ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA

O setor energético é responsável por lançar uma grande quantidade de gases e partículas poluentes na atmosfera, uma vez que, a matriz energética brasileira depende diretamente de fontes não renováveis de energia, como os combustíveis fósseis. Em meio ao cenário da crise energética, surge a necessidade de se buscar fontes alternativas e renováveis de energia, que possam atuar na redução de impactos, no abastecimento da demanda e na minimização da dependência por fontes poluidoras. A energia solar fotovoltaica é considerada uma excelente opção para a matriz energética brasileira, por constituir uma fonte renovável e limpa de geração de energia. Por esta questão, o presente trabalho tem como objetivo principal apresentar esta alternativa e elaborar um projeto de sistema fotovoltaico conectado à rede para uma residência localizada no município de Nova Mutum.

Os principais resultados evidenciaram que a energia solar fotovoltaica representa uma opção viável e promissora, capaz de suprir a demanda da residência, gerando excedente até para meses com baixa produção. LISTA DE FIGURAS Figura 1 – Sistema fotovoltaico on grid 15 Figura 2 – Estrutura básica de uma célula fotovoltaica 17 Figura 3 – Composição básica de um módulo fotovoltaico 20 Figura 4 – Sistema de compensação on grid 24 Figura 5 – Simulador Portal Solar 29 Figura 6 – Módulo CS6P – 265 P Canadian Solar 30 LISTA DE GRÁFICOS Gráfico 1 – Produção de energia por fonte no Brasil 11 Gráfico 2 – Irradiação solar diária média no plano horizontal (kWh/m². dia) 28 Gráfico 3 – Produção de energia pelo sistema fotovoltaico em plano horizontal (kWh) 32 Gráfico 4 – Produção de energia pelo sistema fotovoltaico em plano inclinado 13° N (kWh) 33 Gráfico 5 – Retorno Financeiro do Investimento 35 LISTA TABELAS Tabela 1 – Irradiação solar diária média (kWh/m².

dia) 27 Tabela 2 – Irradiação solar em relação a inclinação do plano (kWh/m². dia) 28 Tabela 3 – Estimativa de Custo da instalação do sistema fotovoltaico 34 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO 9 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 10 2. FONTES RENOVÁVEIS DE ENERGIA 10 2. Vantagens do uso da energia solar 22 2. PROGRAMAS DE INCENTIVO A GERAÇÃO FOTOVOLTAICA 23 2. Sistema de Compensação de Energia 24 3 METODOLOGIA 27 3. CARACTERIZAÇÃO DA ÁREA DE ESTUDO 27 3. A POTÊNCIA INSTALADA NECESSÁRIA PARA SUPRIR A DEMANDA 28 3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2. FONTES RENOVÁVEIS DE ENERGIA As fontes renováveis de energia representam as formas de produção de energia com base na exploração de processos e recursos naturais (água, vento, calor e radiações solares), que são considerados, por muitos, como inesgotáveis (PACHECO, 2006). Uma vez que, tais recursos são capazes de manter-se disponíveis durante um longo prazo, sendo continuamente e naturalmente reabastecidos em uma determinada escala de tempo, sem a possibilidade de esgotamento.

Os principais tipos de fontes renováveis podem ser resumidos em: hidráulica, biomassa, eólica, solar e geotérmica (VILLALVA; GAZOLI, 2012). Já as fontes não renováveis correspondem aquelas que se baseiam em recursos limitados, ou seja, esgotáveis, que, provavelmente, terão fim em um futuro próximo ou um período de médio a longo prazo (PACHECO, 2006). Desta forma, o desenvolvimento tecnológico tem permitindo, aos poucos, a utilização destas fontes como combustíveis alternativos, seja na produção de calor ou de eletricidade. As centrais hidrelétricas vêm, cada vez mais, ganhando força na matriz energética brasileira, de forma a constituir uma fonte convencional de geração de eletricidade (PACHECO, 2006). Acredita-se que até o ano de 2015, a matriz energética brasileira era composta por 42,5% de energias renováveis.

