Painel Fotovoltaico de Baixo Custo

7/26/2019 Painel Fotovoltaico de Baixo Custo

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PAINEL FOTOVOLTAICO DE BAIXO CUSTO

Jaqueline de Oliveira Gama

Projeto de Graduao apresentado ao Curso

de Engenharia Eltrica da EscolaPolitcnica, Universidade Federal do Rio deJaneiro, como parte dos requisitosnecessrios obteno do ttulo deEngenheiro.

RIO DE JANEIRO

FEVEREIRO DE 2014


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PAINEL FOTOVOLTAICO DE BAIXO CUSTO

Jaqueline de Oliveira Gama

PROJETO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DEENGENHARIA ELTRICA DA ESCOLA POLITCNICA DA UNIVERSIDADEFEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS

NECESSRIOS PARA A OBTENO DO GRAU DE ENGENHEIRO

ELETRICISTA.

Examinada por:

__________________________________

Prof. Jorge Luiz do Nascimento, Dr. Eng.

(Orientador)

__________________________________

Prof. Sergio Sami Hazan, Ph.D

__________________________________

Jlio Csar Ferreira de Carvalho, M. Sc

RIO DE JANEIRO, RJBRASIL

FEVEREIRO DE 2014


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Gama, Jaqueline de Oliveira

Painel Fotovoltaico de Baixo Custo/ Jaqueline de Oliveira Gama. Rio de Janeiro: UFRJ/ Escola Politcnica, 2014.

xii, 66 p.:Il.; 29,7 cm.

Orientador: Jorge Luiz do Nascimento

Projeto de Graduao UFRJ/ Escola Politcnica/ Curso de

Engenharia Eltrica, 2014.

Referncias Bibliogrficas: p.63-66

1. Gerao de Energia Solar Fotovoltaica. I. Nascimento, Jorge Luizdo. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politcnica,Curso de Engenharia Eltrica. III. Ttulo.


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iv

AGRADECIMENTOS

Agradeo primeiramente a Deus, por ter me abenoado em toda minha trajetria

e me dado fora em todos os momentos. E a Nossa Senhora que intercedeu por mim em

todas as horas.

Aos meus pais, dedico todo esse trabalho, por sonharem comigo e terem feito o

possvel e o impossvel para que pudesse chegar at aqui. Sem vocs nada disso seria

possvel. Obrigada pelo amor incondicional, apoio, compreenso e pacincia em todos

os momentos. minha irm, pela parceria nessa jornada e na vida. Obrigada pelas palavras de

incentivo e pelo apoio, inclusive na reviso deste trabalho.

Ao meu orientador Jorge Luiz, pelo carinho e pacincia com que sempre

buscava conduzir o projeto, mostrando sempre sua experincia com simplicidade.

Lembrarei com saudade das conversas e conselhos.

Aos professores do Departamento de Engenharia Eltrica pela dedicao com

que transmitem seu conhecimento. E aos demais funcionrios, sempre atenciosos para

resolver os nossos problemas.

Dedico tambm aos meus queridos amigos, que me acompanharam e

incentivaram durante todo curso. O carinho de vocs foi fundamental.

Entrega teu caminho ao Senhor, confia Nele e Ele o far. Sl 37,5


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RESUMO

A necessidade de tornar a matriz energtica mais limpa tem impulsionado o

desenvolvimento das fontes alternativas. A obteno de energia de forma sustentvel

um dos benefcios deste tipo de gerao, no entanto altos custos, em alguns casos, so

empecilhos para o aumento da participao como fonte de energia eltrica.

A energia solar fotovoltaica ainda possui custo de gerao bastante alto, em

relao a tipos convencionais, devido principalmente ao preo dos painis solares. Isto

porque o processo de manufatura dos mesmos ainda bastante alto, embora estmulos

para utilizao de energia fotovoltaica venham contribuindo para a reduo nestes

custos.

No presente trabalho apresentado o processo de fabricao do painel

fotovoltaico comercial e mostra a montagem sustentvel de um mdulo com o objetivo

de reduzir os custos do mesmo. Ao fim so apresentados os resultados dos ensaios que

comprovam que o prottipo apresenta caractersticas compatveis com os mdulos

tradicionais.

Palavras-chave: Energia, Solar, Fotovoltaica, Fontes Renovveis, Gerao de Energia.


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vi

ABSTRACT

The need to make the cleanest energy matrix has driven the development of

alternative sources. Obtaining energy sustainably is one of the benefits of this type of

generation, however high costs in some cases are obstacles to increased participation as

a source of electricity.

Solar PV still has fairly high cost of generation compared to conventional types,

mainly due to the price of solar panels. This is because the process of their manufacture

is still quite high, although incentives for use of photovoltaic energy will contribute to

reducing these costs.

In this paper we present the manufacturing process of commercial photovoltaic

panel and shows the sustainable mount a module in order to reduce its cost. After the

test results that demonstrate that the prototype features compatible with the features

traditional modules are presented.

Keywords: Energy, Solar, Photovoltaic, Renewable Source, Energy generation.


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vii

No, no pares! graa divina comear bem.Graa maior prosseguir na caminhada certa, mantero ritmo... Mas a graa das graas no desistir,

podendo ou no, embora aos pedaos chegar at ofim!

DOM HLDER CMARA


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SUMRIO

1INTRODUO........................................................................................................................ 1

1.1 Objetivo.................................................................................................................................. 2

2 PANORAMA DAS FONTES RENOVVEIS....................................................................... 4

2.1 FONTES RENOVVEIS..................................................................................................... 4

2.1.1Biomassa e Biogs............................................................................................................... 4

2.1.2 Pequenas Centrais Hidroeltricas (PCH)......................................................................... 6

2.1.3Energia Elica..................................................................................................................... 8

2.1.4 Energia Solar...................................................................................................................... 9

2.1.4.1Energia Termo Solar....................................................................................................... 10

2.1.4.2Energia Fotovoltaica....................................................................................................... 11

2.2Fontes Renovveis: incentivos para expanso.................................................................. 12

3ENERGIA SOLAR: HISTRIA E ESTADO DA ARTE.................................................. 19

4 CARACTERSTICAS DA CLULA FOTOVOLTAICA................................................. 22

4.1 Estrutura Atmica.............................................................................................................. 22

4.2 Modelo da Clula Fotovoltaica........................................................................................... 28

5 MOTIVAO E PROPOSTA PARA REDUO DE CUSTOS..................................... 33

5.1 Desenvolvimento Tcnico................................................................................................... 40

5.1.1Localizao da instalao.................................................................................................. 41

5.1.2 Clculo do consumo de carga............................................................................................ 42

5.1.3Especificaes do Sistema Fotovoltaico............................................................................ 42

5.2Proposta................................................................................................................................ 47

5.3Ensaios.................................................................................................................................. 49

6PAINEL CONVENCIONAL E PROTTIPO.................................................................... 53

7 CONCLUSO ....................................................................................................................... 60

REFERNCIA ......................................................................................................................... 62


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NDICE DE FIGURAS

Figura 2.1-Sistema de converso em usina termeltrica biomassa [2] ....................................... 5

Figura 2.2 Sistema de converso do biogs [1] ............................................................................. 6

Figura 2.3 Sistema de PCH [4]...................................................................................................... 7

Figura 2.4 Evoluo global da capacidade instalada de painis fotovoltaicos entre 2000-2012[44] .............................................................................................................................................. 15

Figura 2.5 Crescimento da Matriz Energtica brasileira no perodo de 2010 a 2020 [10] .......... 17

Figura 3.1 Gerald Pearson, Daryl Chapin, Calvin Fuller e a primeira clula solar, no Bell ....... 20

Figura 4.1 - Ligao covalente composta por semicondutores [13] ............................................ 23

Figura 4.2 Retculo cristalino formado pelo silcio [13] ............................................................. 23

Figura 4.3 Semicondutor. A lacuna de energia entre a banda de valncia cheia e a de conduo muito pequena, de modo que alguns eltrons podem ser excitados nas temperaturas ambientesat a banda de conduo, deixando buracos na banda de valncia. [Elaborao Prpria] .......... 24

Figura 4.4 - Sensibilidade ao Espectro de Luz [14] .................................................................... 25

Figura 4.5 - Diagrama representando um conjunto de tomos de silcio, e uma impurezapentavalente central, gerando um eltron livre. [Elaborao Prpria] ........................................ 26

Figura 4.6 - Diagrama representando um conjunto de tomos de silcio, apresentando um tomo

central trivalente, gerando uma lacuna na rede. .......................................................................... 27

Figura 4.7 - Clula fotovoltaica elementar [Elaborao Prpria] ................................................ 27

Figura 4.8 - Caracterstica I-V da clula de um diodo de silcio [Elaborao Prpria]............... 27

Figura 4.9 - Clula fotovoltaica e modelo equivalente ideal alimentando uma carga Z ............. 27

Figura 4.10 Efeito da intensidade luminosa na curva I-V [16] ................................................... 30

Figura 4.11 Influncia da resistncia em paralelo (Rp) na curva I-V [36] .................................. 32

Figura 4.12Influncia da resistncia em srie (Rs) na curva I-V [36]............................... 32Figura 4.13 Influncia da resistncia em paralelo (Rp) na curva I-V [36] .................................. 32

Figura 5.1Grfico da evoluo dos preos do Mdulo Fotovoltaico no perodo de 2001 a 2011[37] .............................................................................................................................................. 38

Figura 5.2Grfico da evoluo de preos de Mdulos e Sistemas fotovoltaicos no perodo de2001 a 20115 [37] ........................................................................................................................ 38

Figura 5.3 Sistemas Fotovoltaico para configurao isolada [43] .............................................. 40

Figura 5.4 Curva de Consumo da Carga durante o ano [39] ....................................................... 40


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x

Figura 5.5 Diagrama de blocos e conexes de ensaio conforme norma IEC 904-3 [42] ............ 50

Figura 6.1 Soldagem automtica [17] ......................................................................................... 54

Figura 6.2 (a) Terminal positivo da clula. (b) Terminal negativo da clula [Elaborao Prpria]..................................................................................................................................................... 56

Figura 6.3 Processo de soldagem de clula fotovoltaica [Elaborao Prpria]........................... 57

Figura 6.4 Camada posterior j soldada [Elaborao Prpria] .................................................... 57

