.1 Silıcio monocristalino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

3.2.2.2 Silıcio policristalino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35

3.2.2.3 Silıcio amorfo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3.2.3 Modulos fotovoltaicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 37

3.2.4 Caracterısticas eletricas dos modulos fotovoltaicos . . . . . . . . . . . 38

3.2.5 Baterias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

3.2.5.1 Caracterısticas das baterias . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 40

3.2.5.2 Tipos de Baterias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.2.6 Controladores de carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41

3.2.6.1 Detalhamento das caracterısticas e funcoes . . .. . . . . . . 42

3.2.7 Inversores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

3.2.7.1 Tipos de inversores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

3.2.7.2 Caracterısticas do inversores . . . . . . . . . . . . . . . .. . 44

3.2.8 Tipos de sistema fotovoltaico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 46

3.2.8.1 Sistemas isolados - OFF GRID . . . . . . . . . . . . . . . . 47

3.2.8.2 Sistema conectado a rede eletrica - ON GRID . . . . . . .. . 47

4 ESTUDO DE CASO 51

4.1 Energia Solar Termica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 51

4.2 Sistema solar fotovoltaico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 57

4.3 Calculo do novo consumo de energia eletrica. . . . . . . . .. . . . . . . . . . 57

4.4 Custos de implantacao e prazo de retorno do investimento. . . . . . . . . . . . 62

5 CONCLUSAO 67

Referencias 69

ix

Anexo A -- Relatorio - software Dimensol 72

Anexo B -- Relatorio - software Sunny Desgin 80

x

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 Fontes de energia obtencao, usos, vantagens e desvantagens . . . . . . . 20

Figura 2 Planisferio solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 23

Figura 3 Concentradores solares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 25

Figura 4 Sistema termossolar de pequeno porte . . . . . . . . . . . .. . . . . . 26

Figura 5 Desenho esquematico de um sistema de aquecimento solar residencial . 27

Figura 6 Instalacao em Circulacao forcada . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 28

Figura 7 Sistemas acoplados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 28

Figura 8 Representacao esquematica de um sistema de aquecimento solar ope-

rando em circuito indireto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 29

Figura 9 Coletor Solar Plano. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 30

Figura 10 Ilustracao do reservatorio termico em corte .. . . . . . . . . . . . . . . 31

Figura 11 Corte transversal de uma celula fotovoltaica . . .. . . . . . . . . . . . 33

Figura 12 Efeito fotovoltaico na juncao pn . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . 34

Figura 13 Celula de silıcio monocristalino . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 35

Figura 14 Celula de silıcio policristalino . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 36

Figura 15 Celula de silıcio amorfo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 37

Figura 16 Painel solar fotovoltaico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 38

Figura 17 Ligacoes das celulas fotovoltaicas dentro do modulo . . . . . . . . . . . 39

Figura 18 Formas de ondas tıpicas dos inversores monofasicos. . . . . . . . . . . . 45

Figura 19 Caracterısticas de inversores com diferentes formas de onda . . . . . . . 48

Figura 20 Configuracao basica de um sistema fotovoltaico. . . . . . . . . . . . . . 49

Figura 21 Diagrama de sistemas fotovoltaicos OFF GRID . . . . .. . . . . . . . 49

xi

Figura 22 Diagrama de sistemas fotovoltaicos ON GRID . . . . . .. . . . . . . . 50

Figura 23 Aquecimento de agua no setor residencial . . . . . . .. . . . . . . . . 52

Figura 24 Impacto do aquecimento de agua no setor eletrico. . . . . . . . . . . . 53

Figura 25 Foto aerea do local da instalacao. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 56

Figura 26 Posicao da residencia em relacao ao norte geografico. . . . . . . . . . . 56

Figura 27 Insolacao media na cidade de Ribeirao Preto. .. . . . . . . . . . . . . . 58

Figura 28 Esquema de montagem dos paineis no telhado. . . . . .. . . . . . . . . 59

Figura 29 Comparacao no consumo de energia com e sem SAS media anual. . . . 60

Figura 30 Producao de energia pelo SAS ao longo dos meses doano. . . . . . . . 61

Figura 31 Producao de energia eletrica pelo SF ao longo dos meses do ano. . . . . 61

Figura 32 Novo consumo de energia projetado em cada mes do ano . . . . . . . . 62

Figura 33 Tarifas para o fornecimento de energia eletrica.. . . . . . . . . . . . . . 63

Figura 34 Orcamento referente a instalacao dos sistema de aproveitamento de ener-

gia solar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

Figura 35 Calculo do investimento na instalacao do SAS . .. . . . . . . . . . . . 65

Figura 36 Grafico retorno do investimento na instalacao do SAS . . . . . . . . . . 65

Figura 37 Calculo do investimento na instalacao do SF . . .. . . . . . . . . . . . 66

Figura 38 Grafico retorno do investimento na instalacao do SF . . . . . . . . . . . 66

xii

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 Fontes Geradoras de Energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 19

Tabela 2 Classificacao quanto ao porte . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 27

Tabela 3 Consumo de energia na residencia nos ultimos treze meses . . . . . . . 59

xiii

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

• ABNT - Associacao Brasileira de Normas Tecnicas

• ANEEL- Agencia Nacional de Energia Eletrica

• CA - Corrente Alternada

• CC - Corrente Contınua

• CRESESB- Centro de Referencia de energia solar e eolica Sergio deSalvo Brito

• GAP- Valor limite de energia necessario para o inıcio de conducao eletrica.

• GREEN- Grupo de Estudo em Energia

• GTES- Grupo de Trabalho de Energia Solar

• Hz - Hertz

• IGBT - Insulated Gats Bipolar Transistors (Transistor bipolar de porta dupla)

• kW - kilo-Watts

• LVD - Low Voltage Disconnect (Desconexao por baixa tensao)

• MPPT - Maximum Power Point Track (Seguidor do ponto de maxima potencia)

• NBR- Denominacao de norma tecnica

• OFFGrid- Sistema Fotovoltaico isolado da rede eletrica de distribuicao

• OnGrid - Sistema Fotovoltaico conectado a rede eletrica de distribuicao

• Pay−Back- Tempo decorrido entre o investimento inicial e o momento noqual o lucro

lıquido acumulado se iguala ao valor desse investimento.

• PCU - Power Conditioning Unit (Unidade de controle de potencia)

• PUC - Pontificia Universidade Catolica

• PWM - Pulse Walve Modulation (Modulacao por pulso de onda)

xiv

• SAS- Sitema de Aquecimento deAgua

• SCR- Silicon control rectifier (Retificadores controlados de silıcio)

• SF - Sistema Fotovoltaico

• TIR - Taxa Interna de Retorno

• VPL - Valor Presente Lıquido

• Wh- Watts hora

15

1 INTRODUCAO

1.1 Contextualizacao

A procura por formas limpas e renovaveis de gerar energia nunca recebeu tanta atencao

e investimento como agora. Essas iniciativas cresceram mais de 60% em 2007 em relacao a

2006 em todo mundo, movimentando US$ 150 bilhoes em 2007 (PROGRAMME; LTD., 2008),

e este crescimento superou, pela primeira vez, a expansao do uso de combustıveis fosseis na

Europa e nos Estados Unidos. Embora algumas tecnicas de geracao de energia atraves de fontes

renovaveis ja estejam em estagio avancado, como a do etanol, boa parte dos projetos sao apostas

em tecnologias experimentais e ainda sem viabilidade econômica.

O Brasil tem 71,98% (ANEEL, 2011) de sua energia proveniente de fontes renovaveis, en-

quanto no resto do mundo a media e de 18%. O paıs domina comonenhum outro a geracao de

etanol combustıvel, alem de ter grande experiencia com usinas hidreletricas, de onde vem mais

de dois tercos da eletricidade nacional (ANEEL, 2011). Embora tenha condicoes climaticas para

avancar em outras tecnologias, como as energias eolica e solar, os resultados ainda sao modes-

tos e, com a descoberta das gigantescas reservas de petroleo do pre-sal, especialistas temem que

elas fiquem em segundo plano.

No resto do mundo, a queda do preco do petroleo tambem preocupa os ambientalistas, que

advertem para a reducao nos investimentos nas energias renovaveis. Ainda assim, os maio-

res poluidores do mundo, Estados Unidos e China, tem puxadoa expansao dos combustıveis

renovaveis. O paıs asiatico duplicou, pelo quinto ano consecutivo, sua capacidade de gerar

energia eolica. Os americanos apostaram em novas tecnologias de etanol e em outras menos

tradicionais, como aBloom Box, uma especie de pilha que usa o ar para gerar energia continu-

amente que abriu uma nova perspectiva no setor.

Em um paıs de dimensoes continentais como o Brasil, em que 15% das casas nao possuem

acesso a rede eletrica (GTES, 2008), o uso de energias alternativas podera suprir esta deficiencia

em areas remotas, e tambem pode vir a reduzir significativamente o consumo de energia em

residencias localizadas nos grandes centros e com facil acesso a rede eletrica.

16

Sao denominadas energias alternativas todas as fontes de energias que nao sao se enquadram

nas fontes mais comuns de energia como, petroleo, carvao mineral e as tradicionais usinas

geradoras de energia eletrica como as hidreletricas e as nucleares. As fontes mais comuns de

energia alternativas sao: eolica, solar fotovoltaica, solar termica e biomassa.

Neste trabalho sera realizado um estudo da utilizacao daenergia solar, na forma solar

termica, que utiliza coletores solares que absorvem o calor fornecido pelo sol, para o aque-

cimento de agua a ser utilizada em duchas, banheiras, lavabo,piscinas e cozinha. E da energia

fotovoltaica, que utiliza o efeito fotoeletrico provocado em certos materiais semi-condutores.

Ao final do trabalho sera exposta a viabilidade tecnica da utilizacao da energia solar termica

e fotovoltaica, que pretende alcancar uma reducao no consumo mensal de energia eletrica na

residencia.

1.2 Justificativa

As residencias consomem cerca de 24% (GREEN/PUC-MINAS, 2008) de toda a energia ge-

rada no paıs com forte tendencia de aumento. A crescente demanda por energia eletrica e os

constantes apagoes colocam em duvida a atual matriz energetica brasileira e a sua capacidade

de atender ao crescimento economico que vive o paıs.

O uso de fontes renovaveis de energia, amplamente utilizadas em outros paıses, pode ser

uma alternativa para equilibrar a demanda com a geracao, tornando as residencias mais eficien-

tes e parcialmente auto-sustentaveis em relacao a energia eletrica, alem de diminuir o impacto

do seu consumo no sistema interligado nacional.