Uma das principais alternativas encontradas em crescimento na matriz é a energia eólica e a energia solar. A energia eólica foi responsável por expandir cerca de 62% de sua geração somente no ano de 2015, chegando a proporcionar mais de 12 terawatts por hora de energia gerada. A radiação solar é composta por ondas eletromagnéticas de diferentes frequências e comprimentos que, muitas vezes, podem ser percebidas pelo olho humano, formando um espectro de luz visível ou, apenas com o auxílio de aparelhos (NETO; CARVALHO, 2012). Esta radiação atinge a terra com valores aproximados de 1353 W/m², porém, quando é filtrada pela atmosfera, este valor é reduzido a 1000 W/m² (SANTOS, 2009). Sendo assim, a energia solar constitui a energia proveniente da luz e do calor do Sol, que se propaga até a Terra na forma de ondas eletromagnéticas e em forma de energia renovável, sendo considerada um recurso praticamente inesgotável (SANTOS, 2009).

De acordo com Tolmasquim (2016), a energia solar é resultante das radiações emitidas pelo Sol, aquela que pode ser aproveitada e utilizada por diferentes tecnologias, envolvendo os aspectos de aquecimento solar, efeito fotovoltaico e efeito heliotérmico. Definida como uma fonte de energia renovável e limpa, uma vez que, proporciona a geração de energia sem provocar impactos ambientais. Os materiais semicondutores possuem a capacidade de condução elétrica inferior à de um condutor metálico, mas, também, superior à de um elemento isolante. Por esta questão, não podem ser classificados como “condutores elétricos” e nem como “isolantes”. São caracterizados pela presença de uma banda de energia, que permite a presença de elétrons (banda de valência) e de outra totalmente “vazia”, nomeada como “banda de condução” (SANTOS; PEREIRA JÚNIOR; SANTOS, 2013).

Podem ainda vir a apresentar propriedades especificas, de acordo com a adição de dopantes ou impurezas (VILLALVA; GAZOLI, 2012). O sistema fotovoltaico (SFV) corresponde ao conjunto de elementos necessários para conversão direta da energia solar em energia elétrica, sendo constituído pelos seus principais componentes: painéis fotovoltaicos, inversores, dispositivos de controle e proteção, estrutura de suporte e baterias (TORRES, 2012). A instalação de um sistema abrange desde os módulos de geração fotovoltaica até a parte de fiação, que ligará o sistema às cargas ou à rede elétrica (SANTOS, 2009). E pode ser aplicado em diversos campos e especialidades, conectado diretamente a rede elétrica da concessionária ou atuando de forma isolada (ALMONDES, 2014). SISTEMA FOTOVOLTAICO CONECTADO À REDE Nos Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede Elétrica (SFVCR), também nomeados como on grid, a energia gerada por meio dos módulos fotovoltaicos, representa uma fonte complementar a energia da distribuidora, ao qual o usuário está conectado (GRIJÓ, 2014).

Ou seja, toda geração é entregue diretamente a rede elétrica que abastece a população (SANTOS; PEREIRA JÚNIOR; SANTOS, 2013). Sendo assim, são sistemas interligados à rede elétrica contribuem com a geração distribuída e disponibilizando, também, energia próxima ao ponto de consumo (SIQUEIRA; SANTOS, 2016). Composição Estrutural Os componentes básicos de um sistema fotovoltaico on grid, podem ser resumidos em: células fotovoltaicas, módulos fotovoltaicos, inversor, medidor bidirecional e dispositivos de proteção, que permitem a conversão da energia solar em forma de aproveitamento energético. E não necessitam, no caso, de controladores de carga ou baterias (VILLALVA; GAZOLI, 2012). Células Fotovoltaicas O efeito fotovoltaico, responsável pela conversão direta da luz em eletricidade (corrente elétrica), é realizado por meio de uma célula fotovoltaica, composta por materiais semicondutores com propriedades específicas (VILLALVA; GAZOLI, 2012).