Figura 6.5 Interligao entre parte frontal e posterior, soldadas [Elaborao Prpria] ............... 58

Figura 6.6 Clulas Interligadas em srie [Elaborao Prpria] ................................................... 59


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NDICE DE TABELAS

Tabela 2.1 - Evoluo da Produo de Energia Eltrica a partir de Fontes Renovveis na UE .. 14

Tabela 2.2 - Evoluo da Produo de Energia Eltrica a partir de Fontes Renovveis no Brasil..................................................................................................................................................... 14

Tabela 2.3 Participao das Fontes de Gerao no Brasil (%) .................................................... 18

Tabela 5.1 - Custo de investimento em sistemas fotovoltaicos - Referncia Internacional(US$/kWp) .................................................................................................................................. 34

Tabela 5.2 - Eficincia Tpica dos mdulos comerciais .............................................................. 34

Tabela 5.3Indicativo de preos para sistemas instalados em 2011 (US$/W) [8] ................... 37

Tabela 5.4Valores tpicos de implantao de usinas geradoras de energia ............................. 39

Tabela 5.5 - Radiao mdia diria na regio do Rio de Janeiro (Santa Cruz) [38] ................... 41

Tabela 5.6 - Consumo mensal de energia em kWh na residncia [39] ....................................... 42

Tabela 5.7 - Especificaes da Bateria Selecionada ................................................................... 44

Tabela 5.8 - Especificaes do Mdulo ...................................................................................... 45

Tabela 5.9 - Especificaes do Inversor ..................................................................................... 46

Tabela 5.10 - Especificao Controlador de Carga ..................................................................... 46

Tabela 5.11 - Oramento do Sistema Fotovoltaico ..................................................................... 47

Tabela 5.12 - Comparao de custo entre as alternativas de prottipo ....................................... 48

Tabela 5.13 - Oramento do Sistema Fotovoltaico com mdulos alternativos ........................... 49


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SIMBOLOGIA

I0 Corrente de saturao do diodo

ICC Corrente de Curto-circuito

ID Corrente de Descarga

IL Corrente de Carga

IOC Corrente a Vazio

k Constante de Boltzmann (k=1,38x10-23 m2kgs-2K-1)

m Fator de idealidade do diodo (diodo ideal: m = 1; diodo real: m>1);

MPPT Maximum Power Point

q Carga do eltron (q=1,6x10- C)

RP Resistncia em paralelo

RS Resistncia em srie

T Temperatura absoluta da clula em K (0oC = 273,15K)

V Tenso aos terminais da clula

VOC Tenso a Vazio

VT Potencial trmico VT= KT/q


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1

1 INTRODUO

Nas ltimas dcadas a extensa utilizao de combustveis fsseis como fonte

energtica tem sido questionada, seja pela caracterstica no renovvel, o que

encaminha escassez em longo prazo ou pela questo ambiental a que este tipo de fonte

vem sendo associado. A necessidade de buscar outras solues para compor e

diversificar a matriz energtica mundial levou ao aumento pela pesquisa e

desenvolvimento das fontes alternativas. O desafio, no entanto, foi tornar tais

tecnologias a preo competitivo no mercado, de tal sorte que pudessem efetivamente

ganhar espao na matriz energtica como fonte de gerao de energia eltrica e assim

torn-la mais limpa.

Nesse contexto, ocorreu o desenvolvimento da energia solar fotovoltaica. O

domnio sobre a gerao de energia atravs da radiao solar, j era conhecido h

bastante tempo, contudo, o alto custo para fabricao da clula e sua baixa eficincia,

impediam que este tipo de energia fosse realmente vivel. No entanto, os incentivos

governamentais contriburam para o aumento da produo de painis, o que afetou

positivamente o custo da fabricao dos mesmos. Em decorrncia disso, houve uma

expanso nas reas de pesquisa em energia fotovoltaica, que contribuiu para o

surgimento de outros tipos de clulas, com menor custo, porm com menor eficincia,

na tentativa de torna a energia fotovoltaica mais competitiva. Hoje j possvel

encontrar clulas com valor de cerca de US$2,00/W, comparado aos preos da dcada

de 1950, que segundo a U.S Energy Information Administration, de aproximadamente

US$80/W, que mostra que o avano da gerao por energia solar contribuiu para a

diminuio dos custos de fabricao.


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2

Os painis fotovoltaicos podem ser utilizados conectados rede ou em sistemas

isolados. No entanto esse ltimo o mais aplicado, porque embora seja alto seu custo de

instalao, mostra-se vantajoso comparado aos custos da extenso das redes, por em

geral serem aplicados em regies de difcil acesso para instalao e manuteno de

linhas de transmisso.

1.1Objetivo

O presente trabalho tem por objetivo discutir sobre os progressos e obstculos

para a aplicao dos mdulos fotovoltaicos. A partir da anlise do desenvolvimento das

fontes renovveis, percebe-se que a energia solar fotovoltaica ainda no apresenta a

expanso compatvel com sua capacidade de explorao. Isso porque o custo da

implantao do sistema ainda elevado principalmente dos mdulos fotovoltaicos

se comparado s demais renovveis. Em vista disso, buscou-se uma alternativa de

reduo de custo, focando no principal gargalo para implantao do sistema, o painel

fotovoltaico. Para isso foi desenvolvido um mdulo fotovoltaico utilizando clulas de

silcio por apresentar maior rendimento porm propondo possvel uma possvel

reduo de custos do processo atravs de substituies de itens da fabricao por

materiais reutilizados. Dessa forma, tambm poderiam ser fabricados por comunidades

carentes como forma de gerao de renda e disseminao da tecnologia.

No Captulo 2, apresenta-se um panorama das fontes alternativas mostrando suas

vantagens e desvantagens; e o motivo do crescimento de desenvolvimento comparando

com a energia solar. No Captulo 3 mostra-se evoluo das clulas fotovoltaicas,

expondo os motivos que levaram reduo de custo.


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3

No Captulo 4 h a descrio da modelagem da clula solar, mostrando as curvas

caractersticas e os parmetros da mesma. J no Captulo 5 apresenta-se o prottipo do

painel fotovoltaico sustentvel, com os ensaios realizados e onde se expe uma

comparao entre um sistema fotovoltaico orado com painel convencional e outro com

o painel sustentvel, enfocando suas vantagens e desvantagens. E no Captulo 6

apresentado o processo de fabricao do painel fotovoltaico de baixo custo.


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4

2 PANORAMA DAS FONTES RENOVVEIS

Os recursos utilizados para gerao de energia podem ser classificados de duas

formas: no renovveis, onde se enquadram aqueles que apresentam risco de extino

ou so consumidos com maior rapidez do que a natureza consegue rep-los, como no

caso dos materiais radioativos e do petrleo, com seus derivados. No outro grupo se

enquadram os recursos renovveis cuja utilizao no agride ao meio ambiente e a

matria prima inesgotvel, neste grupo esto sol, vento, gua, material orgnico.

Dentre as principais fontes capazes de gerar energia eltrica destacam-se:

2.1 Fontes Alternativas

2.1.1 Biomassa e Biogs

A biomassa obtida pelo processamento dos resduos das plantaes de soja,

arroz, milho ou cana-de-acar. Qualquer matria orgnica que possa ser transformada

em energia mecnica, trmica ou eltrica classificada como biomassa. De acordo com

a origem pode ser: florestal (madeira, principalmente), agrcola (soja, arroz e cana de

acar, entre outras) e rejeitos urbanos e industriais (slidos, como o lixo) que so

armazenados nos ptios de biomassa onde passam por um processo de triturao e

secagem como mostra aFigura 2.1.Em seguidaso levados a caldeira onde sua queima

gerar energia mecnica suficiente para acionar a turbina do gerador e produzir energia

eltrica.


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5

Figura 2.1-Sistema de converso em usina termeltrica biomassa [2]

Um dos processos mais comuns de obteno de biomassa o biogs, uma

mistura resultante da fermentao anaerbia de material orgnico encontrado em

resduos animais e vegetais, lodo de esgoto, lixo ou efluentes industriais, como vinhaa

(resduo pastoso resultante da destilao da cana-de-acar), restos de matadouros,

curtumes e fbricas de alimentos. No caso do biogs a energia qumica contida em suas

molculas convertida em energia mecnica por um processo de combusto controlada

na estao de compresso e queimador. Essa energia mecnica ativa um gerador que a

converte em energia eltrica conforme ilustrado naFigura 2.2.


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Figura 2.2 Sistema de converso do biogs [1]

Vantagens:

Pode ser produzido em meios rurais, em que pode contribuir para reduo com

custo de energia eltrica das mesmas.

Reduo da emisso dos gases de efeito estufa.

Desvantagens:

A quantidade de energia produzida no constante, no podendo ser utilizadacomo principal fonte de energia.

Alto perodo para recuperao do investimento.

2.1.2 Pequenas Centrais Hidroeltricas (PCH)

De acordo com a ANEEL [2], PCH (Pequena Central Hidreltrica) toda usina

hidreltrica de pequeno porte cuja capacidade instalada seja superior a 1 MW e inferior

a 30 MW. Alm disso, a rea do reservatrio deve ser inferior a 3 km [4].

Uma PCH tpica normalmente opera a fio d'gua, isto , no possui reservatrio.

Com isso, em ocasies de estiagem a vazo disponvel pode ser menor que a capacidade

das turbinas, causando ociosidade. Em outras situaes, as vazes so maiores que a


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capacidade de turbinar das mquinas, permitindo a passagem da gua pelo vertedouro.

Por esse motivo, o custo da energia eltrica produzida pelas PCHs maior que o de uma

Usina Hidreltrica de Energia (UHE), onde o reservatrio pode ser operado de forma a

diminuir a ociosidade ou os desperdcios de gua.

Entretanto as PCHs so instalaes que resultam em menores impactos

ambientais e se prestam gerao descentralizada. Este tipo de hidreltrica utilizado,

principalmente, em rios de pequeno e mdio porte que possuam desnveis significativos

durante seu percurso, gerando potncia hidrulica suficiente para girar as turbinas. As

PCHs so dispensadas ainda de remunerar municpios e estados pelo uso dos recursos

hdricos. NaFigura 2.3 encontra-se a demonstrao genrica de uma PCH:

Figura 2.3 - Sistema de PCH [4]

Vantagens:

Padro de financiamento bem definido;

Preo competitivo.