A energia solar e a fonte de energia mais antiga disponıvelna Terra. O aproveitamento

da energia gerada pelo Sol e praticamente inesgotavel, tanto como fonte de calor quanto de

luz. E hoje, sem sombra de duvidas, uma das alternativas energeticas mais promissoras para

enfrentarmos os desafios do novo milenio, por se tratar de uma fonte nao poluente e renovavel.

1.3 Objetivos

Este trabalho tem com objetivo analisar a viabilidade tecnica da utilizacao de energia solar

termica e fotovoltaica para fins de aquecimento de agua e geracao de energia eletrica, com

vistas a reducao do consumo de energia eletrica, gerandoreducao na conta de energia eletrica e

reducao na carga no sistema de distribuicao regional deenergia eletrica.

17

Este trabalho tem como um objetivo secundario buscar um aprendizado sobre sustentabili-

dade e eficiencia energetica residencial, o que pode nao so contribuir com a oferta de energia,

mas tambem diversificar a matriz energetica brasileira tornado-a ainda mais limpa e sustentavel.

1.4 Problemas e Hipotese de Pesquisa

Devido a constante necessidade de energia da humanidade, se faz necessario atender esta

crescente demanda por energia nos tempos modernos. Com o aumento da populacao e o do

consumo de energia eletrica (GOLDEMBERG, 1979), a disponibilidade de eletricidade esta di-

minuindo e se tornando escassa e com custo cada vez mais alto.O consumo em residencias

representa hoje 24% (GREEN/PUC-MINAS, 2008) de toda a energia gerada no Brasil, mas com

a facilidade de acesso a eletrodomesticos este percentualesta em alta, comprometendo ainda

mais a disponibilidade de eletricidade em nosso paıs.

Embora o Brasil disponha de imenso potencial hidrografico adistancia dos centros gera-

dores aos distribuidores e os impactos ambientais (alagamentos, destruicao de eco-sistemas,

mudanca no habitat da fauna e dano permanente a flora) e sociais (destruicao de vilas ribei-

rinhas, mudancas na densidade demografica de areas isoladas), causados pela utilizacao deste

tipo de geracao podem inviabilizar novos empreendimentos, como usinas hidreletricas.

Como garantir a oferta e disponibilidade de energia em residencias com o aumento popula-

cional e de consumo cada vez maiores? Este fato cria a necessidade de utilizar outras fontes de

energia, que possam ser utilizadas proximo aos grandes centros consumidores e que nao causem

grandes impactos ambientais.

Parte-se da premissa de que a utilizacao de fontes alternativas de energia, tal como a ener-

gia solar (ORDENES et al., 2007), disponıvel em todo o pais com altos ındices de insolacao anual

(TIBA , 2001) possam suprir esta carencia energetica garantindo o fornecimento a crescente de-

manda sem provocar danos ao meio ambiente.

1.5 Metodologia

Para atingir os objetivos sera feita uma analise do estadoda arte que incluira um estudo

sobre os produtos disponıveis para estas tecnologias, para posterior realizacao de estudo de

caso que deve considerar a reducao no consumo de energia emuma residencia com a utilizacao

desta duas formas de aplicacao da energia fornecida pelo sol

As principais etapas a serem desenvolvidas neste trabalho sao:

18

1. Estudo do referencial teorico.

2. Aplicacao dos sistemas solar termico e solar fotovoltaico em uma residencia uni-familiar,

localizada em Ribeirao Preto com area construıda de 75m2 em que residem quatro adultos.

3. Calculo do sistema de aquecimento de agua, coletores e reservatorio termico de acordo

com a NBR-15569 de 2008 e utilizando se do software“DIMENSOL” , desenvolvido pela

PUC-Minas.

4. Calculo do sistema solar fotovoltaico, painel fotovoltaico e inversor de frequencia, uti-

lizando se do software“SUNNY DESIGN”que leva em consideracao a localizacao do

imovel e as caracterısticas dos equipamento utilizados.

5. Elaboracao de orcamento para a aquisicao dos equipamentos, junto a empresa deste ramo

de atividade.

6. Com os dados da geracao de energia pelo sistema fotovoltaico e a reducao de consumo

gerada pelo sistema solar termico verificar o impacto destes sistema no consumo mensal

de energia eletrica na residencia.

7. Conclusoes quanto a viabilidade tecnica do sistema bemcomo a amortizacao dos mesmos

ao longo do tempo.

19

2 FONTES DE ENERGIA

Utilizando a acepcao mais comum “energia como capacidadede produzir trabalho” pode-

se distinguir tres grupos de fontes energeticas classificadas segundo as suas fontes, conforme

tabela 1.

Tabela 1: Fontes Geradoras de Energia

Convencionais Nao Convencionais ou Alternativas Exoticas

Petroleo Mares Energia SolarGas Natural Ventos (Produzida no Interior do Sol)

Carvao Ondas Calor dos OceanosHidroeletrecidade Xisto Fusao Nuclear

Biomassa GeotermicaFissao NuclearSolar Termica

Solar Fotovoltaica

Fonte: Apostila de sistemas eletricos de potencia II - CEFETES, 2005.

Excluindo as fontes convencionais citadas na tabela 1, temos com fontes alternativas mais

interessantes disponıveis em nosso paıs: as mares, os ventos, as ondas e a solar. A figura 1

mostra as principais fontes de energia, seus usos, as vantagens e as desvantagens. Tendo por

base estas informacoes a escolha da energia solar se deve asua alta disponibilidade em todo o

territorio brasileiro e ao fato da mesma nao estar restrita a existencia de rede de distribuicao.

20

Figura 1: Fontes de energia obtencao, usos, vantagens e desvantagens

Fonte: Almanaque Abril - CD Rom, 1999

21

3 CONCEITO ENERGIA SOLAR

Estima-se em alguns bilhoes de anos o tempo necessario para o esgotamento da energia so-

lar. A manutencao da vida na Terra so podera ser conseguida mediante a diminuicao da poluicao

tanto termica quanto quımica. Para evitar estes males umadas solucoes seria o aproveitamento

da energia solar que e gratuita, atinge todos os recantos daTerra e nao produz poluicao, uma

vez que ja esta inserida na propria natureza (LUIZ , 1985).

A intensidade de um feixe de luz e definida como o fluxo medio de energia eletromagnetica

por unidade de tempo; ou seja, a intensidade luminosa e a potencia media da luz por unidade de

area. Denomina-seconstante solara intensidade luminosa media dos raios solares no topo da

atmosfera terrestre (LUIZ , 1985). Designando a constante solar porIo, temos:

Io = 118cal/cm2.h (3.1)

ou entao,

Io = 1,96W/cm2.min (3.2)

No Sistema Internacional, (LUIZ , 1985) e (PALZ, 1981) a constante solar possui o seguinte

valor:

Io = 1360W/m2 (3.3)

Para obtermos a potencia totalPT da luz solar incidente sobre a Terra (LUIZ , 1985), basta

fazer o seguinte calculo:

PT = Io.(π .R2T) (3.4)

ondeRT e o raio da Terra. Sabemos queRT = 6,37x106msubstituindoRT na expressao anterior

e usando a equacao 3.4, encontraremos o seguinte valor aproximado para a potencia total da luz

22

solar incidente sobre a Terra (LUIZ , 1985).

PT = 1,73x1017W (3.5)

A equacao 3.5 fornece a potencia total incidente sobre a Terra. Entretanto, esta potencia nao

e integralmente absorvida pela Terra. Verifica-se que em média 35% desta potencia e refletida

e retorna para o espaco (LUIZ , 1985). Portanto, para sabermos a potencia total da luz solar

absorvida pela Terra, basta multiplicar o resultado da equacao 3.5 por 0,65, ou seja:

P′

T = 1,13x1017W (3.6)

ondeP′

T e a potencia total da luz solar absorvida pela Terra.

O aproveitamento da energia solar possui muitas vantagens em relacao a outras formas de

energia disponıveis. As principais vantagens sao as seguintes:

A- A energia solar nao produz poluicao termica ou quımica.

B- Alem de ser disponıvel em grande escala, trata-se de uma fonte renovavel praticamente

inesgotavel.

C- Em diversas aplicacoes da energia solar, os dispositivosauxiliares nao possuem partes

moveis, o que significa uma consideravel simplificacao tecnica.

D- Normalmente a tecnologia envolvida para o seu aproveitamento e bastante simples e esta ao

alcance de todos os paıses, principalmente os subdesenvolvidos.

E- Os raios solares atingem todas as partes da superfıcie e da atmosfera da terrestre, sendo que

o uso da energia e particularmente importante em regioes de difıcil acesso.

Por causa da inclinacao dos raios solares, e facil verificar que a energia solar e mais

acessıvel para os paıses tropicais em desenvolvimento. Examinando-se o planisferio, figura

2, observa-se imediatamente que o Brasil e o maior e maias populoso entre os paıses tropicais

que possuem maior disponibilidade de energia solar. De acordo com estimativas feitas por Luiz

e Santos (1972), existe no Brasil uma disponibilidade media anual de energia solar dada por

aproximadamente:

W = 2,5x1022cal = 1023J (3.7)

23

Figura 2: Planisferio solar

Fonte:<http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Solar_land_area.png> - ultimo acesso em 03/04/2011.

A energia media anual consumida no mundo inteiro vale aproximadamente 2,5x105J (LUIZ ,

1985). Portanto, a energia solar incidente sobre o Brasil durante um ano seria suficiente para

suprir a energia media consumida pela humanidade durante um ano.

3.0.1 Disponibilidade da Energia Solar

Inicialmente, vamos determinar a energia solar incidente por unidade de area horizontal,

tendo em vista a posicao do Sol na elıtica e desprezando a absorcao terrestre. SejaIo a energia

incidente por unidade de area horizontal ortogonal a direcao da radiacao (por unidade de tempo).

Quando a normal a superfıcie plana faz uma anguloi com o feixe incidente, a intensidadeI

resultante sobre esta superfıcie e dada por:

I = Io.cosi (3.8)

ondeIO e a intensidade do fluxo energetico parai = 0, ou seja, para uma incidencia ortogo-

nal ao plano.

