UM ESTUDO SOBRE A ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA: SISTEMAS AUTÔNOMOS E CONECTADOS À REDE ELÉTRICA

Titulação Nome do Professor(a) Prof(a). Titulação Nome do Professor(a) Cuiabá, X dia de junho de 2019 Dedico este trabalho a todos familiares que sempre estiveram presentes em todos os momentos de minha vida, em especial aos meus pais, toda minha família que acreditou em meu potencial e aos amigos e colegas de curso que sempre me apoiaram. AGRADECIMENTOS Primeiramente quero agradecer a Deus pela oportunidade em poder estar concluindo este curso de graduação com louvor, e estar sempre evoluindo tanto como profissional, quanto uma pessoa melhor. Em geral quero agradecer a todos os amigos e familiares que diretamente ou indiretamente sempre nos ajudaram. Em especial meu pai Roberto, minha mãe Margarete, as minhas irmãs Gabriella e Déborah e minha namorada Ketalin que sempre me incentivaram e sempre estiveram ao meu lado nas horas mais difíceis.

Para o desenvolvimento deste trabalho utilizou-se a metodologia de Revisão da Literatura, a qual foi baseada em diversos autores da área. Assim, foi possível obter uma visão global sobre a necessidade de investimento em energias renováveis, verificou-se também, que ao passar do tempo foram aprimorados os meios de produção, tornando o sistema solar mais acessível e determinou-se que há dois tipos de sistemas utilizados, os sistemas off grid e on grid. Sendo que, os sistemas on grid o são pouco divulgados e tem um custo de instalação elevado, já os off grid possuem autonomia de energia, e possibilita ter em mãos mini placas solares. Após o estudo constata-se que o sistema solar fotovoltaico é o método de geração de energia alternativa mais viável a de nível custo, se comparado com outras fontes alternativas de grande porte, fazendo com que esse sistema seja cada vez mais utilizado no mundo.

Palavras-chave: Energia fotovoltaica; Sistemas fotovoltaicos; on grid; off grid TREVISAN, Marcelo. Keywords: Photovoltaics; Photovoltaic systems; on grid; off grid LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 1 - A máquina à vapor 13 Figura 2 - Turbina eólica 15 Figura 3 - Ciclo da água 16 Figura 4 - Força gravitacional e a influência nas marés 17 Figura 5 - Matriz energética 18 Figura 6 - Sistema Fotovoltaico Off grid 30 Figura 7 - Sistemas fotovoltaico SFD 31 Figura 8 - Sistema de mini rede fotovoltaico 32 Figura 9 - Sistema fotovoltaico On Grid 34 Figura 10 - Sistema de Micro geração 35 Figura 11 - Sistema de Minigeração 35 Figura 12 - Usina de energia fotovoltaica 36 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica CA Corrente Alternada CC Corrente Contínua CLP Controladores Lógicos Programáveis DPS Proteção Contra Surtos Hz Hertz PWM Pulse Width Modulation MPPT Maximum Power Point Tracking IEA International Energy Agency SFA Sistemas Fotovoltaicos Autônomos SFC Sistemas Fotovoltaicos Conectados SFD Sistemas Fotovoltaicos Domiciliares SPDA Sistemas de Proteção Contra Descargas Atmosféricas SPPM Pontos De Potência Máxima USCA Unidade de Supervisão em Corrente Alternada V Volts W Watts SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO 10 2 ENERGIA ELÉTRICA E DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL 12 2.

O HOMEM E SUA NECESSIDADE ENERGÉTICA 12 2. AS PRINCIPAIS FONTES DE ENERGIAS RENOVÁVEIS 13 2. Sol 14 2. Sol e o vento 14 2. Inversores 25 3. Controladores de carga 26 3. Baterias 27 3. Dispositivos de controle/armazenamento de dados 28 4 AUTÔNOMOS E CONECTADOS À REDE ELÉTRICA 29 4. SISTEMA FOTOVOLTAICO AUTÔNOMO / OFF GRID 29 4. Em busca de atingir o objetivo deste trabalho os objetivos específicos foram: Elucidar sobre a crescente demanda de energia elétrica e os impactos ambientais, detalhar energia solar fotovoltaica e os principais componentes e por fim, demonstrar o sistema operacional dos geradores on grid e off grid. O tipo de pesquisa realizado neste trabalho foi uma revisão de literatura no qual foi realizada uma consulta a livros, dissertações e artigos científicos através de busca nas seguintes bases de dados (livros, sites de banco de dados, artigos acadêmicos) “Energia Elétrica para o desenvolvimento sustentável”, “Sistemas e aplicações de Energia Alternativa” e “Energia e Meio Ambiente”.