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A construo s depende da aprovao da ANEEL, portanto a construo mais

rpida e com menor impacto social;

Operam a fio dgua: menor impacto ambiental [3].

Desvantagens:

A burocracia para liberao ambiental, embora simplificado, ainda um entrave

que pode causar atrasos.

As PCHs so boas opes para complementar a necessidade por energia, mas

no podem ser usadas como base da matriz energtica.

So prejudicadas com os mesmos problemas regulatrios do restante do sistema

eltrico [4].

2.1.3 Energia Elica

A energia elica tem-se firmado como uma grande alternativa na composio da

matriz energtica de diversos pases. No Brasil, essa fonte de energia tem se mostrado

uma excelente soluo na busca de formas alternativas de gerao de energia para a

regio Nordeste. uma abundante fonte de energia renovvel, limpa e com grande

disponibilidade. A utilizao desta fonte de energia para a gerao de eletricidade, em

escala comercial, teve incio em 1992 e, atravs de conhecimentos da indstria

aeronutica, os equipamentos para gerao elica evoluram rapidamente em termos de

ideias e conceitos preliminares para produtos de alta tecnologia. Atualmente, a indstria

de turbinas elicas vem acumulando crescimento anual acima de 30% e movimentando

cerca de dois bilhes de dlares em vendas por ano [6].


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Vantagem:

Regime de vento intenso no perodo de seca;

Complementar ao parque hdrico;

Baixo tempo de construo [7].

Desvantagens:

Apesar de precisar de pouco espao, pode ser incompatvel com outras

instalaes nas proximidades, j que a turbulncia que provoca reduz a

produtividade de outros geradores no mesmo alinhamento do vento.

O vento instvel, apesar de se saber que sopra mais durante a noite (perodo de

menor consumo energtico) e no inverno, difcil prever exatamente quando

comea e quando para.

Mesmo quando existe vento, preciso que seja estvel e que atinja no mnimo a

velocidade de arranque do aerogerador.

Maior altitude da torre permite melhor rendimento, mas dificulta o acesso para

reparos.

2.1.4 Energia Solar

Energia solar a designao dada a todo tipo de captao de energia luminosa,

energia trmica (e suas combinaes) proveniente do sol e posterior transformao

dessa energia captada em alguma forma utilizvel pelo homem, seja diretamente para

aquecimento de gua ou ainda como energia eltrica ou energia trmica.


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2.1.4.1Energia termo solar

Este tipo de energia est relacionado ao aquecimento de lquidos ou gases pela

absoro dos raios solares. Geralmente empregada para o aquecimento de gua para uso

em chuveiros ou gases para secagem de gros ou uso em turbinas, esta tcnica utiliza

um coletor solar que ir captar a energia e um reservatrio isolado termicamente onde o

lquido ou gs ser acondicionado. O coletor pode ser classificado em dois tipos: coletor

concentrador, que usa dispositivos para concentrar a radiao solar, ou coletor plano.

Vantagens:

Aquecimento de gua substituindo o chuveiro eltrico impacta na

reduo da conta de energia;

Estufas solares podem ser empregadas em desidratao de frutas com

baixo custo, por exemplo, contribuindo para a reduo de desperdcio de

alimentos;

Foges solares podem substituir foges a lenha e a GLP que provocam

impacto econmico, ambiental e a sade do usurio.

Desvantagens:

Custo dos concentradores;

Como esto suscetveis as condies meteorolgicas, no pode ser a

nica fonte de aquecimento.


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2.1.4.2Energia fotovoltaica

Esta forma de energia visa converso da energia solar em energia eltrica

atravs de clulas fotovoltaicas. As clulas fotovoltaicas mais comuns so feitas de

silcio que passa por um processo de dopagem para adquirir as caractersticas

necessrias. A associao de vrias clulas fotovoltaicas e sua ligao a uma bateria (em

sistemas com armazenamento) gera a energia eltrica que abastecer o sistema, por um

perodo, mesmo sem a presena de sol. As clulas de silcio so as mais tradicionais,

mas tambm as mais caras por conta do custo da etapa de purificao do silcio. No

entanto, j existem outros tipos de clulas fotovoltaicas, como as tecnologias de filme

fino e hbridas; que apresentam menor custo, mas em contra partida apresentam menor

eficincia.

Vantagens:

possvel gerao de energia em sistemas isolados ou conectados rede;

No emite gases do efeito estufa;

No h necessidade de gerador;

No provoca rudo, como no caso da energia elica;

Manuteno de fcil acesso.

Desvantagens:

necessria uma rea grande, no caso de usinas solares, que permita a

orientao dos painis sem o risco de sombreamento, que diminui a

produo.


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Instabilidade na produo devido a condies climticas, o que pode ser

contornado com o uso de baterias.

Alto investimento inicial.

Essas fontes de energia, chamadas de energia renovveis, tm ganho cada vez

mais espao na matriz energtica mundial, crescendo tambm a importncia em seus

desenvolvimentos. Isto porque nas ltimas dcadas houve um enfoque maior na relao

entre a gerao de energia eltrica e seus impactos ambientais, mas principalmente em

buscar alternativas que diminuam a dependncia do petrleo. Neste contexto a energia

solar ganhou grande destaque por sua enorme potencialidade ainda pouco explorada. No

prximo tpico, ser apresentado o cenrio econmico que levou a incentivos de

desenvolvimento da energia fotovoltaica que vem acarretando na diminuio dos preos

da implantao da mesma.

2.2 Fontes Renovveis: incentivos para expanso

Questionamentos a respeito da escassez dos recursos no renovveis que

respondem a uma larga fatia da matriz energtica mundial tm sido levantados.

Algumas afirmaes ratificam a abundncia de recursos energticos e que algumas

fontes sozinhas poderiam suprir a demanda mundial de energia, apontando para o

carvo, nuclear, solar, ventos, mars como fontes inesgotveis. De fato desde a dcada

de 80, j havia estudos a cerca dos impactos dos gases do efeito estufa, mas foi no incio

da dcada de 90 que o IPCC (Intergovernmental Panelon Climate Change)

estabelecido em 1988 pelaOrganizao de Meteorologia Mundial (OMM) e Programa

de Naes Unidas para o Meio Ambientelanou seu primeiro estudo sobre mudanas

climticas que indicavam duas tendncias principais: o aumento da temperatura global


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fugia dos padres conhecidos e a concentrao de gases do efeito estufa extrapolava o

padro histrico conhecido.

Os impactos dessa situao seriam mais negativos que positivos. No entanto, na

poca a ligao entre ao humana e elevao de temperatura, e a concentrao de gases

de efeito estufa j era considerada uma hiptese possvel, porm cercada de dvidas

pela comunidade cientfica em geral, tanto que o IPCC classificou como 50% a

probabilidade de tal associao. Desde ento, os seguintes relatrios s aumentaram a

porcentagem desta relao, chegando a 95% no relatrio de 2007 [7].

O Relatrio Stern (2006)1 definiu que se nenhuma medida fosse tomada em

relao s emisses de gases de efeito estufa, o total dos custos das alteraes climticas

era equivalente perda anual de, no mnimo, 5% do PIB global. Se fosse considerada

uma srie de impactos mais amplos, o custo poderia aumentar para 20% ou mais do

PIB. Por outro lado, a adoo de medidas para reduo das emisses de gases, buscando

mant-las prximas dos nveis existentes, seria aproximadamente 1% do PIB global.Em virtude dessas projees comeou um estmulo a expanso da participao

das fontes alternativas na matriz energtica. A Unio Europeia, em 2001, reconheceu a

necessidade de oficialmente promover as fontes de energias renovveis, considerando

os pontos estratgicos para proteo ambiental e o desenvolvimento sustentvel, atravs

de decreto que previa estabelecer como meta para a Europa a produo de 22% da

energia eltrica consumida a partir de fontes renovveis. Embora a projeo fosse

tmida, houve um aumento da participao na Europa, que passou de 13% em 1991 para

22% em 2010. A Tabela 2.1 apresenta a evoluo da produo de energia eltrica a

1Relatrio Stern (2006) um estudo encomendado pelo governo Britnico sobre os efeitos na economia mundial das alteraes climticas nos

prximos 50 anos.


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partir de diversas fontes de energia renovveis na UE15, no perodo de 2002 a 2011 e a

Tabela 2.2 mostra os nmeros no cenrio brasileiro.

Tabela 2.1 Evoluo da Produo de Energia Eltrica a partir de Fontes Renovveis na UE

Gerao de Energia Eltrica na Unio Europeia (GWh) [8]

2002 2006 2011

Solar Fotovoltaica 282 2.493 44.972

Hidroeltrica 315.035 309.285 306.126

Energia Elica 36.317 82.301 179.015

Energia das Mars 536 519 534

Tabela 2.2 Evoluo da Produo de Energia Eltrica a partir de Fontes Renovveis no Brasil

Gerao de Energia Eltrica na Brasil (GWh) [10]

2003 2006 2011

Solar Fotovoltaica 0,02 0,02 0,02

Hidroeltrica 305.616 348.805 428.333

Energia Elica 61 237 2.705

Nuclear 14 14 15

Percebe-se ento que a necessidade de buscar novas fontes de energia vem

crescendo e que a energia renovvel apresenta maior confiabilidade. A energia solar

fotovoltaica apresentou forte crescimento entre os pases da Unio Europeia, como

mostra a Figura 2.4, resultado dos incentivos para aplicao e gerao de eletricidade


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15

atravs do sol, o que impulsionou tambm a queda nos custos de instalao das mesmas.

Observa-se que, comparado a outras regies do mundo, os investimentos neste tipo de

energia foram muitos maiores na Europa, chegando a ser mais de 60% da capacidade

instalada no mundo em 2012. Isso mostra o quanto a UE tem investido na energia

fotovoltaica e que a confiabilidade da mesma vem crescendo.

Figura 2.4 Evoluo global da capacidade instalada de painis fotovoltaicos entre 2000-2012 [44]

No Brasil, no entanto, para o mesmo perodo no houve grande crescimento

neste setor, visto que uma faixa pouco representativa de energia foi gerada, em

comparao com outras fontes que tiveram grande projeo. A maior parte dos

investimentos em energia fotovoltaica foi realizada em sistemas isolados, segundo a

EPE (Empresa de Pesquisas Energticas), devido aos custos, priorizou-se a expanso

das PCHs, elica e biomassa.