Considerando uma superfıcie horizontal, o anguloi da relacao 3.8 e igual ao angulo de

24

declinacao solarδ . A quantidade total de energia solar incidente por unidade de area horizontal,

no intervalo de tempoh0s, pode ser calculado mediante a integral:

Itotal =

∫ h0s

oi(h).dh (3.9)

Para calcular a energia total incidente numa certa area basta multiplicar o valor anterior

pela area considerada. A integral da equacao 3.9 tambeme utilizada para se obter as ho-

ras de insolacao de uma localidade. Estes valores encontram-se disponıveis no Atlas Sola-

rimetrico do Brasil Banco de Dados Terrestres publicado em1993 pelo CRESESB. Tambem

pode ser obtido a energia solar disponıvel em cada regiao utilizando-se da localizacao ge-

ografica,latitudeelongitude, acessando os seguintes enderecos eletronicos:<http://eosweb.

larc.nasa.gov/cgi-bin/sse/[email protected]> e<http://www.

cresesb.cepel.br/sundata/index.php>

3.0.2 Metodos de Captacao da Energia Solar

Os metodos de captacao de energia solar classificam-se em:

• Direto: Quando ha apenas uma transformacao para fazer da energia solar um tipo de

energia utilizavel pelo homem. Exemplos:

-A energia solar atinge uma celula fotovoltaica criando eletricidade.

-A energia solar atinge uma superfıcie escura e e transformada em calor.

• Indireto quando e necessaria mais do que uma transformaçao para que surja energia uti-

lizavel. Exemplo:

- Sistemas que controlam automaticamente cortinas, de acordo com a disponibilidade de

luz do Sol.

Neste trabalho sera utilizado apenas exemplos de utilizaçao de energia solar diretos, que

serao descritos a seguir.

3.1 ENERGIA SOLAR T ERMICA

A energia solar termica possui uma ampla gama de aplicacoes que abrangem processos de

aquecimento de agua, ar e refrigeracao. Incluem-se tambem, neste caso processos de media e

25

alta temperaturas que utilizam concentradores solares. A figura 3 mostra alguns exemplos de

concentradores solares.

Figura 3: Concentradores solares

Fonte:<http://t.co/ds1tA5R> ultimo acesso em 07/09/2011.

3.1.1 Sistema de Aquecimento Solar

Um sistema de aquecimento solar, mostrado na figura 4, pode ser dividido basicamente em

tres sub-sistemas, discutidos a seguir.

A. Captacao Composto pelos coletores solares onde circula o fluıdo de trabalho a ser aque-

cido, as tubulacoes de interligacao entre os coletorese entre a bateria de coletores e o

reservatorio termico e, no caso de instalacoes maiores, a bomba hidraulica. No Brasil, o

fluıdo de trabalho normalmente utilizado e a agua.

B. Armazenamento Seu componente principal e o reservatorio termico, alem de uma fonte

complementar de energia, como eletricidade ou gas, que garantira o aquecimento auxiliar

em perıodos chuvosos, de baixa insolacao ou quando ocorrer um aumento eventual do

consumo de agua quente.

C.Consumo Compreende toda a distribuicao hidraulica entre o reservatorio termico e os pontos

26

Figura 4: Sistema termossolar de pequeno porte

Fonte: Curso de captacao em aquecimento solar - Abrava.

de consumo, inclusive o anel de recirculacao quando necessario. E tambem conhecido

comocircuito secundario da instalacao.

3.1.2 Classificacao de um sistema de aquecimento solar

Um esboco da instalacao termossolar basica para aquecimento de agua em uma residencia

unifamiliar pode ser visto na figura 5.

Os sistema de aquecimento solar podem ser classificados de quatro formas:

1. Porte

A definicao de porte de uma instalacao de aquecimento solar esta intrinsecamente as-

sociado ao volume diario de agua a ser aquecida e as caracterısticas da edificacao onde

o sistema sera instalado. De maneira geral, quanto ao portepode-se classificar como

mostrado na tabela 2.

2. Circulacao

A. Instalacao Solar em Circulacao Natural Atualmente no Brasil, grande parte dos sis-

temas de aquecimento solar em funcionamento sao residencias, de pequeno porte e

operam por circulacao natural (termossifao). Nesse caso, a circulacao da agua nos

27

Figura 5: Desenho esquematico de um sistema de aquecimentosolar residencial


Tabela 2: Classificacao quanto ao porte

Instalacao Volume Diario Tipo

Pequeno porte V < 1500litros TermossifaoMedio porte 1500litros<V < 5000litros Circulacao ForcadaGrande porte V > 5000litros Circulacao Forcada


tubos de distribuicao dos coletores e promovida apenas pela diminuicao de sua den-

sidade, devido ao aquecimento da agua nos coletores solares, efeito conhecido como

termossifao.

B. Instalacao Solar em Circulacao Forcada ou BombeadaNeste caso, a circulacao do

fluıdo de trabalho atraves do circuito primario da instalacao e promovida pela acao

de uma bomba hidraulica, sendo sua utilizacao recomendada para instalacoes de

medio e grande porte ou grande. Os parametros exigidos para a instalacao termos-

sifao nao podem ser atendidos. A figura 6 ilustra os componentes basicos de uma

instalacao bombeada.

3. Tipo de sistema

A. Convencional Classifica-se como convencional um sistema de aquecimento solar onde

pode-se distinguir claramente coletores solares e reservatorio termico como equipa-

28

Figura 6: Instalacao em Circulacao forcada


mentos distintos, separados fisicamente um do outro como apresentado na figura

5.

B. Acoplados ou CompactosUm sistema de aquecimento solar compacto ou acoplado

caracteriza-se quando o coletor solar e o reservatorio termico se fundem em uma

unica unidade, conforme mostrado na figura 7. O sistema acoplado opera em circulacao

natural e sua grande vantagem e reduzir eventuais erros e minimizar custos de

instalacao.

Figura 7: Sistemas acoplados


C. Integrados Em um sistema integrado o reservatorio e o coletor constituem a mesma

peca, na maioria das vezes eles sao formados por tubos pintados de preto e colocados

29

em uma caixa com isolamento termico e uma cobertura transparente.

4. Troca de calor

A. Direta A troca de calor direta apresenta-se na maior parte dos sistemas atualmente

em funcionamento no Brasil. Neste tipo de instalacao, a agua que circula pelos

coletores e a mesma que sera utilizada nos pontos de consumo da edificacao, como

apresentado na figura 5.

B. Indireta Nos sistemas onde a troca e indireta, o fluido que circula pelos coletores nao

e o mesmo utilizado nos pontos de consumo da edificacao. Este tipo de instalacao

e adotada em localidades onde a temperatura ambiente pode trazer riscos de conge-

lamento aos coletores, em processos industriais ou nas demais aplicacoes onde nao

pode haver a mistura do fluıdo que circula pelos coletores e oque sera consumido.

a figura 8 apresenta esquematicamente este tipo de instalacao.

Figura 8: Representacao esquematica de um sistema de aquecimento solar operando em circuitoindireto


3.1.3 Coletores Solares

O coletor solar figura 9 e basicamente um dispositivo que promove o aquecimento de um

fluıdo de trabalho, como agua, ar ou fluido termico, através da conversao da radiacao eletro-

magnetica proveniente do Sol em energia termica. Basicamente, um coletor solar e constituıdo

por:

Caixa externa : geralmente fabricada em perfil de alumınio, chapa dobradaou material plastico

e que suporta todo o conjunto.

30

Figura 9: Coletor Solar Plano.

Fonte: Aquecimento solar, Tecnologia solar, Projetos Sociais, Etiquetagem - GREEN PUC Minas, 2008

Isolamento termico : minimiza as perdas de calor para o meio. Fica em contato direto com a

caixa externa, revestindo-a. Os materiais isolantes mais utilizados na industria nacional

sao: la de vidro ou de rocha e espuma de poliuretano.

Tubos (flauta / calhas superior e inferior) : tubos interconectados atraves dos quais o fluido

escoa no interior do coletor. Normalmente, a tubulacao efeita de cobre devido a sua alta

condutividade termica e resistencia a corrosao.

Placa absorvedora (aletas): responsavel pela absorcao e transferencia da energiasolar para o

fluido de trabalho. As aletas metalicas, em alumınio ou cobre, sao pintadas de preto fosco

ou recebem tratamento especial para melhorar a absorcao da energia solar.

Cobertura transparentes : geralmente de vidro, policarbonato ou acrılico que permite a pas-

sagem da radiacao solar e minimiza as perdas de calor por conveccao e radiacao para o

meio ambiente.

Vedacao : importante para manter o sistema isento de umidade externa.

3.1.4 Reservatorio Termicos

Nas aplicacoes praticas do aquecimento solar ocorrem defasagens significativas entre o

perıodo de geracao de agua quente nos coletores solarese seu efetivo consumo. Assim, constata-

se a necessidade de armazenamento de agua quente em reservatorios termicos para adequacao

31

entre a geracao e o consumo efetivo, alem da definicao deuma certa autonomia para o sistema

de aquecimento solar.

As partes constituintes do reservatorio termico sao mostrados na figura 10 e podem ser

assim resumidas:

Figura 10: Ilustracao do reservatorio termico em corte

Fonte: Aquecimento solar, Tecnologia solar, Projetos Sociais, Etiquetagem - GREEN PUC Minas,2008.

Corpo interno : fica em contato direto com a agua aquecida e, por isso, deve ser fabricado

com materiais resistentes a corrosao, tais como cobre e aço inoxidavel nos reservatorios

fechados. Nos reservatorio abertos, utiliza-se, tambemo polipropileno.

Isolante termico : minimiza as perdas de calor para o meio.E colocado sobre a superfıcie

externa do corpo interno, sendo a la de vidro e a espuma de poliuretano os materiais mais

utilizados

Protecao externa : tem a funcao de proteger o isolante de intemperies, taiscomo umidade,

danos no transporte ou instalacao, etc. Essa protecao é normalmente de alumınio, aco

galvanizado ou aco carbono pintado. Nao se recomenda o usode lona plastica.

Sistema auxiliar de aquecimento: como o proprio nome indica, e um sistema de aqueci-

mento que tem como objetivo complementar o aquecimento solar de modo a garantir o

fornecimento de agua quente, seja em perıodos de baixa insolacao ou mesmo quando

ocorrer consumo excessivo. Usualmente, o sistema de aquecimento auxiliar eletrico e

32

constituıdo por uma ou mais resistencias eletricas blindadas, colocadas no reservatorio

termico em contato com a agua armazenada. O acionamento dessas resistencias pode ser

controlado automaticamente por meio de um termostato, ou manualmente, pelo proprio

usuario.

Tubulacoes : tem a funcao de interligar o reservatorio termico aos pontos de consumo alimentacao

de agua fria e aos demais componentes da instalacao (coletores solares, sistemas de aque-

cimento auxiliar e etc).

Apoio para fixacao e instalacao : os reservatorios termicos possuem bases de sustentacão e

fixacao capazes de suportar seu peso em operacao garantindo imobilidade ao equipa-

mento. As bases de fixacao de reservatorios termicos usualmente sao fabricadas em ma-

teriais metalicos protegidos contra corrosao.