O período dos artigos pesquisados foram os trabalhos publicados nos últimos “15 “anos. As palavras-chave utilizadas na busca foram: Energia fotovoltaica, Sistemas fotovoltaicos, on grid e off grid. ENERGIA ELÉTRICA E DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL Todos os recursos disponíveis no planeta possuem limitações de consumo, uma vez que as fontes não são renováveis, para que haja extração destes recursos, necessariamente se agride ao meio ambiente, seja na sua fase de extração ou seja na sua fase de consumo; isso tem sido um dos grandes problemas da humanidade, os efeitos dessa agressão ao meio ambiente são percebidos em todo globo terrestre, uma vez que as mudanças climáticas pela interferência do homem ficam cada vez mais evidentes. Fornecendo algo próximo de 4 trilhões de megawatts-hora todos os dias, chegando a superar em 30 mil vezes a quantidade total de energia que é consumida ao redor do planeta, parte desta energia recebida na Terra pela radiação solar é devolvida para o espaço através do efeito de reflexão na atmosfera terrestre, representando um total de 60%, ou seja, apenas 40% da energia liberada pelo Sol que chega ao planeta efetivamente possui potencial de aproveitamento, isso representa aproximadamente 5,6 milhões de vezes a energia produzida pelas usinas de Itaipu; considerada uma das maiores usinas do planeta (BRANCO, 2004).

Sol e o vento A movimentação dos ventos se dá basicamente pela ação direta da radiação emitida pelo Sol, através do calor há uma variação de temperatura na atmosfera terrestre causando diferentes fluxos de correntes de vento, quando o ar é aquecido ele se movimenta e sobe, adquirindo uma propriedade mais rarefeita, deixando-o mais leve; isso causa uma queda da pressão atmosférica, partindo do princípio contrário, quando o ar está menos aquecido, torna-se mais denso e com maior pressão, causando uma queda dessa massa de ar mais fria; em certos momentos essas movimentações ganham maiores velocidades, formando assim os furacões (BRANCO, 2004). A Figura 2 mostra um Aerogerador. Figura 2 - Turbina eólica O aproveitamento do vento em forma de energia elétrica se dá através da utilização de turbinas eólicas, estas possuem a função de através do processo mecânico dos movimentos das pás transformar o movimento em energia; possuem custo operacional próximo de zero, por isso é uma matriz que mais cresceu entre todas a fontes renováveis nos últimos anos (HODGE, 2018).

Sol e o ciclo das águas A hidrologia estuda o movimento das águas na superfície terrestre, estuda também suas propriedades físicas e químicas, buscando uma compreensão com o meio ambiente (BRANCO, 2004). Energia não renovável: petróleo e carvão O emprego de combustíveis fósseis como meio de obtenção de energia (petróleo e carvão) além de causarem enormes impactos ambientais não são fontes renováveis; tanto na sua extração quanto na sua utilização, através do efeito estufa, aumentando a temperatura do planeta e causando mudanças climáticas no globo terrestre, além do agravamento da temperatura existe também o problema no lançamento de gases tóxicos, sendo fortemente sentido nos grandes centros urbanos; afetando a saúde da população, dos animais e das plantas, segundo Branco (BRANCO, 2004), os maiores problemas pela queima de combustíveis fósseis e a queima do carvão podem gerar: a) desequilíbrio dos gases na atmosfera; b) efeito estufa; c) aquecimento global; d) chuva ácida; e) poluição dos mares e oceanos; f) poluição dos rios e nascentes; g) infecções respiratórias.

Energia não renovável: gás Natural A utilização do gás natural como fonte de energia causa menos impacto que o uso do petróleo, más não deixam de impactar o meio ambiente, possuem como produto final gases tóxicos, causando diversos problemas, conforme Branco (BRANCO, 2004) descreve: a) risco de asfixia; b) explosão e incêndio; c) acumulam-se em partes mais elevadas por serem mais leves que o ar; d) energia não renovável; 2. Biomassa e energia nuclear A biomassa é definia como sendo qualquer material de origem biológica recente (HODGE, 2018). A queima de energias provenientes da biomassa renovável e a obtenção da energia através do processo nuclear são as opções mais apropriadas frente as matrizes de energias não renováveis, pode-se citar conforme apontado por Branco (BRANCO, 2004) como sendo fontes de biomassa: a) lenha; b) carvão vegetal; c) álcool; d) excremento de cavalos e vacas.