Uma célula fotovoltaica, portanto, é composta por duas camadas de material semicondutor (P e N), uma grade de coletores metálicos superior e uma base metálica inferior (PINHO; GALDINO, 2014). As camadas semicondutoras da célula são fabricadas por diversos tipos de materiais, mas, atualmente, o mais utilizado é o silício. As células fotovoltaicas mais comuns encontradas no mercado, são as de silício monocristalino, as de policristalino e as do filme fino de silício, as quais produzidas em grande escala e disponibilizadas comercialmente mais que os outros tipos (TOLMASQUIM, 2016). O silício constitui o elemento químico semicondutor mais utilizado na fabricação de células, uma vez que, foi o primeiro material comercialmente usado para esta finalidade. As células de silício consistem, atualmente, na tecnologia com maior penetração no mercado, devido sua matéria-prima ser barata, abundante e não tóxica, bem como por apresentar um processo produtivo simples (VILLALVA; GAZOLI, 2012).

As células de silício monocristalino apresentam uma eficiência entre 15% a 18% e podem ser produzidas em diferentes formatos (redondas, semi-quadradas ou quadradas), dependendo da quantidade extraída do metal. As células com formato redondo costumam apresentar um custo inferior, sendo mais baratas que os outros dois tipos, uma vez que, a quantidade de material utilizado para sua fabricação é menor. O termo “filme fino” é utilizado para designar as diferentes tecnologias atuais, as quais são resumidas em: silício amorfo, silício microcristalino (mSi), telureto de cádmio (CdTe) e o cobre-índio-gálio-selênio (CIGS). As duas últimas ainda se encontram em desenvolvimento no mercado, mas já apresentando níveis consideráveis de eficiência (VILLALVA; GAZOLI, 2012). Módulos Fotovoltaicos Os módulos, ou também nomeados como placas e painéis fotovoltaicos, podem ser definidos como o conjunto de células conectadas eletricamente sobre uma estrutura rígida, com o objetivo de fornecer uma grande quantidade de energia e suprir a demanda por uma tensão maior, que uma única célula não é capaz de sustentar (VILLALVA; GAZOLI, 2012).

Desta forma, um modulo fotovoltaico é constituído por duas ou mais células fotovoltaicas conectadas entre si por meio de arranjos, que produzem tensões e correntes elétricas suficientes para abastecer qualquer procura e necessidade energética. Estes arranjos ao mesmo tempo que promovem a produção de energia, proporcionam proteção ao sistema de células (PINHO; GALDINO, 2014). Enquanto que na parte traseira do modulo, é instalada uma caixa de conexões elétricas, na qual são conectados cabos, normalmente, oferecidos junto ao módulo. Estes cabos possuem conectores padronizados, que permitem facilidade na conexão de módulos (FRANCO, 2013). Os módulos podem variar de acordo com suas especificações, como, por exemplo, o método de fabricação, a quantidade e os tipos de células, as dimensões (largura, altura e espessura), o peso, o tipo de material responsável por recobrir o módulo, o tipo de conector e a resistência mecânica (VILLALVA; GAZOLI, 2012).

A corrente elétrica produzida pelo módulo fotovoltaico depende diretamente do índice de radiação solar, que irá incidir sobre as células, bem como a quantidade destes materiais. Tipicamente estes equipamentos possuem de 36, 54 ou 60 células, dependendo de sua classe de potência (TOLMASQUIM, 2016). submetida ao processo de transformação, é aquela proveniente de baterias, células ou módulos fotovoltaicos, a qual é convertida de modo que a tensão c. a. de saída tenha amplitude, frequência e conteúdo adequado as cargas a serem alimentadas, assim abastecidas (PINHO; GALDINO, 2014). Este dispositivo eletrônico deve ser escolhido de acordo com o tipo de sistema fotovoltaico aplicado, em função do seu tamanho e de seus componentes, porém, é essencial que sejam equipados com um fusível de proteção de curto-circuito (VILLALVA; GAZOLI, 2012).