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16

No que se refere ao Brasil a composio da matriz energtica bem distinta

comparada ao cenrio mundial, de acordo com o Balano Nacional de Energia, para a

gerao de energia eltrica mais de 80% da matriz renovvel, com 75% de hidrulica

(em 2011), cenrio diferente comparado produo mundial que detm 18,2% da

matriz proveniente de fontes alternativas, onde 16,3% so oriundas de hidroeltricas.

Incentivos governamentais como Programa de Incentivo s Fontes Alternativas

de Energia Eltrica PROINFA ajudaram a inserir novos recursos para gerao de

energia. Tal iniciativa tem como objetivos principais a diversificao das fontes de

forma a aumentar a segurana no abastecimento e valorizar as caractersticas e

potencialidades regionais e locais, com criao de emprego, capacitao e formao de

mo de obra, alm da reduo das emisses de gases de efeito estufa. Para isso,

estabeleceram como meta, em uma primeira fase, a implantao de 3.300 MW de

capacidade instalada de centrais elicas, biomassa e pequenas centrais hidreltricas

(PCH), igualmente divididas entre as referidas fontes.

No Plano Decenal de Energia 20202 percebe-se que a participao das fontes

alternativas (sendo as consideradas neste caso: elica, PCHs, biomassa oriunda do

bagao da cana de acar) tendem a ter uma projeo maior para o perodo de estudo. A

Figura 2.5 extrada do mesmo retrata a expanso da capacidade hidrotrmica por tipo de

fonte que dever ser de 171 GW at o final de 2020. [10]

2Plano Decenal de Energia (PDE) o estudo sobre o planejamento energtico do Brasil publicado pela

Empresa de Pesquisa Energtica (EPE) projetado no horizonte de dez anos.


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17

Figura 2.5 Crescimento da Matriz Energtica brasileira no perodo de 2010 a 2020 [10]

O resultado da expanso das fontes renovveis, mostrado na Figura 2.5

consequncia dos empreendimentos do PROINFA, que projeta um crescimento de 137

empreendimentos, sendo: 62 pequenas centrais hidreltricas (PCH), 21 usinas

termeltricas a biomassa (BIO) e 54 usinas elicas (EOL). Observa-se que a maior parte

dos empreendimentos foi prevista para a regio Sudeste e Centro-Oeste, prxima aos

grandes centros e de maior facilidade de interligao ao SIN (Sistema Interligado

Nacional).

Pelo estudo, espera-se que a participao das fontes alternativas passe de 8%

(2010) para 16% em 2020, conforme aTabela 2.3,reflexo das entradas, principalmente,

das PCHs e do aumento da gerao elica. interessante observar que com a entrada

cada vez maior dessas fontes, pode-se observar que haver uma estagnao na

participao das termoeltricas, o que refora a confiabilidade da gerao renovvel.


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18

Tabela 2.3 Participao das Fontes de Gerao no Brasil (%) [10]

2010 2014 2020

Hidroeltrica 71,7 67 67

Termoeltrica 12,8 19 15

Nuclear 1,9 1 2

PCH, Elica e

Biomassa 7,4 13 16

Embora o PROINFA incentive a implantao de Fontes Alternativas, foi em

outro programa que a energia solar ganhou maior destaque, no Programa de

Desenvolvimento Energtico de Estados e Municpios (PRODEEM) o qual tinha uma

projeo social voltada para a utilizao de fontes alternativas em regies fora da rede

de distribuio, seguindo a tendncia mundial [10], que entre 2000 e 2001, teve taxa de

crescimento para energia fotovoltaica de 40%, superando 300 MW de produo de

mdulos fotovoltaicos por ano.


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19

3 ENERGIA SOLAR: HISTRIA E ESTADO DA ARTE

O efeito fotovoltaico foi observado pela primeira vez em 1839 por Edmond

Becquerel que verificou que placas metlicas, de platina ou prata, mergulhadas em um

eletrlito, produziam uma pequena diferena de potencial quando expostas luz. Mais

tarde, em 1877, dois inventores norte americanos, W. G. Adams e R. E. Day utilizaram

as propriedades fotocondutoras do selnio para desenvolver o primeiro dispositivo

slido de produo de eletricidade por exposio luz. Tratava-se de um filme de

selnio depositado num substrato de ferro e com um segundo filme de ouro,

semitransparente, que servia de contato frontal. Apesar da baixa eficincia de

converso, da ordem de 0,5%, nos finais do sculo XIX o engenheiro alemo Werner

Siemens comercializou clulas de selnio como fotmetros para mquinas fotogrficas.

A histria da energia fotovoltaica teve seu incio com a explicao do efeito

fotoeltrico por Albert Einstein em 1905, o surgimento da mecnica quntica e, em

particular, a teoria de bandas e a fsica dos semicondutores, assim como as tcnicas de

purificao e dopagem associadas ao desenvolvimento do transistor de silcio.

O engenheiro do Bell Laboratories (Bell Labs), Daryl Chapin (Figura 3.1),

estudava solues para substituir as baterias que mantinham a rede telefnica remotas

em funcionamento. Em seus estudos, Chapin, havia realizado testes com clulas solares

de selnio, j conhecidas naquela poca por seus resultados muito ruins, com eficincia

mxima inferior a 1%. Porm Gerald Pearson, ao realizar testes com clulas solares de

silcio, verificou que a eficincia de converso era de cerca de 4%.


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20

Figura 3.1 Gerald Pearson, Daryl Chapin, Calvin Fuller e a primeira clula solar, no Bell

A histria da primeira clula solar, como conhecida hoje, comeou em maro

de 1953 quando Calvin Fuller desenvolveu um processo de difuso para introduzir

impurezas em cristais de silcio, de modo a controlar as suas propriedades eltricas (um

processo chamado dopagem). Fuller produziu uma barra de silcio dopado com uma

pequena concentrao de glio, que o torna condutor, sendo silcio do tipo P. Seguindoas instrues de Fuller, o fsico Gerald Pearson, mergulhou esta barra de silcio dopado

num banho quente de ltio, criando assim na superfcie da barra uma zona com excesso

de eltrons livres, chamados silcio do tipo N. Na regio onde o silcio tipo N fica em

contato com o silcio tipo P, a juno P-N, surge um campo eltrico permanente.

No entanto, rapidamente se compreendeu que o custo das clulas solares era

muito elevado, e que a sua utilizao s podia ser economicamente competitiva em

aplicaes muito especiais, como, por exemplo, para produzir eletricidade no espao.

Mas, se o desenvolvimento das clulas solares nos anos sessenta foi, sobretudo,

motivado pela corrida ao espao, o que levou a clulas mais eficientes, mas no

necessariamente mais econmicas, foi nessa dcada que surgiram as primeiras

aplicaes terrestres. Esta situao viria a mudar de figura quando, em 1973, o preo do


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21

petrleo quadruplicou.

O pnico criado pela crise petrolfera de 1973 levou a um sbito investimento

em programas de investigao para reduzir o custo de produo das clulas solares.

Algumas das tecnologias financiadas por estes programas revolucionaram as ideias

sobre o processamento das clulas solares.

o caso da utilizao de novos materiais, em particular o silcio policristalino

(em vez de cristais nicos de silcio, monocristais, muito mais caros de produzir) ou de

mtodos de produo de silcio diretamente em fita (eliminando o processo de corte dos

lingotes de silcio, e todos os custos associados). Outra inovao particularmente

importante do ponto de vista de reduo de custo foi a deposio de contatos por

serigrafia em vez das tcnicas tradicionais: a fotolitografia e a deposio por evaporao

em vcuo. O resultado de todos estes avanos foi a reduo do custo da eletricidade

solar de 80 US$/Wppara cerca de 12 US$/Wpem menos de uma dcada.

Do ponto de vista da eficincia de converso das clulas solares, a barreira dos20% de eficincia foi pela primeira vez ultrapassada pelas clulas de silcio

monocristalino da Universidade de New South Wales. A equipe de Dick Swanson

atingiu os 25% de eficincia em clulas com concentrador.

Foi do resultado de iniciativas de estmulo ao mercado fotovoltaico, como por

exemplo, a lei das tarifas garantidas na Alemanha, que resultou o crescimento

exponencial do mercado da eletricidade solar verificado no final dos anos noventa e

princpios deste sculo: em 1999 o total acumulado de painis solares atingia o patamar

do primeiro GW, para, trs anos depois, o total acumulado seria j o dobro.


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4 CARACTERSTICAS DA CLULA FOTOVOLTAICA

4.1 Estrutura Atmica

A clula solar a pedra angular para a gerao da energia solar. O efeito

responsvel pela gerao da energia consiste na excitao de um material semicondutor

pela radiao solar. Dessa forma h o aparecimento de uma diferena de potencial nos

terminais do material, o chamado efeito fotovoltaico.

Os materiais classificados como semicondutores so elementos que tm como

caracterstica possuir em sua camada de valncia quatro eltrons a baixa temperatura e

que, para serem quimicamente estveis, necessitam de oito eltrons. Para isso realiza a

chamada ligao covalente. Na ligao covalente (Figura 4.1), cada tomo compartilha

um eltron com o tomo vizinho, o que lhe d um total de oito eltrons na camada de

valncia, adquirindo estabilidade qumica para formar o slido. Os eltrons

compartilhados no passam a fazer parte efetivamente do tomo central, portanto,

eletricamente falando, cada tomo ainda continua com quatro eltrons na camada de

valncia e quatorze no total (no caso do Silcio), ou seja, eletricamente neutro. A

camada de conduo, no entanto, totalmente vazia.


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23

Figura 4.1 - Ligao covalente composta por semicondutores [13]

Os tomos de silcio se distribuem no slido formando uma estrutura cbica,

onde os tomos ocupam os vrtices do cubo. Esta estrutura cbica normalmente

chamada cristal. por isso que o slido de silcio conhecido como cristal de silcio.