A energia nuclear, apesar de possuir baixo impacto ambiental para sua obtenção, possui algumas desvantagens no seu emprego: e) contaminação por rejeitos de produção nuclear; f) risco de acidentes radioativos; g) risco de contaminação por acidentes e vazamentos. A energia elétrica partindo de a luz solar é gerado devido à presença de um material semicondutor nas células e à organização estrutural destas. Um semicondutor é um material com características intermédias entre um condutor e um isolante (NASCIMENTO, 2004), que podem ser modificadas pela adição de materiais dopantes ou impurezas (VILLALVA, 2015). Por ser um material barato e abundante, cerca de 95% de todas as células fotovoltaicas fabricadas mundialmente são constituídas por silício. O silício é o segundo elemento mais abundante da Terra, podendo ser encontrado, ainda que em diferentes formas (como óxidos e silicatos) e nunca livre, em argilas, quartzos, granitos, areias, entre outros.

Em temperatura ambiente, é encontrado em estado sólido e é um elemento importante para a vida animal e vegetal, sendo parte, inclusive, do esqueleto humano (UNESP, 2016). Essa camada pode ser de nitreto de silício, dióxido de titânio ou outro material menos utilizado (VILLALVA, 2015). CUSTOS BÁSICOS A definição e estimativa dos investimentos necessários para a instalação de um sistema fotovoltaico podem ser realizadas tomando como base os preços internacionais de módulos e inversores, sendo necessária a adição dos custos de frete, seguro, taxas, tributos e importação, para que seja obtido o preço nacionalizado dos equipamentos. Devem-se considerar também os custos de cabos, materiais extras, projeto e instalação, obtendo como resultado final o “Preço por Watt-pico” instalado (NAKABAYASHI, 2014).

A unidade de medida Watt-pico (Wp) é muito utilizada para painéis fotovoltaicos e corresponde à potência em W fornecida por um painel em condições especificas e reproduzidas em laboratório, sendo a potência máxima que ele pode fornecer em condições ideais (SUNLAB POWER, 2001). De acordo com Nakabayashi (2014), as premissas que podem ser adotadas para se estimar o custo nacionalizado dos equipamentos do sistema fotovoltaico são: a) incidência de imposto de importação (ii) sobre módulos de 12% e 14% para inversores importados; b) alíquota do Imposto sobre Produtos Industrializados (IPI), incidente sobre módulos fotovoltaicos, de 0%; c) incidência de ICMS para inversores em 12% (desconsiderando a variação estadual da alíquota); d) incidência de PIS (1,65%) e COFINS (7,6%) sobre os módulos e inversores; e) utilização de valores representativos de serviços aduaneiros.

Grande cuidado deve ser tomado durante a seleção das células que serão conectadas para a produção do painel, devido à possibilidade de ocorrer uma incompatibilidade delas, resultando em um painel de baixa qualidade e desempenho (PINHO; GALDINO, 2014). Os módulos que podem ser encontrados no mercado podem ser divididos em duas categorias em função do número de células ligadas em série e de sua faixa de potência: módulos de 60 células, com potências de pico entre 240 W e 250 W, e módulos de 36 células, com potências entre 130 W e 140 W. Os últimos são mais indicados para sistemas fotovoltaicos autônomos, por apresentar tensão de saída reduzida, sendo apropriados para sistemas fotovoltaicos de baixa tensão. Já os módulos de 60 células, por apresentarem valores de tensão mais elevados, são impróprios para aplicação em 12 V (tensão de operação de sistemas autônomos), sendo indicados para os sistemas fotovoltaicos conectados à rede elétrica (VILLALVA, 2015).