No Brasil, devem fornecer, no mínimo, uma tensão alternada na frequência de 60 Hz, visto que, este valor representa a frequência do sistema elétrico nacional. A instalação de sistemas fotovoltaicos permite a redução de linhas de transmissão e distribuição necessárias a rede elétrica (HAAS, 1994). Assim como proporciona benefícios sócio-econômicos e estratégicos, como o aumento da independência energética nacional, surgimento de oportunidades de emprego, diversificação e segurança no suprimento de energia, suporte na reestruturação do mercado energético e redução da dependência dos combustíveis importados (FRANCO, 2013). São necessárias poucas atividades de manutenção, devido a durabilidade dos equipamentos utilizados ser elevada, acredita-se que os módulos solares duram, em média, mais de 25 anos apenas com uma limpeza anual, o que reduz o custo de operação.

O maior valor empregado nestes sistemas encontra-se na etapa de construção/instalação de equipamentos, já na etapa de operação, é possível observar a redução de custos, comparada a rede “tradicional” de produção e distribuição de energia, visto que, também, não exige grandes investimentos em linhas de distribuição (BERLENGA, 2012). Os sistemas fotovoltaicos permitem ampliar a oferta de energia elétrica e ao mesmo tempo contribuir para a manutenção da matriz energética brasileira, possibilitando a atuação de fontes renováveis. Fonte: ANEEL (2014, p. Com esta possibilidade, o preço cobrado pelo consumo de energia passa a ser inferior, pois, do valor da energia consumida é subtraída a energia gerada no sistema fotovoltaico (NAKABAYASHI, 2015). De modo que, se a unidade consumidora acaba por gerar uma quantidade superior de energia, quando comparada a consumida, o excedente de energia passa a servir como crédito, sendo abatido em contas futuras (ANEEL, 2014).

Este instrumento representa um grande avanço para a regulamentação da micro e minigeração de energia no país, uma vez que, esta resolução permite a conversão do excedente de energia gerado em créditos energéticos, os quais podem ainda serem utilizados posteriormente (NAKABAYASHI, 2015). Beneficia a população e obriga as concessionárias de energia a adaptar-se à entrada de sistemas de geração distribuída com fontes alternativas (VILLALVA; GAZOLI, 2012). METODOLOGIA A base metodológica do presente trabalho consistiu na revisão bibliográfica, realizada a partir da coleta de informações em artigos, dissertações, monografias e teses, disponíveis na Biblioteca Nacional de Teses e Dissertações (BDTD) e nos mais diversos meios. Assim como na consulta de livros e manuais de sistemas fotovoltaicos, com o objetivo de dar base teórica a apresentação e discussão dos conceitos que envolvem a energia solar fotovoltaica.

Foi elaborado, também, um projeto de implantação de um sistema fotovoltaico, para uma residência bifásica localizada no município de Nova Mutum, que possua um consumo médio de aproximadamente 300 kWh/mês. Onde foram utilizados dados característicos do município de Nova Mutum, fórmulas matemáticas para determinar o número de painéis, a área a ser ocupada, o peso total do sistema, assim como sua capacidade de geração de energia e potência total a ser instalada. Além disso, foi estimado o custo de aquisição e implantação do sistema, com o objetivo de determinar o tempo de retorno do investimento, estabelecendo assim, uma análise econômica desta tecnologia. Tabela 2 – Irradiação solar em relação a inclinação do plano (kWh/m².