(Figura 4.2)

Figura 4.2 Retculo cristalino formado pelo silcio [13]

Se um eltron da camada de valncia receber energia externa como luz, e esta

for maior que a fora de atrao exercida pelo ncleo, o eltron ir para a chamada

banda de conduo. Uma vez na banda de conduo, o eltron est livre para se deslocar

pelo cristal, sendo o mesmo chamado de eltron livre. Ao ir para a banda de conduo,

o eltron deixa um vazio que chamado de lacuna. Entretanto entre as duas camadas,

existe uma faixa de energia que o eltron precisa receber para chegar camada de


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conduo chamada banda proibida, cujo valor 1eV (1,60 x 10-19J) e que, o valor

de energia que o eltron deve absorver para sair da camada de valncia para a de

conduo, recebendo o nome de fton (Figura 4.3).

Figura 4.3 Semicondutor. A lacuna de energia entre a banda de valncia cheia e a de conduo

muito pequena, de modo que alguns eltrons podem ser excitados nas temperaturas ambientes at abanda de conduo, deixando buracos na banda de valncia. [Elaborao Prpria]

O aumento da temperatura melhora a condutividade dos semicondutores devido

excitao trmica de eltrons da banda de valncia para a banda de conduo. A

radiao solar no absorvida , em grande parte, visvel. Para o funcionamento das

clulas solares a faixa de comprimento de onda entre 390 a 1.100 nm (Figura 4.4), oque corresponde ao comprimento de onda do visvel ao infravermelho ou, em termos de

energia, de 1,1 a 3,1 eV3. Como visto, cada material apresenta uma zona de

sensibilidade radiao (Figura 4.4). Os materiais semicondutores que apresentam a

banda proibida dentro dessa faixa, como o Silcio, Arsenieto de Glio, Telureto de

Cdmio, Disseleneto de Cobre-ndio-Glio, entre outros, so os possveis candidatos

para serem utilizados como camada ativa, ou seja, a camada doadora de eltrons, nestes

dispositivos. A energia da banda proibida est relacionada diretamente com as

caractersticas da clula, ou seja, quanto menor a banda, maior a energia que pode ser

absorvida e assim um maior nmero de portadores (maior a corrente). Da mesma forma,

3

E=hc/, onde E: energia, h: Constante de Plank, c: velocidade da luz e : comprimento de onda.


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25

quanto maior a banda proibida do material, maior tambm ser a tenso de circuito

aberto, pois a energia da banda est relacionada com a magnitude do campo embutido

da juno, o qual determina a mxima tenso que a clula pode produzir. Logo, a

melhor relao entre tenso e corrente obtida em materiais cuja banda se situa entre 1

e 1,8 eV [14].

Figura 4.4 - Sensibilidade ao Espectro de Luz4[14]

Semicondutores puros no garantem o funcionamento da clula fotovoltaica.

Para isso, feito o processo de dopagem do material. O processo de dopagem consiste

em introduzir impurezas ao semicondutor puro, a fim de garantir a troca de eltrons.

So realizados dois processos de dopagem, a primeira a chamada dopagem do

tipo Nque consiste em um semicondutor que recebeu tomos pentavalentes, ou seja,

tomos que possuem cinco eltrons na camada de valncia. Como o caso do Silcio

(Si) que tem nmero atmico 14. Sua distribuio eletrnica 2,8,4; o que significa que

possui quatro eltrons na camada de valncia e necessita de quatro eltrons para tornar-

4

Espectro AM 1.5 (833 W/m

2

)


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26

se quimicamente estvel. O Fsforo ento utilizado para essa dopagem, cujo nmero

atmico 15, e apresenta distribuio eletrnica 2, 8, 5; o que significa que fica com um

eltron em excesso na ligao com o tomo de silcio (Figura 4.5).

Figura 4.5 - Diagrama representando um conjunto de tomos de silcio, e uma impureza

pentavalente central, gerando um eltron livre [Elaborao Prpria]

A segunda dopagem a chamada dopagem do tipo Pobtida atravs da injeo

de tomos trivalentes no cristal puro. Para essa dopagem utiliza-se o Boro, que tem

distribuio eletrnica 2,3; significa que possui trs eltrons de valncia e ao ser

adicionado quimicamente ao Si, fica com um eltron desemparelhado o que significa

uma lacuna, como ilustrado na Figura 4.6.

P SiSi

Si

Si


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27

Figura 4.6 - Diagrama representando um conjunto de tomos de silcio, apresentando um tomo

central trivalente, gerando uma lacuna na rede [Elaborao Prpria]

Desta forma obtemos juno SiP chamada juno (-), pois existe um excesso de

eltrons desemparelhados. E uma juno SiB, juno (+), pois existe um dficit de

eltrons. O fato de haver duas camadas estabelece uma diferena de potencial que far

com que os eltrons livres se movam gerando um campo eltrico. Neste processo, so

utilizados materiais semicondutores como o silcio, o arsenieto de glio, telurieto de

cdmio ou disselenieto de cobre e ndio. A clula de silcio cristalino a mais usual.

Na presena de luz sobre a clula fotovoltaica, os ftons que a integram chocam-

se com os eltrons da estrutura de silcio, dando-lhes energia e consequentemente

transformando-os em condutores. Devido ao campo eltrico gerado na juno P-N, os

eltrons so orientados e fluem da camada P para a camada N (Figura 4.7).

Figura 4.7 - Clula fotovoltaica elementar [Elaborao Prpria]

Silcio tipo p

Silcio tipo n

++++

-----

B SiSi

Si

Si


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4.2 Modelo da Clula Fotovoltaica

A juno P-N assemelha-se a um diodo, pois a utilizao de uma diferena de

potencial com o potencial positivo aplicado no material do tipo P diminui a barreira de

potencial e possibilita que a corrente atravesse a interface, enquanto que a aplicao de

uma diferena de potencial inversa aumenta a barreira de potencial e no possibilita a

passagem de corrente. AFigura 4.8ilustra a curva caracterstica de um diodo de silcio.

Figura 4.8 - Caracterstica I-V da clula de um diodo de silcio [Elaborao Prpria]

O modelo de clula no nada mais, nada menos que uma fonte de corrente,

cuja expresso da corrente que atinge a carga dada pela equao (4.1)

1)( 0

TmV

V

SDS eIIIIAI (4.1)

Onde

I0: representa a corrente de saturao do diodo e mrepresenta o fator de idealidade do

diodo, entre 1 e 2.

I

VD

Zona de ConduoZona de Bloqueio

0,7


41/78

29

q

kTVVT )( (4.2)

k: constante de Boltzmann (k=1,38x10-23 m2kgs-2K-1)

T: temperatura (em K)

q: carga do eltron (q=1,6x10-19C)

O comportamento da clula, quando no est na presena de luz, pode ser

representado pelo circuito equivalente de um diodo e corresponde curva I-V.

Figura 4.9 - Clula fotovoltaica e modelo equivalente ideal alimentando uma carga Z

A expresso (4.3) indica qual a variao da corrente IDque circula atravs de um

diodo quando aplicada uma diferena de potencial aos terminais deste igual a V (Figura

4.9), a chamadaEquao de Shockley

10

TmV

V

D eII (4.3)

Em que

I0: a corrente inversa mxima de saturao do diodo;

ID

I

ZIS V


42/78

30

V: tenso aos terminais da clula;

m: o fator de idealidade do diodo (diodo ideal: m = 1; diodo real: m>1);

VT: designado por potencial trmico (Equao 4.2);

T: a temperatura absoluta da clula em K (0oC = 273,15K);

q: a carga eltrica do eltron (q=1,6x10-19C).

Ao ser iluminada, surgir uma corrente eltrica (IS) gerada pela absoro dos

ftons que ser proporcional a radiao solar. Quanto maior a intensidade da incidncia

luminosa sobre a clula fotovoltaica, maior o deslocamento da curva I-V sobre o seu

eixo de referncia com mostrado na Figura 4.10.

Figura 4.10 Efeito da intensidade luminosa na curva I-V [16]

Os dois parmetros alcanados da interceptao da curva com o sistema de eixos

para uma dada radiao e temperatura, permitem descrever uma clula fotovoltaica de

uma determinada rea e designam-se por corrente de curto-circuito, ICC(V=0) em que

ICC= IS (4.5)


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31

A tenso mxima nos terminais da clula por tenso em circuito aberto V OC(I=0), emque

(4. 6)

Em resumo pode-se afirmar que a clula se comporta como diodo quando

escurecida, havendo conduo no 1oquadrante e quando sob radiao solar comporta-se

como fonte de corrente. No entanto no modelo real da clula (Figura 4.11), so

consideradas tambm as perdas RP e RSdetalhadas a seguir.

Figura 4.11 - Modelo real de clula fotovoltaica [Elaborao Prpria]

-Resistncia em srie (RS):esta a resistncia da prpria clula, composta pela

resistncia eltrica do material e a resistncia dos contatos metlicos, denominadas de

perdas por efeito Joule.

- Resistncia em paralelo (RP): resistncia do processo de fabricao e

caracteriza as correntes parasitas que circulam na clula devido, principalmente, a

pequenas imperfeies na estrutura do material.

Estas resistncias so responsveis pelo rebaixamento da curva caracterstica da

clula solar, logo quanto mais elevado RS e mais baixo RP provocam a reduo na

corrente de curto-circuito ICC (Figura 4.12) e na tenso de circuito aberto VOC (Figura

4.13). A corrente determinada atravs da expresso (4.7):


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32

P

SV

IRV

SPDSR

IRVeIIIIIAI T

S

1)( 0 (4.7)

Figura 4.12 Influncia da resistncia em srie (Rs) na curva I-V [36]

Figura 4.13 Influncia da resistncia em paralelo (Rp) na curva I-V [36]


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33

5 MOTIVAO E PROPOSTA PARA REDUO DE CUSTOS

Como dito anteriormente, o custo de implantao de sistema fotovoltaico ainda

um entrave para a expanso do uso desse tipo de energia. Medidas governamentais, no

entanto, visam estimular um maior desenvolvimento do mercado para a energia solar.

De acordo com o estudo da EPE [11], atravs de referncias internacionais, o custo de

investimento em sistemas fotovoltaicos pode ser decomposto em trs principais itens: os

painis solares, o inversor e a estrutura que engloba as estruturas mecnicas de

sustentao, equipamentos eltricos auxiliares, cabos e conexes para instalao e

montagem. Por causa dos incentivos de produo, os painis solares tm apresentado

constante reduo de preos para os mdulos de silcio cristalino e tambm as clulas de

filme fino. Atualmente o custo do sistema fotovoltaico 60% dos painis solares, cerca

de 10% referente ao inversor e o restante estrutura.