Inversores O inversor é o equipamento eletrônico responsável por converter a energia elétrica gerada pelos painéis, de Corrente Contínua (CC) para Corrente Alternada (CA). Um problema observado nesses ajustes é a variação da tensão da bateria de acordo com seu estado de carga (além de fatores como envelhecimento, entre outros), o que torna difícil a definição de um valor único de tensão para regular o controlador (VERA, 2004). Dependendo de quão sofisticado e moderno for o aparelho escolhido para integrar o sistema, ele pode contar com sensores que emitem um alerta sonoro caso ocorra algum problema ou irregularidade; sensores de temperatura para ajustar os valores dos parâmetros à temperatura a qual o sistema está sendo submetido em determinado período; capacidade de gerenciamento do carregamento da bateria, de forma a respeitar seu perfil de carga característico; e recursos de rastreamento do ponto de máxima potência do(s) módulo(s) do sistema de forma a maximizar sua eficiência (VERA, 2004; VILLALVA, 2015).

Para proteger o sistema de sobrecargas e descargas excessivas, o controlador monitora a tensão nos terminais da bateria e (I) desconecta o(s) módulo(s) do sistema, quando a bateria atinge seu nível máximo; (II) interrompe o consumo do sistema quando a bateria atinge um nível crítico de carga, impedindo que sua vida útil seja comprometida. A conexão do módulo com a bateria é feita pelo próprio circuito interno do controlador, e de nenhuma forma esta deve ser conectada diretamente às placas fotovoltaicas. Da mesma forma, a conexão dos consumidores (inversor ou diretamente aos aparelhos) também deve ser feita ao controlador, permitindo o funcionamento do sistema de proteção de descargas excessivas. Por sua vez, a associação em paralelo resulta em uma tensão final igual à tensão individual das baterias agrupadas, enquanto a corrente final é a soma das individuais, o que é adequado para sistemas em que correntes maiores são esperadas.

Claramente, se o objetivo do sistema for a obtenção tanto de tensões maiores quanto de correntes maiores que aquelas fornecidas por uma bateria individual, é possível a associação conjunta em série e paralelo de baterias (VILLALVA, 2015). Dispositivos de controle/armazenamento de dados Embora tanto os Sistemas Fotovoltaicos Autônomos (SFA) como os Sistemas Fotovoltaicos Conectados à rede (SFC) sejam bem confiáveis, a ocorrência de falhas ou defeitos inesperados pode demorar a ser detectada, pois os SFA operam geralmente em regiões isoladas e os SFC operam em paralelo com a rede, podendo causar queda no desempenho ou até mesmo colapso do sistema (PINHO; GALDINO, 2014). Desse modo, a adoção de dispositivos auxiliares de proteção é essencial para a garantia do bom funcionamento do sistema. Esses dispositivos podem ser disjuntores, dispositivos de Proteção Contra Surtos (DPS), sistemas de aterramento, e Sistemas de Proteção Contra Descargas Atmosféricas (SPDA).

Este tipo de dispositivo é amplamente utilizado em áreas ou regiões com pouca ou nenhuma rede de elétrica tradicional, facilitando a demanda exigida dentro da localidade. Em lugares que consistem em fazendas, ilhas e comunidades isoladas na Amazônia, por exemplo, um dispositivo fotovoltaico pode ser a grande opção para geração local de energia. Esse sistema é muito utilizado para atender a demanda de uma única unidade consumidora ou formando uma mini redes interligando consumidores próximos. O controle da utilização energia através da utilização das baterias oferece um sistema bastante confiável, possibilitando abastecer energia elétrica para a utilização em períodos de pouca irradiação solar, porém nesse sistema a bateria é o maior problema, pois seu tempo útil chega a apenas 48 a 60 meses, sendo necessária trocar ela periodicamente, além de manutenção mais frequente o que impacta o financiamento do projeto (PINHO; GALDINO, 2014).

Sistemas isolados podem ser individuais ou mini rede. atendimento misto c. c. c. a. e atendimento exclusivo em c. Figura 8 - Sistema de mini rede fotovoltaico Fonte: Instituto de Energia e Ambiente de São Paulo (2018) Este esquema, comprovado na Figura 8, sugere parte de um sistema SHS (sistema hibrido solar), que oferece a mesma capacidade e elementos do mini rede. “Alguns sistemas isolados não necessitam de armazenamento, o que é o caso 28 da irrigação onde toda a água bombeada é diretamente consumida ou estocada em reservatórios” (CÂMARA, 2011, p. De acordo com a página web do Portal Solar (2008), as vantagens com este sistema são: alta confiabilidade não tem componentes móveis, o que pode ser muito útil em aplicações em locais isolados. A portabilidade fácil e adaptabilidade dos módulos permitem montagens simples e adaptáveis às diversas necessidades de módulos.