3.2 ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA

A Energia Solar Fotovoltaica e a energia obtida atraves daconversao direta da luz em eletri-

cidade (Efeito Fotovoltaico). O efeito fotovoltaico, relatodo por Edmond Becquerel, em 1839,

e o aparecimento de uma diferenca de potencial nos extremos de uma estrutura de material se-

micondutor, produzida pela absorcao da luz. A celula fotovoltaica e unidade fundamental do

processo de conversao.

Inicialmente o desenvolvimento da tecnologia apoiou-se nabusca, por empresas do setor

de telecomunicacoes, 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 necessaria

para longos perıodos de permanencia no espaco.

Os sistemas fotovoltaicos vem sendo utilizados em instalacoes remotas possibilitando varios

projetos sociais, agropastoris, de irrigacao e comunicacoes. As facilidades de um sistemas fo-

tovoltaico tais como: modularidade, baixos custos de manutencao e vida util longa, fazem com

que sejam de grande importancia para instalacoes em lugares desprovidos da rede eletrica.

3.2.1 Efeito fotovoltaico

O efeito fotovoltaico da-se em materiais da natureza denominados semicondutores que se

caracterizam pela presenca de bandas de energia onde e permitida a presenca de eletrons (banda

33

de valencia) e de outra onde e totalmente “vazia” (banda deconducao). A figura 11 mostra uma

celula fotovoltaica em corte.

O semicondutor mais usado e o silıcio. Seus atomos se caracterizam por possuırem quatro

eletrons que se ligam aos vizinhos, formando uma rede cristalina. Ao adicionarem-se atomos

com cinco eletrons de ligacao, como o fosforo, por exemplo, havera um eletron em excesso

que nao podera ser emparelhado e que ficara “sobrando”, fracamente ligado a seu atomo de

origem. Isto faz com que, com pouca energia eletrica este eletron se livre, indo para a banda de

conducao. Diz-se assim, que o fosforo e um dopante doador de eletrons e denomina-se dopante

n ou impureza n.

Figura 11: Corte transversal de uma celula fotovoltaica

Fonte: Energia solar princıpios e aplicacoes - Centro dereferencia de energia solar e eolica Sergio deSalvo Brito.

Se, por outro lado, introduzem-se atomos com apenas tres eletrons de ligacao, como e o

caso do boro, havera uma falta de um eletron para satisfazer as ligacoes com os atomos de

silıcio da rede. Esta falta de eletron e denominada buraco ou lacuna e ocorre que, com pouca

energia eletrica um eletron de um sıtio vizinho pode passar a esta posicao, fazendo com que o

buraco se desloque. Diz-se portanto, que o boro e um aceitador de eletrons ou um dopante “p”.

Se, partindo de um silıcio puro, forem introduzidos atomos de boro em uma metade e de

fosforo na outra, sera formado o que se chama juncao “pn”. O que ocorre nesta juncao e que

eletrons livres do lado n passam ao lado p onde encontram os buracos que os capturam; isto faz

com que haja um acumulo de eletrons no lado p, tornando-o negativamente carregado e uma

34

reducao de eletrons do lado n, que o torna eletricamente positivo. Estas cargas aprisionadas

dao origem a um campo eletrico permanente que dificulta a passagem de mais eletrons do lado

“n” para o lado “p”; este processo alcanca um equilıbrio quando o campo eletrico forma uma

barreira capaz de impedir os eletrons livres remanescentes no lado “n”. A figura 12 mostra o

funcionamento de uma celula fotovoltaica.

Figura 12: Efeito fotovoltaico na juncao pn


Se uma juncao pn for exposta a fotons com energia maior queo “gap”, ocorrera a geracao

de pares eletron-lacuna; se isto acontecer na regiao ondeo campo eletrico e diferente de zero, as

cargas serao aceleradas, gerando assim, uma corrente atraves da juncao; este deslocamento de

cargas da origem a uma diferenca de potencial ao qual chamamos de Efeito Fotovoltaico. Se as

duas extremidades do “pedaco” de silıcio forem conectadas por um fio, havera uma circulacao

de eletrons. Esta e a base do funcionamento das celulas fotovoltaicas.

3.2.2 Tipos de celulas

As celulas fotovoltaicas sao fabricadas, na sua grande maioria, usando o silıcio (Si) e po-

dendo ser constituıda de cristais monocristalinos, policristalinos ou de silıcio amorfo.

35

3.2.2.1 Silıcio monocristalino

A celula de silıcio monocristalino, mostrada na figura 13,e historicamente as mais usadas

e comercializada como conversor direto de energia solar em eletricidade e a tecnologia para sua

fabricacao e um processo basico muito bem constituıdo.

Figura 13: Celula de silıcio monocristalino

Fonte:<http://www.inovafiel.pt/images/ma05.jpg> ultimo acesso em 03/04/2011.

Dentre as celulas fotovoltaicas que utilizam o silıcio como material base, as monocristalinas

sao, em geral, as que apresentam as maiores eficiencias. Asfotocelulas comerciais obtidas com

o processo descrito atingem uma eficiencia de ate 15% podendo chegar em 18% em celulas

feitas em laboratorios.

3.2.2.2 Silıcio policristalino

As celulas de silıcio policristalino, mostrada na figura 14, sao mais baratas que as de

silıcio monocristalino por exigirem um processo de preparacao das celulas menos rigoroso.

A eficiencia, no entanto, cai um pouco em comparacao as celulas de silıcio monocristalino.

Ao longo dos anos, o processo de fabricacao tem alcancadoeficiencia maxima de 12,5%

em escalas industriais.

36

Figura 14: Celula de silıcio policristalino

Fonte:<http://wikienergia.com/~edp/images/thumb/c/cb/Waferssiliciopolicristalino.jpg/300px-Waferssiliciopolicristalino.jpg> ultimo

acesso em 03/04/2011.

3.2.2.3 Silıcio amorfo

Uma celula de silıcio amorfo, mostrada na figura 15 difere das demais estruturas cristalinas

por apresentar alto grau de desordem na estrutura dos atomos. A utilizacao de silıcio amorfo

para uso em fotocelulas tem mostrado grandes vantagens tanto nas propriedades eletricas quanto

no processo de fabricacao. O uso de silıcio amorfo apresenta duas desvantagens: a primeira

e a baixa eficiencia de conversao comparada as celulas mono e policristalinas de silıcio; em

segundo, as celulas sao afetadas por um processo de degradacao logo nos primeiros meses de

operacao, reduzindo assim a eficiencia ao longo da vida util.

Por outro lado, o silıcio amorfo apresenta vantagens que compensam as deficiencias acima

citados, sao elas:

• processo de fabricacao simples e barato;

• possibilidade de fabricacao de celulas com grandes areas;

• baixo consumo de energia na producao.

37

Figura 15: Celula de silıcio amorfo

Fonte:<http://img.archiexpo.es/images_ae/photo-m2/modulo-fotovoltaico-de-silicio-amorfo-de-capa-fina-162684.jpg> ultimo acesso em

03/04/2011.

3.2.3 Modulos fotovoltaicos

Pela baixa tensao e corrente de saıda em uma celula fotovoltaica, agrupam-se varias celulas

formando um modulo. O arranjo das celulas nos modulos pode ser feito conectando-as em serie

ou em paralelo. A figura 16 mostra alguns exemplos de modulosprontos, conforme a variacao

do tamanho ha tambem a variacao da potencia pico dos mesmos.

Ao conectar as celulas em paralelo, parte superior da figura17 somam-se as correntes de

cada modulo e a tensao do modulo e exatamente a tensao dacelula. A corrente produzida

pelo efeito fotovoltaico e contınua. Pelas caracterısticas tıpicas das celulas (corrente maxima

por volta de 3A e tensao muito baixa, em torno de 0,7V) este arranjo nao e utilizado salvo em

condicoes muito especiais.

A conexao mais comum de celulas fotovoltaicas em modulose o arranjo em serie, parte in-

ferior da figura 17. Este consiste em agrupar o maior numero de celulas em serie onde soma-se

a tensao de cada celula chegando a um valor final de 12V o que possibilita a carga de acumula-

dores (baterias) que tambem funcionam na faixa dos 12V.

Por estar ligada em serie, comprometera todo o funcionamento das demais celulas no

modulo. Para que toda a corrente de um modulo nao seja limitada por uma celula de pior

desempenho (o caso de estar encoberta), usa-se um diodo de passo ou de “bypass”. Este di-

odo serve como um caminho alternativo para a corrente e limita a dissipacao de calor na celula

defeituosa.

38

Figura 16: Painel solar fotovoltaico

Fonte:Apresentacao institucional Blue Sol Energia Solar

3.2.4 Caracterısticas eletricas dos modulos fotovoltaicos

A potencia dos modulos e dada pela potencia de pico. Taonecessario quanto este parametro,

existem outras caracterısticas eletricas que melhor caracterizam a funcionabilidade do modulo.

As principais caracterısticas eletricas dos modulos fotovoltaicos sao as seguintes:

• Tensao de Circuito Aberto (Voc)

• Corrente de Curto Circuito (Isc)

• Potencia Maxima (Pm)

• Tensao de Potencia Maxima (Vmp)

• Corrente de Potencia Maxima (Imp)

A condicao padrao para se obter as curvas caracterısticas dos modulos e definida para

radiacao de 1000W/m2 (radiacao recebida na superfıcie da Terra em dia claro, ao meio dia),

39

Figura 17: Ligacoes das celulas fotovoltaicas dentro domodulo


e temperatura de 25ºC na celula (a eficiencia da celula e reduzida com o aumento da tempera-

tura).

3.2.5 Baterias

Baterias sao conhecidas por serem uma conveniente e eficiente forma de armazenamento de

energia. Quando uma bateria esta conectada a um circuito eletrico, ha fluxo de corrente devido

a uma transformacao eletroquımica no seu interior, ou seja, ha producao de corrente contınua

atraves da conversao de energia quımica em energia eletrica.

Baterias podem ser classificadas em recarregaveis e nao-recarregaveis dependendo do tipo

de celula de que sao compostas. Existem dois tipos basicos de celulas:

• As celulas primarias compoem as baterias que podem ser utilizadas apenas uma vez (nao-

recarregaveis). Quando as celulas primarias descarregam-se completamente sua vida util

termina e elas sao inutilizadas.

• As celulas secundarias compoem as baterias recarregaveis, ou seja, aquelas que podem

ser carregadas com o auxılio de uma fonte de tensao ou corrente e reutilizadas varias

vezes.

40

3.2.5.1 Caracterısticas das baterias

A seguir e apresentada as principais caracterısticas relativas a baterias.