Para anlise de custo do sistema fotovoltaico foram adotados os valores

encontrados naTabela 5.1,para estimativa de custo no mercado internacional, onde se

pode perceber que o custo do mdulo representa a maior parte do investimento

fotovoltaico.


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Tabela 5.1 - Custo de investimento em sistemas fotovoltaicos - Referncia Internacional (US$/kWp)

[11]

Potncia Painis InversoresInstalaes e

MontagemTotal

Residencial (4-6kWp) 2,23 0,57 0,7 3,50

Residencial (8-10kWp) 2,02 0,50 0,63 3,15

Comercial (100kWp) 1,74 0,42 0,54 2,70

Industrial (>1000kWp) 1,60 0,30 0,48 2,38

Nota: Preo com impostos nos seus mercados de origem. [11]

Para tornar a energia solar mais competitiva comparada a outras fontes,

necessrio investir em pesquisas que reduzam o preo do mdulo fotovoltaico. Nesse

sentido, estudos tm sido feitos buscando novos tipos de clula que sejam de custo mais

baixo e que apresentem boa eficincia, como apresentado Tabela 5.2, porm, apesar domaior preo, as clulas de silcio cristalino apresentam maior eficincia.

Tabela 5.2 Eficincia Tpica dos mdulos comerciais [16]

Tecnologia Eficincia rea/kWp

Silcio

Cristalino Monocristalino 13 a 19 % ~7m

2

Policristalino 11 a 15% ~8m2

Filmes

Finos

Silcio Amorfo (a-Si) 4 a 8 % ~15m2

Telureto de Cdmio (Cd-Te) 10 a 11% ~10m2

Disseleneto de Cobre-Indio-

Glio (CIGS)

7 a 12% ~10m2


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Uma das vantagens da gerao fotovoltaica a possibilidade de aplicao em

larga ou pequena escala. Isso permite a implementao de sistemas de energia em

localidades afastadas da rede como regies rurais, populaes ribeirinhas e pequenos

vilarejos. Em casos como este, o custo da construo de linhas de transmisso para

fornecer energia eltrica pode ser muito alto e mesmo invivel. A opo pela energia

solar uma alternativa vivel, pois pode ser implantada em sistemas isolados.

Comparando-se as fontes de gerao de energia, em geral, as fontes alternativas

apresentam preo mais elevado do que o sistema convencional centralizado de

fornecimento de energia. No entanto, alguns pontos podem reduzir o custo da

transmisso de energia, visto que em geral, a carga encontra-se prximo a ponto de

gerao.

Para produzir energia, recursos fsseis necessitam ser extrados dos poos de

petrleo, transportados at as refinarias onde so preparados para queima, levados s

usinas termeltricas e aps a gerao de energia, seus resduos so eliminados. Autilizao das mquinas rotativas, gerador e turbina, necessitam de uma rotina de

manuteno mais complexa devido ao desgaste das peas mveis. A energia solar, em

contra partida, no necessita ser extrada, nem refinada ou transportada para o local de

gerao, por ser prximo carga, evitando custos de transmisso em alta tenso.

Outras questes, porm, permeiam a implantao das fontes alternativas, em

especial, da energia solar; a gerao solar fotovoltaica permite a expanso da gerao

distribuda, o que diminui o interesse de grandes empresas responsveis pela gerao e

distribuio a quererem investir neste tipo de recurso. Assim, a produo fica sujeita, a

pequenos produtores, o que no alavanca a produo em larga escala de painis

fotovoltaicos e consequentemente dificulta a reduo dos preos e custos de fabricao

dos mesmos. Para incentivar esses produtores, um bom exemplo foi a iniciativa do


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36

governo alemo de aprovar a lei de Energias Renovveis (Erneuerbare Energie Gesetz,

EEG), que exige que operadores de energia eltrica paguem um valor mais elevado aos

fornecedores de energia solar do que aos fornecedores de energia tradicional, uma

forma de estimular a gerao solar.

O custo dos sistemas fotovoltaicos varia muito e dependem de diversos fatores,

incluindo o tamanho do sistema, localizao, tipo de conexo (isolado ou conectado a

rede), especificaes tcnicas e a extenso at a carga refletem no preo final de todos

os componentes. Em mdia, os preos para sistemas isolados, tambm conhecidos como

sistemas com armazenamento, so praticamente o dobro dos de sistemas conectados a

rede. Isso atribudo ao fato da necessidade de baterias para armazenamento e os

equipamentos associados.

Em 2011, os preos mais baixos para sistemas fora da rede, independente do tipo

de aplicao, tipicamente variavam entre 3,7 US$/W a 7,2 US$/W, de acordo com o

pas. A Tabela 5.3 reporta a mdia de preos para alguns pases, baseado na pesquisa daEuropean Statistics [8], mostra que os valores variam de acordo com o pas e aplicao

do projeto. Os preos para sistemas conectados a rede, em 2011, tambm variaram,

como mostrado na mesma tabela, cerca de 3,6 US$/W foi a mdia dos preos que

reduziu aproximadamente 17% em relao ao ano anterior. Preos de 2 US$/W

chegaram a ser relatados, porm estes preos podem variar de acordo com a natureza

das construes, o grau de integrao com a instalao, de inovao e o tipo de

fabricao dos mdulos tambm influenciam bastante.


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Tabela 5.3 Indicativo de preos para sistemas instalados em 2011 (US$/W) [8]

PAS SISTEMAS ISOLADOS CONECTADOS A REDE

1kW < 10 kW >10 kW

China - - 2,7 2,7

Frana - - 3,9 2,8-3,6

Sua 6,9 4,9 4,3 3,9

Estados Unidos - - 6,1 3,6-4,8

Israel 7,0 7,0 3,5 3,0

Alemanha - - 2,8-3,5 2,5

Austrlia 6,2-15,5 7,2-20,6 3,1-4,1 2,6-4,1

Itlia 6,9-9,7 - 4,2-4,7 2,6-4,2

Japo - - 6,5 6,5

Em mdia, o custo com os mdulos fotovoltaicos em 2011 foram responsveis

por 50% dos preos mais baixos apresentados nos sistemas conectados rede. O preo

mdio do mdulo nos pases relatados foi prximo de 1,38 US$/W, uma queda de 50%

em relao a 2010, seguindo o declnio de 20% relatado no ano anterior. A Figura 5.5

exemplifica a evoluo dos preos normalizados para painis fotovoltaicos de acordo

com a inflao. Na Figura 5.4 podem-se observar os preos reais para sistemas e

mdulos no mesmo perodo.


50/78

38

Figura 5.3Grfico da evoluo dos preos do Mdulo Fotovoltaico no perodo de 2001 a 20115

[37]

Figura 5.4Grfico da evoluo de preos de Mdulos e Sistemas fotovoltaicos no perodo de 2001

a 20115 [37]

5

Identificao dos pases no informada pela fonte.


51/78

39

Considerando-se o valor de 3,7 US$/W mostram que os valores da energia solar

no so competitivos em relao a outras fontes de energia, como mostraTabela 5.4,

muito embora, conforme dados relatados pelo Photovoltaic Power System Programme

(PVPS) da International Energy Agency (IEC), esses valores tm reduzido a cada ano.

Tabela 5.4Valores tpicos de implantao de usinas geradoras de energia [2]

Tipo de Gerao Custo de Implantao

ANEEL (US$/W)

Custo de Implantao

CESP/IMT (US$/W)

Termeltrica a Diesel 0,40 a 0,50 0,35 a 0,50

Termeltrica a gs 0,40 a 0,65 0,35 a 0,50

Termeltrica a Vapor 0,80 a 1,00 -

Termeltrica ciclo

combinado

0,80 a 1,00 -

Pequenas Centrais

Hidreltricas (PCHs)1,00 -

Gerao Elica 1,20 a 1,50 1,00

Clulas fotovoltaicas - 3,7 a 7,2

Motivado por essa dificuldade de competitividade dos painis solares foi

desenvolvido um prottipo com o intuito de criar uma linha de fabricao sustentvel

que reduzisse o custo final do mdulo utilizando materiais reutilizveis da construo

civil. A proposta que fosse possvel a montagem desses mdulos pelas comunidades

de baixa renda onde possam, alm de reduzir os gastos com conta de luz, gerar renda

para essa populao.


52/78

40

Com base nessa ideia, ser apresentada no prximo tpico uma comparao de

custos para um sistema fotovoltaico residencial utilizando painis disponveis no

mercado e outro com o painel de baixo custo, apontando a viabilidade do mesmo. Por

fim nos resultados dos ensaios realizados no mdulo obtm-se os parmetros do mesmo.

5.1 Desenvolvimento Tcnico

Neste tpico, ser realizado o dimensionamento do sistema fotovoltaico e em

seguida o oramento do mesmo. O sistema composto por arranjo fotovoltaico que

representa o conjunto de mdulos necessrios para abastecer a carga; controlador de

carga que tem a funo proteger o banco de baterias de sobrecarga e descargas

profundas; o inversor utilizado para transformar de corrente contnua fornecida pelos

painis solares para corrente alternada solicitada pelas cargas e o banco de baterias que

tem por funo armazenar energia para suprir a carga em perodos em que a radiao

insuficiente (Figura 5.3).

Figura 5.3 Sistema Fotovoltaico para configurao isolada [43]


53/78

41

5.1.1Localizao da instalao

O local de implantao da residncia em Marechal Hermes, localizada na zona

oeste do Rio de Janeiro. As coordenadas geomtricas so 22 51 39 S e 43 22

16W. Com estes dados a insolao correspondente durante o ano obtido na base de

dados do SunDatatendo a regio mais prxima a regio do Rio de Janeiro (Santa Cruz)

(Tabela 5.5).