Os sistemas podem ser dimensionados para aplicações de alguns miliwatts ou quilowatts. Os sistemas fotovoltaicos ligados à rede podem ser representados de três formas: usinas de geração elétrica, micro usina ou miniestruturas distribuídas descentralizadas montadas em qualquer tipo de consumido. Este sistema pode ser categorizado em três classes, de acordo com seu potencial de acordo com as definições da Aneel. São eles: micro geração até 100KW, mini geração entre 100kW e 1MW e usina de eletricidade acima de 1MW, como afirma Villalva (2012). Em seguida, as três classes de geração de eletricidade através do dispositivo fotovoltaico ligado à rede podem ser definidas e exemplificadas. Sistema de micro geração Segundo Villalva (2015) são pequenas estruturas com potência até 100 kW, isoladas em locais de diminuição do consumo de energia elétrica.

Esta versão da geração elétrica está crescendo dentro do mundo, em que a prioridade é cada vez mais para elevar o nível de manutenção ambiental. A moda mundial é aproveitar mais a oferta de energia solar que, embora usada drasticamente, terá queda nos preços de implantação. Essas e grandes iniciativas estão em gestação ou implantação em algumas nações, incluindo o Brasil. Figura 12 - Usina de energia fotovoltaica Fonte: Portalsolar (2018) As usinas de energia fotovoltaica, são grandes estruturas fotovoltaicas, para satisfazer altas necessidades de energia elétrica em uma localidade. “Os sistemas fotovoltaicos podem ser usados na construção de usinas de geração de energia elétrica conectadas ao sistema elétrico através de transformadores e linha de transmissão” (CÂMARA, 2011, p.

Portanto, diante do exposto considera-se que estre trabalho cumpriu com o seu objetivo de discutir as principais características do sistema solar fotovoltaico demonstrando as principais características dos sistemas on grid e off grid. Para trabalhos futuros, pretende-se realizar estudos sobre materiais alternativos para a confecção de painéis solares, além de investigar se a eficiência energética provida por estes painéis é maior que a dos painéis convencionais. Além disso, pretende-se também realizar uma pesquisa bibliográfica sobre os sistemas de transformação de energia geotérmica para energia elétrica. REFERÊNCIAS AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA. Banco de informações da geração. br/cedoc/ren2015687. pdf>. Acesso em: 18 de fevereiro de 2019 às 14h32min). BORGES NETO, Manuel Rangel; DE CARVALHO, Paulo Cesar Marques.

Geração de energia elétrica: fundamentos. JUCÁ, Sandro Cesar Silveira. FREIRE, Cristiano. Programa didático de dimensionamento de sistemas fotovoltaicos autônomos. Congresso Brasileiro de Ensino de Engenharia – COBENGE. Rio de Janeiro, 2003. Disponivel em: < http://www. geosolar. com. br/projetos>(Acesso em: 21 de abril de 2019 às 20h34min). HODGE, Brian Keith. Disponível em: <https://www. iea. org/publications/freepublications/publication/ TechnologyRoadmapSolarPhotovoltaicEnergy_2014edition. pdf>. Acesso em: 17 de abril de 2019 às 16h25min). Microgeração fotovoltaica no Brasil: condições atuais e perspectivas futuras. p. Dissertação Mestrado - Instituto de Energia e Ambiente, Universidade de São Paulo, São Paulo, 2014. Disponível em:< https://www. teses. com. br/files/monografia_cassio. pdf>. Acesso em: 15 de abril de 2019 às 17h15min). NEOSOLAR. PINHO, João Tavares; GALDINO, Marco Antônio. Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos.

Rio de Janeiro: 2014. Disponível em <https://www. portal-energia. Acesso em: 14 de abril de 2019 às 14h25min). SOOLENERGIA. Energia solar. Disponível em: < http://www. soolenergia. html > (Acesso em: 15 de abril de 2019 às 15h25min). VERA, Luis Horacio. Programa computacional para dimensionamento e simulação de sistemas fotovoltaicos autônomos. Dissertação Mestrado. Porto Alegre: UFRS, 2004. ed. São Paulo: Érica, 2012. WES2ASTRONOMY. Lua e sua influência. Disponível em < http://wes2astronomy.