Capacidade nominal e o numero total de Watts-hora que pode ser retirado de uma celula ou

bateria totalmente carregada. Quanto mais lento for o descarregamento, ligeiramente

maior sera a sua disponibilidade de carga e vice-versa. Os fabricantes normalmente for-

necem a capacidade para cada regime de descarga.

Ciclo A sequencia carga-descarga de uma bateria ate uma determinada profundidade de des-

carga e chamada de ”ciclo”.

Descarga Processo de retirada de corrente de uma celula ou bateria atraves da conversao de

potencial eletroquımico em energia eletrica, no interior da celula. Quando a descarga

ultrapassa 50% da capacidade da bateria, ela e chamada de ”Descarga Profunda”.

Estado de Carga Capacidade disponıvel em uma bateria ou celula expressa como porcenta-

gem da capacidade nominal.

Flutuacao Processo de carga que busca manter as baterias ou celulas com um estado de carga

proximo a carga plena, evitando que as mesmas permanecampor longos perıodos com

estado parcial de carga.

Profundidade de DescargaA profundidade de descarga indica, em termos percentuais, quanto

da capacidade nominal da bateria foi retirada a partir do estado de plena carga. Segundo

alguns fabricantes de baterias de nıquel-cadmio, estas podem ser totalmente descarrega-

das e recarregadas sem sofrerem alteracao no seu desempenho. Ja as de chumbo-acido

possuem severas restricoes quanto a descargas profundas.

Vida util A vida util de uma bateria pode ser expressa de duas formas, numero de ciclos ou

perıodo de tempo, dependendo do tipo de servico para o quala bateria foi especificada.

A profundidade de descarga e temperatura sao os parametros mais comumente usados pelos

fabricantes de celulas para estimar a capacidade de vida c´ıclica da bateria, a vida cıclica esta

inversamente relacionada com a profundidade de descarga e temperatura. A capacidade de

qualquer bateria secundaria degrada-se mais rapidamentequando a temperatura de operacao da

bateria e a profundidade de descarga aumentam.

41

3.2.5.2 Tipos de Baterias

Baterias recarregaveis sao aquelas que apresentam uma constituicao quımica que permite

reacoes reversıveis. Com o auxılio de uma fonte externa, pode-se recuperar a composicao

quımica inicial e deixa-la pronta para um novo ciclo de operacao. De acordo com a aplicacao,

elas podem ser classificadas como:

Automativas Sao baterias projetadas,fundamentalmente, para descargas rapidas com elevadas

taxas de corrente e com reduzidas profundidades de descarga. Esta condicao e tıpica na

partida de motores de automoveis.

Tracao indicadas para alimentar equipamentos moveis eletricoscomo por exemplo, empilha-

deiras, e sao projetadas para operar em regime de ciclos diários profundos com taxa de

descarga moderada (C/6).

Estacionarias sao direcionadas tipicamente para aplicacoes em que as baterias permanecem

em flutuacao e sao solicitadas ocasionalmente para ciclos de carga/descarga. Esta condicao

e tıpica de sistemas de back-up.

Fotovoltaicas sao projetadas para ciclos diarios rasos com taxas de descarga reduzidas e devem

suportar descargas profundas esporadicas devido a possıvel ausencia de geracao (dias

nublados).

A operacao de uma bateria, usada em um Sistema Solar Fotovoltaico, deve atender a dois

tipos de ciclos:

• Ciclos rasos a cada dia;

• Ciclos profundos por varios dias (tempo nublado) ou semanas (durante o inverno).

Os ciclos profundos ocorrem quando o carregamento nao e suficiente para repor a quanti-

dade de carga usada pelos aparelhos durante todo o dia. Por isso, o estado de carga depois

de cada ciclo diario e ligeiramente reduzido e, se isto ocorrer por um perıodo de varios

dias, levara a um ciclo profundo. Quando o tempo melhora ou os dias prolongam-se, ha

um carregamento extra, aumentando o estado de carga depois de cada ciclo diario.

3.2.6 Controladores de carga

Controladores de carga sao incluıdos na maioria dos Sistemas Fotovoltaicos (SFs), com os

objetivos basicos de facilitar a maxima transferencia de energia do arranjo fotovoltaico para a

42

bateria ou banco de baterias e protege-las contra cargas e descargas excessivas, aumentando,

consequentemente, a sua vida util. Denominacoes do tipo“Gerenciador de Carga”, “Regulador

de Carga’ ou “Regulador de Tensao” tambem sao comuns e referem-se a controladores de carga

com diferentes nıveis de sofisticacao.

Controladores de carga sao componentes crıticos em SFs isolados pois, caso venham a

falhar, a bateria ou a carga poderao sofrer danos irrevers´ıveis. Eles devem ser projetados

considerando-se as especificidades dos diversos tipos de bateria.

Os controladores devem desconectar o arranjo fotovoltaicoquando a bateria atinge carga

plena e interromper o fornecimento de energia quando o estado de carga da bateria atinge um

nıvel mınimo de seguranca. Alguns controladores tambem monitoram o desempenho doSF(tal

como corrente e tensao de carregamento da bateria ou da carga) e acionam alarmes, quando

ocorre algum problema. Para melhorar o desempenho do controlador de carga, pode-se ainda

acoplar a ele um sensor de temperatura de forma a compensar o efeito da variacao da tempera-

tura nos parametros das baterias.

A estrategia de controle dos controladores de carga comerciais mais utilizados esta baseada

na tensao instantanea nos terminais da bateria, que e comparada a dois limites. Para baterias

chumbo-acido, a 25ºC, no limite superior (2,3 a 2,5 Volts por celula) a bateria sera desconectada

do arranjo por considerar se que, ao atingir este ponto, ela esta completamente carregada. No

limite inferior (1,9 a 2,1 Volts por celula) a carga sera desconectada da bateria, pois neste ponto

considera-se que a bateria esteja descarregada na maxima profundidade.

3.2.6.1 Detalhamento das caracterısticas e funcoes

Os valores de corrente maxima, que deve ser maior do que a maxima corrente de curto-

circuito esperada para o arranjo fotovoltaico, e tensao deoperacao do sistema sao os mınimos

necessarios para se especificar um controlador. Outras caracterısticas desejaveis, mas nem sem-

pre disponıveis nos modelos mais comuns, sao:

• Estrategias de controle especiais (por exemplo PWM).

• Set points ajustaveis: e a denominacao usual para os valores dos parametros que definem

a operacao do controlador de carga e que devem ser determinados para a especificacao do

mesmo.

• Protecao contra corrente reversa: A maioria dos controladores incluem um mecanismo

que impede o fluxo de corrente da bateria para o arranjo fotovoltaico durante a noite.

43

• Desconexao da carga (protecao contra descargas excessivas): Alguns controladores de

carga evitam que a bateria tenha um descarregamento excessivo. Com a opcao de des-

conexao, as cargas que estao sendo alimentadas pelo Sistema Fotovoltaico podem ser

desconectadas para proteger a bateria.

A desconexao pode ser realizada desligando-se as cargas temporariamente ou ativando

indicacao luminosa ou alarmes para alertar o usuario do sistema quanto a baixa tensao

nas baterias. O usuario, entao, desconecta ou desliga as cargas ate que as baterias sejam

recarregadas.

O ponto de desconexao da carga e chamado deLVD, abreviatura da expressao em ingles

Low Voltage Disconnect. Valores tıpicos de profundidade de descarga utilizados para

LVD sao, para baterias de ciclo raso, de 20 a 40% e, para as de ciclo profundo, em torno

de 80%.

• Compensacao termica.

• Alarmes e indicadores visuais.

• Desvio da energia do arranjo: Alguns controladores de carga tem a capacidade de desviar

a energia de um arranjo fotovoltaico para uma carga nao crıtica, quando as baterias estao

completamente carregadas.

• Seguidor de maxima potencia (MPPT).

• Baixo consumo proprio.

• Protecao contra inversao de polaridade.

3.2.7 Inversores

O componente responsavel pela conversao de corrente contınua (CC) em corrente alternada

(CA) e comumente conhecido como ”inversor” ou, mais genericamente, ”conversor CC-CA”.

Este tambem e mencionado na literatura como PCU - Power Conditioning Unit (Unidade Con-

dicionadora de Potencia).

Os inversores usam um mecanismo de chaveamento para alternar o fluxo de corrente entre

as direcoes positiva e negativa. Transistores de potencia, retificadores controlados de silıcio

(SCRs) e, mais recentemente, os IGBTs - Insulated Gats Bipolar Transistors sao tipicamente

usados como chaves semicondutoras.

44

Nos sistemas de potencia elevada, a vantagem de usar um inversor esta no fato de que a

dimensao (secao) dos cabos para interligacao entre longas distancias pode ser reduzida.

Inversores monofasicos sao geralmente adequados para aplicacoes de baixa potencia (ate

5 kW). Acima de 5 kW os inversores trifasicos sao mais comuns. Geralmente a eficiencia do

inversor e mais alta para inversores com baixo auto-consumo e a eficiencia aumenta quando a

tensao de entrada CC cresce.

A escolha de um inversor interfere no desempenho, confiabilidade e custo de um Sistema

Fotovoltaico. Quando estao no circuito, adicionam complexidade ao mesmo mas possuem os

atrativos de facilitar a instalacao eletrica e permitiro uso de acessorios convencionais (TVs,

vıdeos, geladeiras etc).

3.2.7.1 Tipos de inversores

Existem, basicamente, dois tipos de inversores: os comutados pela rede (comutacao natural)

e os autocomutados (comutacao forcada). No primeiro, o processo de inversao e controlado

pela tensao da rede eletrica; no auto-comutado, o controle e realizado pelo proprio inversor. As

tecnologias estao possibilitando que o mesmo inversor possa operar nos dois sentidos, isolado

ou sincronizado a rede.

3.2.7.2 Caracterısticas do inversores

Inversores isolados comumente operam com tensoes de entrada de 12, 24, 48 ou 120 Volts

(CC) que geralmente sao convertidos em 120 ou 240 Volts (CA), na frequencia de 60 ou 50

Hertz.

Para especificar um inversor, e necessario considerar tanto a tensao de entrada CC quanto

a tensao de saıda CA. Alem disso, todas as exigencias quea carga fara ao inversor devem ser

observadas, nao somente em relacao a potencia, mas tambem variacao de tensao, frequencia e

forma de onda.

Os inversores sao dimensionados levando-se em consideraçao basicamente dois fatores.

O primeiro e a potencia eletrica que devera alimentar, em operacao normal, por determinado

perıodo de tempo. O segundo e a potencia de pico necessaria para a partida de motores e outras

cargas, que requerem de duas a sete vezes a potencia nominalpara entrarem em funcionamento.