Tabela 5.5 - Radiao mdia diria na regio do Rio de Janeiro (Santa Cruz) [38]

Radiao Diria mdia mensal (kWh/m2.dia)ngulo Inclinao

JAN

FEV

MAR

ABR

MAI

JUN

JUL

AGO

SET

OUT

NOV

DEZ

MEDIA

PlanoHorizontal 0 C 5,86 5,67 5,22 4,06 3,83 3,22 3,78 4,06 4,22 4,86 5,28 5,61 4,64 2,64

nguloigual alatitude 23 N 5,29 5,41 5,38 4,56 4,76 4,14 4,85 4,76 4,47 4,74 4,85 5,00 4,85 1,27

Maior

mdiaanual 20 N 5,39 5,48 5,39 4,53 4,67 4,05 4,74 4,70 4,46 4,79 4,93 5,11 4,85 1,43

Maiormnimomensal 34 N 4,83 5,07 5,23 4,62 4,99 4,40 5,15 4,90 4,41 4,50 4,47 4,55 4,76 0,82

A instalao dos painis feita com uma inclinao para evitar acmulo de gua

da chuva. Essa inclinao corresponde ao ngulo de latitude da localidade, neste caso

23. A partir das informaes acima se observa que, para radiao mxima de 1.000

W/m2, o tempo de insolao a sol pleno de HSP 4,85 horas, ou seja, o perodo em que

o painel est exposto a maior nvel de radiao durante o dia.


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42

5.1.2 Clculo do consumo de carga

O fornecimento de energia deve ser suficiente para abastecer a carga composta

de iluminao interna, televiso, geladeira e computador. Os dados da Tabela 5.6

mostram o consumo da residncia durante o ano (Figura 5.4).

Tabela 5.6 - Consumo mensal de energia em kWh na residncia [39]

Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez

215 195 232 197 209 160 157 163 176 170 148 152

Figura 5.4 - Curva de Consumo da Carga durante o ano [39]

O consumo mximo dirio de energia da residncia estabelecido por:

diakWh

dias

mskWhCdirio /73,7

30

/232


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43

5.1.3Especificaes do Sistema Fotovoltaico

5.1.3.1 Especificaes do Banco de Baterias

O banco de baterias deve ser dimensionado de modo que possa suprir a carga em

dias consecutivos que o arranjo fotovoltaico no esteja gerando energia. De acordo com

o SIGFI, o sistema deve ter autonomia por 48 horas. Seguindo esta orientao o sistema

projetado para abastecer o sistema durante dois dias.

O principal tipo de baterias utilizado em sistemas fotovoltaicos de chumbo-

cido aberta, em que a profundidade de descarga mxima permitida de 80% da

capacidade nominal da bateria. Foi adotado o valor de 24 V para a tenso nominal do

sistema fotovoltaico.

kAhV

kWh

V

CC

PH

diadiabateria 32,0

24

73,7/

Dimensionamento de baterias em paralelo:

kAhkAh

Cbateria 8,08,0

232,0

Realizando a escolha da bateria com capacidade de 115 Ah (100 horas), a

quantidade de baterias.

bateriasAh

kAh

elecionadadaBateriaSCapacidade

NecessriaCapacidadeNPAR 7

115

8,0

Como a tenso da bateria de 12 V o nmero de baterias deve ser duplicado para

atender a tenso do sistema, portanto para manter a autonomia so necessrias 14

baterias. As especificaes do banco de baterias para este sistema encontram-se na

Tabela 5.7.


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44

Tabela 5.7 Especificaes da Bateria Selecionada

Caractersticas Tcnicas

Bateria Estacionria Freedom DF2000 105Ah/115Ah

Capacidade @25C 94 Ah (10h); 105Ah (20h); 115Ah (100h)

Profundidade de Descarga Mxima 20 %

Observa-se que a bateria apresenta capacidades diferentes para a mesma especificao,

isso porque a capacidade nominal est relacionada corrente que a bateria capaz de fornecer

por determinado perodo.

5.1.3.2 Especificaes do Arranjo Fotovoltaico

Para o dimensionamento do arranjo fotovoltaico considerado o nvel de

radiao da localidade onde ser instalado o painel, no caso, o Rio de Janeiro onde a

temperatura mdia de 32C e deve ser considerado o fator de correo de eficincia do

painel. Para determinar o nmero mdio de horas de insolao igual a 1.000W/m2

, neste

caso projetaremos para condio de sol pleno na regio durante o ano, com inclinao

de 23, desta forma as demais sero tambm atendidas (Tabela 5.8).

horasmkWh

mkWhSP 85,4

/1

/85,42

2

Para atender a demanda do ms de referncia, o sistema fotovoltaico deve

fornecer uma potncia de:

kWhoras

kWhP 6,1

85,4

73,7


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45

Corrigindo a potncia pelo fator de correo obtm-se a potncia real

demandada pelo sistema:

kW

kW

PR 28,0

6,1

Dimensionando o arranjo para utilizao de mdulos com potncia 240 W, na

mesma faixa do prottipo, teremos a necessidade de utilizar 8 painis.

Tabela 5.8 Especificaes do Mdulo

Caractersticas TcnicasPainel Solar Fotovoltaico Policristalino de

240WMartifer Solar Mprime M240 3R

VOC 37,23 V

ICC 8,47 A

VMP 29,55 V

IMP 8,13 A

PMAX 240 Wp

Tipo de Clula Silcio PolicristalinoCondio Padro de Teste: Radiao 1000W/m2; Temperatura da Clula: 25C; Massa de Ar:1,5.

5.1.3.3 Especificao do Inversor

O inversor deve ser escolhido de acordo com as tenses de entrada e sada dosistema, neste caso respectivamente, 24 V e 127 V; e a potncia demandada, 1,5 kW.

Para essa especificao, foi escolhido o Inversor de Energia Profissional de 3000W

Wagan Tech ProLine cujos dados tcnicos esto na Tabela 5.9.


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46

Tabela 5.9 - Especificaes do Inversor [40]


Tenso CA nominal 120 V

Tenso de entrada CC 24 V

Potncia de Sada Mxima 3 kW

Frequncia 60 Hz

Forma de Onda Sada Senoidal

5.1.3.4 Especificao do Controlador de Carga

O controlador de carga tem a funo de proteger a bateria de cargas e descargas

excessiva e facilitar a mxima transferncia de potncia do arranjo fotovoltaico para a

bateria. A especificao do mesmo deve atender as caractersticas da bateria, a tenso e

a corrente do sistema. Para este projeto foi selecionado o Controlador de Carga de 60A

(12/24V) com timer programvel EPSOLARVS6024N especificado na Tabela 5.10.

Tabela 5.10 Especificao Controlador de Carga [41]


Tenso Nominal 12/24 V

Corrente mxima de carga 60 A

5.1.3.5 Levantamento de Custo do Sistema Fotovoltaico Convencional

Realizando um levantamento oramentrio dos itens do sistema fotovoltaico de

forma a atender o dimensionamento, obtemos um custo mdio de R$16.464,00, com

mdulos convencionais disponveis no mercado. A seguir, analisaremos a variao do


59/78

47

preo do sistema, apresentada na Tabela 5.11, ao utilizarmos o painel sustentvel e ser

discutida a viabilidade deste projeto.

Tabela 5.11 - Oramento do Sistema Fotovoltaico [45] e [46]

Custo do Sistema Fotovoltaico

Arranjo Fotovoltaico(8 painis de 240W) R$ 8.592,00

Banco de Baterias R$ 7.406,00

Inversor R$ 1.499,00

Controlador de Carga R$ 1.099,00

Total R$ 18.596,00

5.2Proposta

A proposta do mdulo alternativo a fabricao dos painis como fontes de

renda para comunidades de baixo poder aquisitivo e que seja utilizado em regies

carentes onde o custo de energia fornecido pela concessionria seja elevado. Neste caso,

o processo de manufatura usaria materiais reciclados em lugar de alguns componentes

do painel. A Tabela 5.12 lista o custo do painel, comparando a quantidade pela qual

foram comprados os itens do painel.


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Tabela 5.12 Comparao de custo entre as alternativas de prottipo

MaterialPreo avarejo

Preo noatacado

Substituindo porreciclados

Clula Fotovoltaica Silcio

Policristalino(1,8W/ 3,6A/0,5V) R$ 5,50 R$ 0,54 R$ 0,54

Caneta Fluxo para clula solar R$ 13,00 R$ 13,00 R$ 13,00

Fita De Estanho Para ClulasSolares TabWire 50 m R$ 75,00 R$ 22,00 R$ 22,00

Fita para barramento R$ 4,00 R$ 1,80 R$ 1,80

Conector para painel solar R$ 29,00 R$ 29,00 R$ 29,00

Vidro R$ 100,00 R$ 100,00

R$ 50,00**(Substituindo

vidro traseiro pormadeira)

Cola de Silicone R$ 10,00 R$ 4,00 R$ 4,00

Moldura R$ 93,00 R$ 93,00Substituio por

PVC

Total R$ 423,00 R$ 282,52 R$139,52Baseados em preos de mercado disponveis [45] e [46]

Observa-se que, com base nos preos disponveis no mercado, h a possibilidade

de reduzir o custo de fabricao do painel de forma que seja vivel a construo de

painis de forma sustentvel. Sendo ento a potncia gerada pelo painel correspondente

a 32,4W, o custo para gerar 1 W 13,06 R$/W no mximo (ou seja, para itens de

varejo) e 4,31 R$/W no mnimo (para produo comunitria em larga escala),

comparando este valor com equivalente encontrado comercialmente para mdulos na

mesma faixa, 12,20 R$/W6percebe-se que o prottipo consegue ser economicamente

vivel.

6Clculos baseados na mdia de preos para painis fotovoltaicos de 30W nas seguintes

fontes:minhacasasolar.lojavirtualfc.com.br/e http://www.neosolar.com.br/loja/


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49

No caso do uso residencial destes painis, retornando ao estudo de caso, a

aplicao do prottipo seria capaz de reduzir o custo final da implantao do sistema,

conforme mostra aTabela 5.13.

Tabela 5.13 - Oramento do Sistema Fotovoltaico com mdulos alternativos [45] e [46]

Custo do Sistema Fotovoltaico

Arranjo Fotovoltaico(58 painis de 32 W) R$ 8.092,16

Banco de Baterias R$ 7.406,00

Inversor R$ 1.499,00Controlador de Carga R$ 1.099,00

Total R$ 18.096,16

5.3Ensaios

A determinao das caractersticas fotoeltricas dos mdulos de silcio cristalino

para aplicaes terrestres estabelecida pela Norma Internacional IEC 61215 (1993).