dia) Ângulo Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Média Plano Horizontal (0° N) 5,25 4,93 4,91 4,96 4,69 4,54 4,66 5,20 5,13 5,25 5,29 5,42 5,02 Igual a latitude (13°N) 4,92 4,77 4,93 5,25 5,21 5,18 5,27 5,64 5,26 5,14 5,00 5,03 5,13 Ângulo 15°N 4,86 4,73 4,92 5,28 5,27 5,27 5,34 5,68 5,26 5,10 4,94 4,96 5,13 Ângulo 7° N 5,09 4,86 4,94 5,14 4,99 4,91 5,01 5,46 5,22 5,21 5,16 5,23 5,10 Fonte: CRESESB (2018) 3. A POTÊNCIA INSTALADA NECESSÁRIA PARA SUPRIR A DEMANDA Para estimar a potência necessária a ser instalada na residência, para suprir a demanda de 300 kWh/mês, foi utilizado o simulador do Portal Solar, que determinou que o sistema gerador de energia solar, com base nas características do município de Nova Mutum e geração mensal requerida, deve apresentar uma potência mínima de 2,45 kWp instalada, para atender a demanda de eletricidade de forma segura, como demonstra a Figura 5. Fonte: PORTAL SOLAR (2018) 3. ESCOLHA DO MÓDULO FOTOVOLTAICO Para dimensionar o sistema fotovoltaico a ser aplicado em uma residência localizada no município de Nova Mutum foi escolhido, inicialmente, um tipo de módulo fotovoltaico, que será utilizado para compor e determinar a estrutura do sistema.

A energia mensal produzida pelo sistema (ED), levou em consideração as irradiâncias médias (IM), a área total dos painéis (APT), a eficiência do sistema (ηp) e a taxa de desempenho do sistema (TD) (BRITO, 2016). Na taxa de desempenho do sistema, segundo Caldas e Moisés (2016), deve ser adotado o valor de 0,75, visto que, considera perdas diversas encontradas, geralmente, no sistema fotovoltaico. Resultando na seguinte fórmula, de acordo com Brito (2016): ED = IM x APT x ηp x TD (2) 3. ANÁLISE DE CUSTO Para a análise de custos foram pesquisados valores referentes a estrutura do sistema dimensionado, compondo o valor de aquisição. Foi, também, estimado o tempo de retorno do investimento, utilizando como base a tarifa residencial cobrada pela distribuidora ENERGISA, correspondente a R$0,79/kWh.

É importante ressaltar que estes 8 meses são responsáveis, também, por gerar uma quantidade de energia excedente significativa, capaz de compensar os 4 meses com geração inferior. O mês caracterizado pela maior geração de energia representa agosto (337, 11 kWh) e o de menor produção energética corresponde a fevereiro (285,11 kWh). Com isso, percebe-se que a melhor alternativa para a disposição das placas solares na cobertura da residência constitui a orientação em plano inclinado. Levando em consideração o projeto do sistema fotovoltaico estabelecido no presente trabalho, para calcular a estimativa do valor de aquisição e implantação da estrutura, optou-se por utilizar valores de mercado, dos componentes. Desta forma, foi levantado o valor correspondente a: 10 painéis solares fotovoltaicos Canadian Solar CS6P – 265 P, 1 inversor Fronius Galvo 2.

Uma vez que, esta tecnologia é capaz de suprir a demanda por eletricidade e possibilitar que o consumidor esteja imune ao aumento constante das tarifas, empregadas pelas distribuidoras. Além disso, o valor de investimento (R$18. pode ser retornado entre o sexto e sétimo ano de uso da estrutura fotovoltaica, como evidência o Gráfico 5. Ou seja, até o meio do sexto ano, o valor de aquisição é recuperado, e o sistema passa a gerar ganhos reais e diretos ao consumidor, além daqueles investidos. A estrutura fotovoltaica estabelece um ganho anual de R$2908,71. I. Energia solar fotovoltaica para fins de iluminação em trechos ferroviários: estudo e aplicação. f. Dissertação (Mestrado em Energia e Ambiente). Universidade Federal do Maranhão – Centro de Ciências Exatas e Tecnologia.

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