A tensao de entrada CC e a variacao de tensao aceitavel devem ser especificadas no lado de

entrada do inversor. Algumas caracterısticas que devem ser consideradas na especificacao de

45

um inversor sao apresentadas a seguir:

Forma de onda Os inversores geralmente sao classificados de acordo com o tipo de tensao CA

produzida. A figura 18 ilustra os tres tipos mais comuns de formas de onda: quadrada,

quadrada modificada ou retangular e senoidal. A forma de ondade saıda e uma indicacao

da qualidade e custo do inversor. Ela depende do metodo de conversao e filtragem utili-

zados para suaviza-la e eliminar os harmonicos indesejaveis que resultam do processo de

conversao.

Figura 18: Formas de ondas tıpicas dos inversores monofasicos.

Fonte: Photovoltaic System Technology - An European Handbook

A figura 19 apresenta as caracterısticas de inversores com diferentes formas de onda de

saıda. Nao ha um padrao geral para estabelecer um criterio de desempenho dos inversores.

Por isso e que alguns destes podem fornecer tres vezes a suapotencia nominal para os

surtos, mas sao capazes de operar na potencia de pico somente por pouco mais de meia

hora, sem superaquecimento.

Em geral, todo inversor deve ser dimensionado com uma folga de potencia (10 a 20%)

para aumentar a confiabilidade e sua vida util.

46

Potencia nominal de saıda Indica que potencia o inversor pode fornecer continuamente a carga.

Um inversor deve ser especificado para fornecer uma potencia sempre superior as necessi-

dades maximas das cargas conectadas, de forma a consideraralgum aumento da demanda

de potencia. Por outro lado, para uma melhor eficiencia de operacao, deve-se escolher

uma potencia nominal que seja somente um pouco superior a potencia total necessaria

para alimentar as cargas.

Tensao de entrada Em geral, a tensao de entrada e funcao da potencia totalfornecida pelo

inversor as cargas CA. Normalmente, a tensao nominal de entrada do inversor aumenta

com o aumento da demanda de carga, o que mantem a corrente em nıveis adequados. A

tensao de entrada CC pode ser fornecida por baterias, devendo ser compatıvel com os

requisitos de entrada do inversor. Se a bateria descarrega ea tensao diminui abaixo da

tensao mınima especificada, a maioria dos inversores desliga-se automaticamente.

Tensao de saıda A tensao de saıda da maioria dos inversores e regulada. Ela deve atender as

especificacoes necessarias para alimentar as cargas queserao operadas.

Capacidade de surtoA maioria dos inversores pode exceder sua potencia nominal. Deve-

se determinar as necessidades de surtos para cargas especıficas. Alguns motores CA,

quando acionados, necessitam de uma corrente elevada de partida por um curto perıodo

para entrarem em operacao. Esta corrente de partida para motores de inducao pode atingir

de 3 a 6 vezes a corrente necessaria para operacao contınua.

Frequencia Os aparelhos sao fabricados para operarem em uma frequencia especıfica. Al-

guns tipos de equipamentos necessitam de uma cuidadosa regulagem de frequencia pois

variacoes poderao causar perda do desempenho de relogios e timers eletronicos.

A frequencia do sinal de saıda CA e geralmente 60 ou 50 Hz.

3.2.8 Tipos de sistema fotovoltaico

Um sistema fotovoltaico pode ser classificado em tres categorias distintas: sistemas isolados

(OFF-GRID), conectados a rede (ON-GRID) e os hıbridos, quesao uma uniao dos dois citados

anteriormente. Os sistemas obedecem a uma configuracao básica figura 20 onde o sistema

devera ter uma unidade de controle de potencia e tambem uma unidade de armazenamento.

47

3.2.8.1 Sistemas isolados - OFF GRID

Sistemas isolados figura 21, em geral, utiliza alguma forma de armazenamento de ener-

gia. Este armazenamento pode ser feito atraves de baterias, quando se deseja utilizar apare-

lhos eletricos ou armazena-se na forma de energia gravitacional quando se bombeia agua para

tanques em sistemas de abastecimento. Alguns sistemas isolados nao necessitam de armaze-

namento, o que e o caso da irrigacao onde toda a agua bombeada e diretamente consumida ou

estocada em reservatorios.

Em sistemas que necessitam de armazenamento de energia em baterias, usa-se um disposi-

tivo para controlar a carga e a descarga na bateria. O ”controlador de carga” tem como principal

funcao nao deixar que haja danos na bateria por sobrecarga ou descarga profunda. O controla-

dor de carga e usado em sistemas pequenos onde os aparelhos utilizados sao de baixa tensao e

corrente contınua (CC).

Para alimentacao de equipamentos de corrente alternada (CA) e necessario um inversor.

Este dispositivo geralmente incorpora um seguidor de pontode maxima potencia necessario

para otimizacao da potencia final produzida. Este sistema e usado quando se deseja mais con-

forto na utilizacao de eletrodomesticos convencionais.

3.2.8.2 Sistema conectado a rede eletrica - ON GRID

Estes sistemas utilizam grandes numeros de paineis fotovoltaicos, e nao utilizam armaze-

namento de energia pois toda a geracao e entregue diretamente na rede. Este sistema representa

uma fonte complementar ao sistema eletrico de grande porteao qual esta conectada. Todo o

arranjo e conectado em inversores e logo em seguida guiadosdiretamente na rede. Estes inver-

sores devem satisfazer as exigencias de qualidade e seguranca para que a rede nao seja afetada.

48

Figura 19: Caracterısticas de inversores com diferentes formas de onda

Fonte:Manual de engenharia para sistemas fotovoltaico - Grupo de trabalho de Energia Solar - GTES,2004.

49

Figura 20: Configuracao basica de um sistema fotovoltaico.


Figura 21: Diagrama de sistemas fotovoltaicos OFF GRID


50

Figura 22: Diagrama de sistemas fotovoltaicos ON GRID


51

4 ESTUDO DE CASO

Como o objetivo deste trabalho e mostrar a reducao no consumo de energia em residencias

atraves do uso de fontes alternativas, primeiramente será considerado a instalacao de um sis-

tema solar termico para aquecimento de agua, e complementado o uso de energia alternativas,

sera considerado a instalacao de um sistema solar fotovoltaico “ON-GRID”. Este segundo sis-

tema ira gerar energia eletrica na propria residencia.Esta energia alimentara a rede eletrica

convencional, e como existem limitacoes quanto ao armazenamento de energia eletrica caso

haja excedente de producao em relacao ao consumo, o mesmo sera entregue a concessionaria

de energia eletrica.

4.1 Energia Solar Termica

Segundo estudo realizado pela Green Solar/PUC-Minas em 2008, 6% da energia eletrica

produzida no Brasil e utilizada no aquecimento de agua na residencias conforme mostrado na

figura 23. Este consumo esta baseado nos habito de posse do Brasil, que diz que 78% das

residencias brasileiras utilizam aquecedor eletrico(GREEN/PUC-MINAS, 2008). O mesmo estudo

diz que o maior impacto deste habito e entre os perıodo das18:00 as 20:00, conforme mostrado

na figura 24.

Com bases nos dados mostrados anteriormente conclui-se quepara reduzir o consumo de

energia de uma residencia, deve ser diminuir o consumo de energia utilizado para o aqueci-

mento, sendo que uma das alternativas mais interessante e autilizacao da energia solar termica.

Para estudo de caso, neste trabalho sera utilizado como referencia o consumo de energia de

uma residencia unifamiliar localizada em Ribeirao Pretoonde residem quatro pessoas, conside-

rando a instalacao de uma sistema de aproveitamento da energia solar termica.

Utilizou-se o softwaredimensoldesenvolvido pela PUC-Minas para o dimensionamento do

sistema de aquecimento (SAS) e definicao dos equipamentosa serem utilizados no mesmo. Tal

software utiliza como referencia a norma NBR-15569 publicada pela ABNT em 2008, sendo

52

Figura 23: Aquecimento de agua no setor residencial

Fonte: Aquecimento solar, Tecnologia solar, Projetos Sociais, Etiquetagem - GREEN PUC Minas.

que todos as variaveis presentes no dimensionamento, tiveram como referencia a mesma norma.

O correto dimensionamento de equipamentos a serem utilizados no sistema de aquecimento

solar (SAS), e realizado atraves das seguintes etapas:

A- Definir o volume de consumo para o atendimento:

Vconsumo = Σ(Qpu.Tu.Fuso) (4.1)

Onde:

• Vconsumoe o volume total de agua quente consumido diariamente em metros cubicos

(m3).

• Qpu e a vazao da peca de utilizacao, expressa em metros cubicos(m3).

• Tu e o tempo de uso diario da peca de utilizacao, expresso em segundos(s).

• Fuso e o numero total de utilizacao da peca por dia.

B- Calcular o volume do sistema de armazenamento:

Varmaz =Vconsumo.(Tconsumo−Tambiente)

(Tarmaz−Tambiente)(4.2)

Onde:

53

Figura 24: Impacto do aquecimento de agua no setor eletrico

Fonte: Aquecimento solar, Tecnologia solar, Projetos Sociais, Etiquetagem - GREEN PUC Minas.

• Vconsumoe o volume de consumo diario, em metros cubicos(m3).

• Varmaz e o volume do sistema de armazenamento do SAS, em metros cubicos(m3).

• Tconsumoe a temperatura de consumo de utilizacao, em graus Celsius (°C).

• Tarmaz e a temperatura de armazenamento da agua, em graus Celsius(°C).

• Tambientee a temperatura ambiente media anual do local de instalacao, em graus Cel-

sius (°C).

C- Calcular a demanda de energia util:

Eutil =Varmaz.ρ .Cp.(Tarmaz−Tambiente)

3600(4.3)

Onde:

54

• Eutil e a energia util, expressa em quilowatts hora por dia(kWh/dia).

• Varmaz e o volume do sistema de armazenamento do SAS, em metros cubicos(m3).

• ρ e a massa especıfica da agua igual a 1000, em quilogramas por metros cubicos

( kgm3).

• Cp e a calor especıfico da agua igual a 4,18 em quilojoules porquilograma Kelvin

(K jKg).

• Tarmaz e a temperatura de armazenamento da agua, em graus Celsius(C).

• Tambientee a temperatura ambiente media anual do local de instalacao, em graus Cel-

sius (°C).

D- Calcular a area coletora:

Acoletora=(Eutil +Eperdas).FCinstal.4,901

PMDEE.IG(4.4)

Onde:

• Acoletora e a area coletora, em metros quadrados(m2).