Basicamente, o procedimento baseia-se no registro da curva I-V e a temperatura da

amostra e o registro da corrente de curto-circuito e temperatura de desvio padro,

concomitantemente, e depois na correo dos valores obtidos, para as condies

desejadas. O esquema de testes, com as devidas conexes est ilustrado naFigura 5.5.

medida, primeiramente, a corrente de curto-circuito (V=0) e tenso de circuito aberto

(I=0). Em seguida, inserida uma carga varivel nos terminais do mdulo a fim de

variar a corrente de sada, deste modo obtm-se os valores correspondentes de tenso e

corrente para diversos pontos.


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50

Figura 5.5 Diagrama de blocos e conexes de ensaio conforme norma IEC 904-3 [42]

5.3.1 Resultados dos Ensaios

Os ensaios realizados utilizando procedimentos laboratoriais, ou seja, usando

iluminao artificial para simular a luz solar; no caso, um refletor de lmpada

fluorescente compacta com potncia de 42W e 2860 lumens. Para carga varivel, foi

utilizado um reostato em srie com uma resistncia de 1. Os resultados das medies

encontram-se nosGrfico 5.1 eGrfico 5.2experimentais de I-V e P-V:


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51

Grfico 5.1 Curva Experimental de I-V

Grfico 5.2 Curva Experimental P-V

Observa-se que atravs das curvas levantadas, o prottipo do painel fotovoltaico

experimental encontra-se dentro das especificaes desejadas, assim como os painis

comerciais. De acordo com os resultados obtidos, os parmetros deste painel so:


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52

Corrente de curto-circuito (ICC) igual a 8,56 A, tenso de circuito aberto (VOC) igual a

1,792 V. Para os pontos de mxima potncia (PMP) fornecida pelo mdulo foi de 8,4 W

para tenso correspondente (VMP) 1,35 V.


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53

6 PAINEL CONVENCIONAL E PROTTIPO

6.1 Painel Convencional

A maioria dos mdulos convencionais encontrados no mercado constituda por

36 clulas solares de silcio. A potncia do mdulo, sob condies padro, varivel

desde 10 a 290 W. Em consequncia, o dispositivo varia de 0,2 a 1,5 m2. Na montagem

dos mdulos tradicionais, aps serem soldadas, as clulas so encapsuladas com a

finalidade de serem isoladas do exterior e protegidas das intempries, bem como para

darem rigidez ao mdulo. O mdulo constitudo pelas seguintes camadas: vidro de

alta transparncia e temperado, acetato de etilvinilacetato (EVA), clulas solares, EVA e

filme de fluoreto de polivinila (Tedlar) ou vidro. A seguir, colocada a moldura de

alumnio, para dar o acabamento e facilitar a instalao. A durabilidade dos mdulos

superior a 30 anos e atualmente est determinada pela degradao dos materiais usados

no encapsulamento, ou seja, a durabilidade das clulas solares cristalino bastante

superior.

Para os mdulos convencionais a etapa de fabricao tem incio com a limpeza

do vidro seguido de uma inspeo (automtica e visual). Em seguida, feito o primeiro

encapsulamento do vidro com aplicao do EVA. A prxima etapa a inspeo das

clulas visual com objetivo de detectar possveis imperfeies e danos nas mesmas.

Em seguida acontece o processo de soldagem automatizado (Figura 6.1) com

fios de cobre muito finos (0,05 mm) de forma a permitir uma ligao flexvel. As

fileiras de clulas soldadas so alinhadas sobre o vidro.


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Figura 6.1- Soldagem automtica [17]

Aps todas as fileiras estarem devidamente colocadas, feita a soldagem das

interconexes. Depois disso, ocorre o segundo encapsulamento do material com nova

camada de EVA fotovoltaica sob a parte traseira das clulas.

Subsequente inicia-se o processo de preparao para o encapsulamento com a

etapa de laminao. Antes de concluir este processo, porm, realizado um teste de

eletroluminescncia que permite uma anlise rigorosa e profunda do mdulo

fotovoltaico, uma vez que permite ver defeitos invisveis a olho nu, como micro-

fissuras, problemas nas clulas, problemas na soldagem, efeitos da umidade.

No processo de laminao haver o aquecimento a 145 C do conjunto vidro,

EVA e clulas de forma a uni-los permanentemente. Em seguida, aplica-se uma

camada de fita adesiva em torno do painel que receber a moldura de alumnio. Segue

ento a aplicao da caixa de juno na parte posterior do painel, nela encontram-se os

terminais de ligao, bem como o diodo de by-pass, utilizados para proteger o mdulo

de danos ocasionados por sombras parciais, evitando que este atue como receptor.


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55

Por fim realizado um teste de funcionamento eltrico e medidas onde so

inspecionadas a corrente de curto-circuito e a tenso de circuito aberto.

6.1.1 Prottipo

O prottipo foi construdo utilizando-se clulas fotovoltaicas de silcio

monocristalino, com tenso de 0,5V, dimenses 156x156mm, eficincia de 19%,

contendo trs barramentos e vida til esperada de mais de 25 anos se protegida da

umidade.

A solda foi realizada com fitas recobertas de estanho, e que tambm ocorreu

com as interligaes entre as fileiras. A moldura foi construda por tubos de PVC de 20

mm unindo os dois vidros do painel. Com o intuito de aumentar a vedao e assim a

durabilidade do mesmo, substituiu-se o EVA fotovoltaico pela cola de silicone ao redor

do vidro e em seguida a insero de fita metlica isolante. Foi inserido por fim um

conector na parte traseira do mdulo, que permite a conexo entre os terminais positivo

e negativo, para ligaes externas. Alm de possuir um diodo que impede a inverso de

corrente.


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56

6.1.2 Montagem do Prottipo

Inicialmente, o projeto do painel foi idealizado de forma a obter a maior

potncia possvel e que o painel fosse de fcil manuseio. Com clulas de 0,5V cada,

projetou-se um painel com 18 clulas, totalizando uma tenso do painel de 4V.

As clulas solares possuem o polo positivo na parte inferior e o polo negativo na

parte superior (Figura 6.2), dessa forma as clulas devem ser soldadas em srie para que

se possa obter a tenso desejada nos terminais do conjunto. As ligaes a um circuito

externo podem ser feitas de diversas formas. Podem ser colocadas em um suporte com

contatos de mola que pressionam a parte da frente e de trs, podendo as conexes ser

soldadas, porm a forma mais comum, e que foi utilizada neste prottipo, atravs da

soldagem por meio de fios condutores. As clulas foram conectadas em srie de modo a

aumentar a tenso de sada.

Figura 6.2 - (a) Terminal positivo da clula. (b) Terminal negativo da clula [Elaborao Prpria]

A soldagem foi feita com fita de solda e caneta de fluxo para clula fotovoltaica,

necessria para melhor fixao da solda na clula. As clulas solares utilizadas foram de

silcio monocristalino. As partes posterior e frontal possuem ranhuras com material

metlico onde feita a soldagem entre a clula e a fita de solda, que composta por

estanho, material condutor para que seja possvel a conduo de corrente eltrica pelas

+ -


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57

clulas (Figura 6.3). Em seguida, coloca-se a fita estanhada sob a ranhura, na posio

em que se deseja fixar para ento iniciar o processo de solda.

Figura 6.3 - Processo de soldagem de clula fotovoltaica [Elaborao Prpria]

O mesmo processo repetido nas outras duas ranhuras conforme pode ser visto

na Figura 6.4. Isso feito para que haja contatos redundantes. Assim, o mdulo no

falhar se uma ou duas soldas se partirem.

Figura 6.4 - Camada posterior j soldada [Elaborao Prpria]

Na parte da frente deve ser feito o mesmo processo de soldagem. necessrio

lembrar que a medida das tiras deve ser o dobro da medida da clula para que seja

possvel fazer a ligao entre as clulas e distanciar a fita de solda das margens da clula

e assim prevenir do risco de colocar em curto a clula no processo de soldagem.


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58

As clulas so ento ligadas em srie, soldando o terminal positivo (parte

posterior) com o terminal negativo (parte frontal) em cada fileira que composta de

duas clulas, de acordo com o projeto (Figura 6.5).

Figura 6.5 - Interligao entre parte frontal e posterior, soldadas [Elaborao Prpria]

Depois de finalizar essa etapa, montando as fileiras, realizam-se as

interconexes das mesmas, conectando-se as extremidades de cada fileira com a

seguinte de forma que fiquem em srie, ou seja, terminais positivos so conectados com

o negativo da fileira seguinte (Figura 6.6).


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59

Os painis solares comercializados no mercado so constitudos pelas seguintes

camadas: vidro, EVA fotovoltaico, clulas solares, outra camada de EVA fotovoltaico e

tedlar. O EVA fotovoltaico tem como funo proteger as clulas de degradao causada

pela exposio ao tempo que podem causar como ferrugem nos contatos. Isso

necessrio, j que a ferrugem pode gerar caminhos para correntes indesejadas, criando

perdas no painel. Para este painel, o uso do EVA fotovoltaico no seria vivel, isto

porque o EVA um filme opaco que se torna translcido ao ser fundido. Para esse

procedimento, no entanto, necessrio o uso de uma mquina para prensar o conjunto e

fundir o filme, o que no estava disponvel. Isso, no entanto pode contribuir

negativamente para o tempo de vida til do mesmo.

Em seguida, construiu-se a moldura. Para isso optou-se por utilizar tubos de

PVC, pela disponibilidade de conseguir este tipo de material em rejeitos de construo

civil, contribuindo para a sustentabilidade do painel e diminuindo o custo, visto que os

painis convencionais so moldurados de alumnio que aumenta o valor de fabricao

do painel. Como o mdulo ficar exposto ao do tempo, com intuito de contornar

este problema, aplicou-se uma camada de esmalte sinttico no tubo de PVC, para

permitir maior durabilidade. H ainda outro problema a ser solucionado, que era

impedir a entrada de umidade no mdulo, que pode danificar as clulas e a solda, por

isso utilizamos cola de silicone em torno na juno entre o vidro e a moldura.

Figura 6.6 - Clulas Interligadas em srie [Elaborao Prpria]


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60

7 CONCLUSO

Neste trabalho foram apresentados o d

Documents

Painel Fotovoltaico de Baixo Custo