• IG e o valor da irradiacao global media anual para o local dainstalacao, expresso em

quilowatts hora por metro quadrado dia( kW hm2.dia

).

• Eutil e a energia util, em quilowatts hora por dia(kWhdia ).

• Eperdas e o somatorio das perdas termicas dos circuitos e secundário, expresso em

quilowatts hora por dia(kWhdia ), calculado pela soma das perdas ou pela equacao:

Eperdas = 0,15.Eutil (4.5)

55

• PMDEE e a producao media diaria de energia especıficado coletor solar, expressa

em quilowatts hora por metro quadrado(kWhm2 ), calculada atraves da equacao:

PMDEE = 4,901.(Frτα −0,0249.FrUL) (4.6)

Onde:

– Frτα e o coeficiente de ganho do coletor solar (adimensional).

– FrUL e o coeficiente de perdas do coletor solar (adimensional).

• FCInstal e o fator de correcao para inclinacao e orientacao docoletor solar dado pela

equacao:

FCInstal =1

1− [1,2.10−4.(β −βOtimo)2+3,5.10−5.γ2](4.7)

(para 15°< β < 90°)

Onde:

– β e a inclinacao do coletor em relacao ao plano horizontal, em graus (°).

– βOtimo e a inclinacao otima do coletor para o local da instalacao, expressa em

graus (°) (sugere-se que seja adotado o valor do modulo da latitude local + 10°).

– γ e o angulo de orientacao dos coletores solares em relacao ao norte geografico,

expresso em graus (°).

A eficiencia do SAS e a quantidade de equipamentos necessarios para o correto funcio-

namento do mesmo sao influenciados pela posicao geografica e as condicoes climaticas e ne-

cessario entao a definicao anterior do local de instalaçao e a sua posicao geografica, neste estudo

a posicao de instalacao e mostrada na figura 25 que mostra foto aerea do local e sua posicao

geografica a figura 26, mostra o desenho esquematico da residencia em relacao a posicao ge-

ografica.

Apos definido o local da instalacao e a condicoes de uso,o dimensolapresenta a sugestao

dos equipamentos a serem utilizado para garantir o abastecimento de agua quente a ser utilizada

na residencia objeto deste estudo, o relatorio completo em anexo.

• 01 - Reservatorio termico de agua quente de 300L.

56

Figura 25: Foto aerea do local da instalacao.

Fonte: Google Earth, Latitude 21°07′47′′ Longitude 47°44′19′′ atualizada em 20/04/2010.

Figura 26: Posicao da residencia em relacao ao norte geografico.

Fonte: Planta de cobertura da residencia.

57

• 02 - Coletores solares do tipo fechado com 2m2 de area.

4.2 Sistema solar fotovoltaico

Diferentemente do SAS para o dimensionamento do sistema solar fotovoltaico de geracao

de energia nao existe norma brasileira que oriente a instalacao e os parametros do mesmo.

Neste estudo de caso foi utilizado o softwareSunny Designdesenvolvido pela empresaSMA

Solar Technology AG, empresa alema lıder mundial na fabricacao de inversores de frequencia

para sistema fotovoltaico de geracao de energia.

Devido a falta de uma legislacao especıfica brasileira que regulamente o uso de energia

fotovoltaico, todos os sistema conectados a rede eletrica (ON-GRID) existentes no Brasil tem

potencia instalada menor que o consumo da unidade consumidora, evitando assim a geracao de

energia em excesso quando comparado ao consumo desta unidade.

Neste estudo de caso sera considerado a utilizacao de um sistema conectado a rede eletrica

com potencia pico instalada de 1,2 kW. Tal sistema devera ter em media uma geracao menor

do que o consumo medio da residencia mesmo apos a instalaçao do sistema de aquecimento de

agua.

O Sunny Desgintambem utiliza as informacoes de localizacao, inclinacao e orientacao

para calcular a geracao e o aproveitamento do sistema de geracao fotovoltaico, considerando

os mesmo valores utilizados no SAS, mostrados nas figuras 25 efigura 26, a irradiacao solar

na regiao tomada como referencia e mostrada na figura 27 e devera ser composto dos seguintes

componentes:

• 5 - Paineis solares fotovoltaicos de 240W pSuntech Power STP240-24/Vd.

• 1 - Inversor de frequencia Sunny Boy 1200 - SMA.

A figura 28 mostra o layout final do telhado onde serao instalado os dois sistema, bem como

a area disponıvel e area utilizada.

4.3 Calculo do novo consumo de energia eletrica.

Baseado na nota fiscal fatura de energia, considerando os ultimos treze meses, o consumo

medio mensal de energia eletrica nesta residencia e de 266,38 kWh, como mostrada na tabela

3. Deste consumo serao retirados os gastos de energia referente ao uso de energia eletrica para

58

Figura 27: Insolacao media na cidade de Ribeirao Preto.

Fonte:Potencial Energetico Solar - Sundata (CRESESB, 2011)

59

Figura 28: Esquema de montagem dos paineis no telhado.

Fonte: Propria.

aquecimento de agua supridos pelo SAS e a co-geracao de energia eletrica gerada pelo SF,

obtendo se assim o novo consumo energetico medio da residência. Para este calculo utilizou se

os valores apresentado nos relatorios apresentados pelosdois software utilizados.

Tabela 3: Consumo de energia na residencia nos ultimos treze meses

Mes Consumo Mes Consumo

ago/10 281 mar/11 284set/10 234 abr/11 248out/10 249 mai/11 286nov/10 285 jun/11 248dez/10 290 jul/11 236jan/11 271 ago/11 248fev/11 303 Media 266,38

O dimensolalem de dimensionar o SAS, tambem informa o consumo medioanterior de

energia e o novo medio consumo apos a utilizacao da energia solar na residencia. A figura 29

mostra esta reducao no consumo de energia e tambem o novo valor da conta de energia eletrica

utilizando como base o custo da energia mostrado na figura 33.

A incidencia solar varia ao longo do ano, portanto a eficiencia na conversao de energia

60

Figura 29: Comparacao no consumo de energia com e sem SAS média anual.

Fonte: Dimensol.

do SAS nao e constante. Utilizando a disponibilidade de energia mostrado na figura 27 a

economica gerada utilizacao do SAS e apresentada emkWh, como mostra a figura 30.

Segundo oSunny Design, a geracao media anual deste sistema sera de 1521,50 kWh, sendo

que a media mensal sera de 126,79 kWh, assim como o aproveitamento do SAS e alterado

devido a variacoes de incidencia solar ao longo do ano, tal efeito tambem acontece no SF, e

consequentemente a geracao de energia tambem varia ao longo do ano a figura 31 mostra a

geracao de energia em cada mes do ano.

Considerando os dados anteriores mostrados na tabela 3 e nasfiguras 30 e 31, calcula se o

novo consumo de energia projetado para esta residencia atraves da equacao a 4.9. Considerando

a media anual, ja a figura 32 mostra o novo consumo em cada mes do ano.

Nconsumo ≈ Aconsumo−EcSAS−GSF (4.8)

Nconsumo ≈ 265,17−105,60−127,21

Nconsumo ≈ 32,36kwh

Onde:

• Nconsumoe o novo consumo medio aproximado.

• Aconsumoe o antigo consumo medio

61

Figura 30: Producao de energia pelo SAS ao longo dos meses do ano.

Fonte: Propria.

Figura 31: Producao de energia eletrica pelo SF ao longo dos meses do ano.

Fonte: Propria.

62

• EcSASe a economia gerada pelo o uso do SAS.

• GSF e a energia gerada pelo sistema fotovoltaico.

Figura 32: Novo consumo de energia projetado em cada mes do ano

Fonte: Propria.

Este novo consumo medio representa apenas 12,20% do consumo medio anterior mostrando

uma economia real aproximada de 87,80% no consumo de energiada residencia apresentada

neste estudo de caso, o que evidencias uma reducao consideravel no consumo medio de energia

eletrica na residencia, segundo as tarifas autorizadas pela ANEEL mostradas na figura 33. O

novo valor da nota de energia seria em media R$15,81, inclu´ıdos os tributos e taxas incidentes

sobre o valor da energia eletrica.

4.4 Custos de implantacao e prazo de retorno do investimento.

A implantacao do dois sistemas de captacao de energia solar, tem um investimento total

de R$ 18.443,00, conforme orcamento obtido junto a empresaque atua neste ramo de negocio

como mostrado na figura 34.

Considerando as tarifas de energia praticadas na regiao conforme mostrada na figura 33 e

o novo consumo, conforme equacao 4.9, foi possıvel calcular o valor da nova conta de energia

eletrica da residencia. Com base no exposto pode ser determinar qual o prazo para retorno do

investimento na instalacao de cada sistema individualmente.

63

Figura 33: Tarifas para o fornecimento de energia eletrica.

Fonte: Resolucao 1.130 ANEEL de 05/04/2011.

A figura 35 mostra os valores para a instalacao do SAS e as premissas consideradas no

calculo do retorno e a figura 36 mostra o grafico da evolucao deste investimento ao longo do

tempo, onde pode se notar que o retorno se dara em 72 meses. Ouseja, em aproximadamente

em 6 anos o valor investido para a instalacao do SAS sera totalmente liquidado apenas com a

economia gerada pelo seu uso.

Ja figura 371 e relativa aos valores para a instalacao do SF e os indicadores utilizados no

calculo do retorno e o grafico da evolucao deste investimento ao longo do tempo sao mostrados

na figura 36, onde pode se notar que o retorno se dara em aproximadamente em 12 anos e o

valor investido na instalacao do SF sera totalmente liquidado apenas com a economia gerada

pela sua instalacao.

1Os calculos referentes ao retorno do investimento do SAS foram realizados pelos proprio softwareDimensolcom base nas normas existentes no paıs, no caso FV nao existem normas especificas, oSunny Designsomentecalcula o rendimento do sistema, portanto nao houve um estudo detalho do retorno do investimento para estessistema.

64

Figura 34: Orcamento referente a instalacao dos sistemade aproveitamento de energia solar.

Fonte: Blue Sol Energia Solar em 26/09/2011.

65

Figura 35: Calculo do investimento na instalacao do SAS

Fonte: Relatorio Dimensol

Figura 36: Grafico retorno do investimento na instalacaodo SAS

Fonte: Relatorio Dimensol

66

Figura 37: Calculo do investimento na instalacao do SF

Fonte: Propria

Figura 38: Grafico retorno do investimento na instalacaodo SF

Fonte: Propria

67

5 CONCLUSAO

Anualmente, o Sol irradia o equivalente a 10.000 vezes a energia consumida pela populacao

mundial neste mesmo perıodo. O Sol produz continuamente cerca de 390 sextilhoes de qui-

lowatts de potencia. Para cada metro quadrado de coletor solar instalado evita-se a inundacao

de 56 metros quadrados de terras ferteis (DEPENDENTES. . ., 2011), na construcao de novas usi-

nas hidreletricas.

A Energia Solar soma caracterısticas vantajosamente positivas para o sistema ambiental,

pois o Sol, trabalhando como um imenso reator a fusao, irradia na terra todos os dias um po-

tencial energetico extremamente elevado e incomparavela qualquer outro sistema de energia,

sendo a fonte basica e indispensavel para praticamente todas as fontes energeticas utilizadas

pelo homem.

Nos dias atuais muito se tem falado na emissao de carbono, que contribui para o efeito

estufa, que aumenta os ındices de poluicao e eleva a temperatura media do planeta, quando

em funcionamento a energia solar nao emite carbono e o que foi emitido durante a producao

dos materiais a utilizados nos sistema sao compensando pela longa vida util dos sistemas. Isso

demonstra as maiores vantagens e benefıcios do uso da energia solar tanto termica quanto foto-

voltaica e os aspectos ambientais,

Para enfrentarmos os desafios do novo milenio e a escassez deenergia, a solar e uma das

alternativas energeticas mais promissoras, pois o sol e fonte de energia renovavel, permanente

e abundante. Em areas afastadas e nao eletrificadas, a energia solar e a solucao ideal, especial-

mente no Brasil onde ha bons ındices de insolacao em todaparte do territorio.

Este estudo possibilitou verificar a viabilidade tecnica eeconomica do uso de energia solar

termica e fotovoltaica em residencia para a reducao do consumo.

Com base nos dispostos apresentado concluiu-se que quando levado em consideracao a

reducao do consumo, este estudo pode ser considerado viavel, uma vez que apos a sua aplicacao

na residencia houve uma reducao consideravel no consumo de energia eletrica, podendo alcancar

85% do consumo mensal da residencia.

68

Para o sistema eletrico nacional a aplicacao dos sistemas descritos neste estudo tambem

traria um impacto positivo. Caso fosse aplicado em grande escala, o consumo de energia no

horario de pico das 18:00 as 21:00 hs teria uma diminuicao consideravel devido a substituicao

dos chuveiros eletricos, tao comum em nosso paıs, por sistemas de aquecimento solar. E du-

rante o dia a energia gerada nas residencias pelos sistemasfotovoltaico e nao utilizada naquele

instante pela propria residencia seria disponibilizadapara o uso nas industrias e no comercio lo-

cal diminuindo a necessidade de novos investimentos na geracao, transmissao e distribuicao de

energia eletrica, o que evitaria a desapropriacao de terras, derrubadas de florestas e inundacoes

de grande areas.

Quanto a viabilidade financeira nao se pode afirmar que o projeto seja totalmente viavel,

uma vez que o custo inicial da instalacao de ambos os sistemas e relativamente alto, e a

amortizacao ao longo do tempo e demorada, aproximadamente 12 anos. Porem, caso houvesse

alguma forma de incentivo governamental para estas aplicaçoes, diminuindo a carga tributaria

sobre os equipamentos que compoe o sistema ou na criacao de linhas de credito especıfica para

a populacao mais carente, este estudo mostra que para uma famılia o impacto causado pela

aplicacao deste projeto e grande, podendo reduzir uma conta de energia que antes seria em

torno de R$ 120,00 para aproximadamente R$15,00.

Em linhas gerais conclui-se que este estudo mostrou se viavel, quando aplicado em re-

sidencias de baixa renda que nao buscariam na co-geracao lucro para a famılia, e sim um au-

mento na renda lıquida do bravo povo brasileiro, que tem nascontas de consumo mensal um

grande peso em seu orcamento domestico.

69

REFERENCIAS

ABNT. NBR-15569. [S.l.]: Sistema de aquecimento solar de agua em circuito direto - Projeto einstalacao, 2008.

ABRAVA. Curso de Capacitacao em Aquecimento Solar. [S.l.]: Projeto Sol Brasil, 2008.

ANEEL. In: BANCO de Informacoes de Geracao. Brasılia:Capacidade de Geracao do Brasil, 2011. Disponıvel em:<http://www.aneel.gov.br/aplicacoes/capacidadebrasil/capacidadebrasil.asp>. Acessoem: 19 Junho. 2011.

ATMOSPHERIC Science Data Center. In: SURFACE meteorology and Solar Energy- Location. Houston: NASA, 2011. Disponıvel em:<http://eosweb.larc.nasa.gov/cgi-bin/sse/[email protected]>. Acesso em: 22 Abril. 2011.

CALVETE, M. J.; CARVALHO, E. F. Celulas solares: Um passado, um presente...um futuroauspicioso.Revista Virtual de Quımica, 2010.

CRESESB. In: CENTRO de Referencia para Energia Solar e Eolica Sergiode Salvo Brito. Rio de Janeiro: Eletrobras - CEPEL, 2011. Disponıvel em:<http://www.cresesb.cepel.br/index.php?link=/principal.php>. Acesso em: 12 abril.2011.

DEPENDENTES.ORG. In: ENERGIA Solar. Sao Paulo: [s.n.], 2011. Disponıvel em:<http://www.dependedenos.org.br/docs/dicas20Solar.pdf>. Acesso em: 21 Outubro. 2011.

DUNLOP, J. P.Photovoltaic Systems. Orland Park, Illinois: American Technical Publishers,INC, 2010.

ENERGIA Solar. In: VAMOS Calcular um Aquecedor Solar deAgua? Joao Pessoa: ArnaldoBezerra, 2011. Disponıvel em:<http://www.apolo11.com/latlon.php>. Acesso em: 22 Abril.2011.

EWING, R. A.; PRATT, D.Got Sun? Go Solar - Get Free Renewable energy to power yourGrid-Tied Home. [S.l.]: Pixy Jack Press, LLC, 2005.

FUJIHARA, M. A. Sustentabilidade e mudancas climaticas - Guia para o amanha. [S.l.]:Editora SENAC Sao Paulo, 2009.

GOLDEMBERG, J.Energia no Brasil. [S.l.]: Livros Tecnicos e Cientıficos Editora, 1979.

GORE, A.Our Choice - A plan to solve the Climates Crisis. [S.l.]: Rodale, 2007.

GOUVELLO, C. de; MAIGNE, Y.Eletrificacao Rural Descentralizada - Uma oportunidadepara a humanidade, tecnicas para o planeta. [S.l.]: Wiley, 2003.

70

GREEM, M. A. et al.Progress in Photovoltaics - Research and Aplications. [S.l.]: Wiley,2009.

GREEN/PUC-MINAS.Aquecimento Solar, Tecnologia Solar, Projetos Sociais, Etiquetagem.[S.l.]: Centro Brasileiro para Desenvolvimento da EnergiaSolar Termica, 2008.

GTES.Manual de Engenharia para Sistemas fotovoltaicos. [S.l.]: Centro de Referencia paraEnergia Solar e Eolica Sergio de Salvo Brito - CRESESB / Centro de Pesquisas de EnergiaEletrica - CEPEL, 2008.

INMETRO. In: PROGRAMA Brasileiro de Etiquetagem. Sao Paulo: SIS-TEMAS E EQUIPAMENTOS PARA AQUECIMENTO SOLAR DEAGUA- COLETORES SOLARES - EDICAO 07/2011, 2011. Disponıvel em:<http://www.inmetro.gov.br/consumidor/pbe/ColetoresSolares-banho.pdf>. Acessoem: 31 Julho. 2011.

INTERNATIONAL, S. E. Photovoltaics Design and Installation Manual. P.O. Box 189,Gabriola Island, BC V0R 1X0, Canada: New Society Publisher,2008.

LABORAToRIO de Energia Solar. In: GESTE - PROMEC. Porto Alegre: Escola deEngenharia da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, 2011. Disponıvel em:<http://www.solar.ufrgs.br/>. Acesso em: 22 Abril. 2011.

LEONELLI, P. As fontes renovaveis de energia no mundo. o papel das fontes renovaveis namatriz energetica brasileira. cenarios para o futuro. In: Coloquio 2010-2010: Uma decadapromissora para o Brasil?[S.l.: s.n.].

LUIZ, A. M. Como aproveitar a Energia Solar. [S.l.]: Editora Edgar Blucher Ltda, 1985.

MORAES, A. M. de.Aplicacoes da tecnologia solar fotovoltaica no Estado do Piauı:barreiras e potencialidades. Dissertacao (Mestrado) — Universidade Federal do ABC, 2009.

ORDENES, M. et al. The impact of building-integrated photovoltaics on the energy demand ofmulti-family dwellings in brazil.Science Direct - Energy and Buildings, 2007.

PALZ, W. Energia Solar e fontes alternativas. [S.l.]: Hemus Livraria Editora Limitada, 1981.

PINTO, E. P. M. F. T.Curso: Energia Solar Fotovoltaica. [S.l.]: Sociedade do Sol, 2010.

PROGRAMME, U. N. E.; LTD., N. E. F.Global Trends in Sustainable Energy Investment2008. [S.l.]: Analysis of Trends and Issues in the Financing of Renewable Energy and EnergyEf?ciency, 2008.

QUASCHNING, V.Understanding renewable energy sytems. [S.l.]: Earthscan, 2005.

REIS, L. B. do.Geracao de Energia Eletrica Tecnologia, Insercao Ambiental, Planejamento,Operacao e Analise de Viabilidade.[S.l.]: Manole, 2003.

TIBA, C. Atlas Solarmetrico do Brasil. [S.l.]: Centro de Pesquisas em Fontes Alternativas deEnergia - Depto de Energia Nuclear UFPE, 2001.

UNICAMP. In: CLIMA dos Municıpios Paulistas. Campinas: CEPAGRI, 2011.

71

VEJA o mundo com outros olhos. In: LATITUDE e Longitude das cidades Brasileiras. SaoPaulo: Apolo 11.com, 2011. Disponıvel em:<http://www.apolo11.com/latlon.php>. Acessoem: 22 Abril. 2011.

WALISIEWICZ, M. Energia alternativa. [S.l.]: Publifolha, 2007.

72

ANEXO A -- RELAT ORIO - SOFTWARE DIMENSOL

80

ANEXO B -- RELAT ORIO - SOFTWARE SUNNY DESGIN

Documents

ESTUDO DA VIABILIDADE TÉCNICA DA UTILIZAÇÃO DA ENERGIA SOLAR TÉRMICA E FOTOVOLTAICA EM RESIDÊNCIAS