estudo da viabilidade tÉcnica da utilizaÇÃo da energia solar tÉrmica e fotovoltaica em...
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Os avanços tecnolóogicos, o crescimento da economia e a constante preocupação com o meio ambiente, remete a uma preocupação com a disponibilidade de energia e os impactos ambientais que as fontes tradicionais causarão para suprir esta necessidade crescente, como adequar a necessidade com a oferta de energia. O uso de fontes alternativas de energias como a energia solar podem suprir esta necessidade, neste trabalho será mostrado duas formas de utilizaçãode fonte energética, a energia solar térmica utilizando o calor fornecido pelo sol para aquecimento de água para uso residencial, ou um fluido de trabalho para uso industrial. E a energia solar fotovoltaica que transforma a luz fornecida pelo sol em energia elétrica para os mais variados fins.Estas duas formas de aproveitamento do sol como fonte primária de energia, além de garantir o acesso a energia em localidade remotas, quando utilizadas em localidades quejá são atendidas pelas concessionárias do setor elétrico podem suprir grande parte ou totalmente a demanda por eletricidade de uma residência, trazendo uma redução considerável na conta e energia das residências que dispuserem destes equipamentos. Além do impacto direto na conta de energia da residência, o uso deste sistemas também proporciona uma diminuição da carga sobre o sistema elétrico nacional, diminuindo o investimento na ampliação das redes de distribuição e na construção de novas usinas hidrelétricas ou termoelétricas, diminuindo aemissão de carbono e contribuindo para a preservação do meio ambiente.TRANSCRIPT
Centro Universitario de Araraquara - UNIARADepartamento de Ciencias da Administracao
e Tecnologia
Engenharia Eletrica
ESTUDO DA VIABILIDADE T ECNICA DAUTILIZAC AO DA ENERGIA SOLAR T ERMICA
E FOTOVOLTAICA EM RESID ENCIAS.
CARLOS EDUARDO RIBEIRO
ARARAQUARA
2011
CARLOS EDUARDO RIBEIRO
ESTUDO DA VIABILIDADE T ECNICA DAUTILIZAC AO DA ENERGIA SOLAR T ERMICA
E FOTOVOLTAICA EM RESID ENCIAS.
Trabalho de Conclusao de Curso (TCC) apresentado aoDepartamento de Ciencias da Administracao e Tecnolo-gia, do Centro Universitario de Araraquara - UNIARA,como parte dos requisitos para obtencao do tıtulo de En-genheiro Eletricista.
Orientador: Prof. Msc. Fernando A. de Andrade Sobrinho
Co-orientador:Stela Letıcia Bisinotto
ARARAQUARA
2011
ii
Trabalho de Conclusao de Curso sob o tıtulo”ESTUDO DA VIABILIDADE TECNICA
DA UTILIZACAO DA ENERGIA SOLAR TERMICA E FOTOVOLTAICA EM RESIDENCIAS.”,
defendida por Carlos Eduardo Ribeiro e aprovada em 11 de Novembro de 2011, em Araraquara,
Estado de Sao Paulo, pela banca examinadora constituıda pelos professores:
Prof. Msc. Fernando Araujo de Andrade SobrinhoOrientador
Stela Letıcia BisinottoCo-orientador
Prof. Adilson MassaCentro Universitario de Araraquara - Uniara
Nota
iii
A minha famılia, que nos momentos de minha ausencia
dedicados ao estudo superior, sempre me apoiaram e
entenderam que o futuro,e feito a partir da constante
dedicacao no presente e aos meus amigos, minha segunda
famılia que os lacos de amizade construıdos neste anos se
tornem cada vez mais fortes!!!
iv
AGRADECIMENTOS
Aquele que me permitiu tudo isso, ao longo de toda a minha vida, e nao somente nestes
anos como universitario, a voce meu DEUS, obrigado!Es o maior mestre que uma pessoa pode
ter e conhecer.
Ao meu pai Carlos, que mesmo nao mais estando ao meu lado ensinou a enfrentar as lutas
e os desafios desta vida, ensinou me a ter carater e continuarsempre em frente, e a minha
mae Dolores que com sua simplicidade mostrou a todos que o amor e a dedicacao podem fazer
coisas maiores que o dinheiro, sempre se dedicou aos seus filhos e me serviu de exemplo, de
luta, perseveranca e conquistas. Aos meus irmaos Ana Carla e Rafael Henrique agradeco todo
o amor, carinho, compreensao e respeito.
Agradeco a todos os professores, mestres nesta longa jornada transmitiram conhecimento e
experiencias. Em especial ao Prof. Fernando A. de Andrade Sobrinho orientador deste trabalho,
a Professora Stela L. Bisinotto pela co-orientacao, ao Prof. Anderson Betiol pelo grande auxilio
no uso daLATEXe ao nosso coordenador Cristiano Minotti pelas lutas para a melhoria do nosso
curso.
Aos amigos daBlue Solque me abriram as portas da energia solar e o horizonte das energias
renovaveis. Tenho muito mais a agradecer e a muitas outras pessoas nao cito nomes para nao
ser injusto com todos que me auxiliaram ate aqui.
Muito obrigado a todos!
Carlos Eduardo Ribeiro
v
RESUMO
Os avancos tecnologicos, o crescimento da economia e a constante preocupacao com o meioambiente, remete a uma preocupacao com a disponibilidadede energia e os impactos ambien-tais que as fontes tradicionais causarao para suprir esta necessidade crescente, como adequar anecessidade com a oferta de energia. O uso de fontes alternativas de energias como a energiasolar podem suprir esta necessidade, neste trabalho sera mostrado duas formas de utilizacaode fonte energetica, a energia solar termica utilizando ocalor fornecido pelo sol para aqueci-mento de agua para uso residencial, ou um fluido de trabalho para uso industrial. E a energiasolar fotovoltaica que transforma a luz fornecida pelo sol em energia eletrica para os mais va-riados fins.Estas duas formas de aproveitamento do sol como fonte primaria de energia, alemde garantir o acesso a energia em localidade remotas, quandoutilizadas em localidades queja sao atendidas pelas concessionarias do setor eletrico podem suprir grande parte ou total-mente a demanda por eletricidade de uma residencia, trazendo uma reducao consideravel naconta e energia das residencias que dispuserem destes equipamentos. Alem do impacto diretona conta de energia da residencia, o uso deste sistemas tambem proporciona uma diminuicaoda carga sobre o sistema eletrico nacional, diminuindo o investimento na ampliacao das redesde distribuicao e na construcao de novas usinas hidrel´etricas ou termoeletricas, diminuindo aemissao de carbono e contribuindo para a preservacao do meio ambiente.
Palavras-chave:Energia eletrica, energia alternativa, energia fotovoltaica, reducao do con-sumo, eficiencia energetica.
vi
ABSTRACT
Advances in technology, economic growth and constant concern about the environment, refersto a concern about the availability of energy and environmental impacts that cause traditionalsources to meet this growing need, such as the need to adjust the supply of energy. The useof alternative energy sources like solar energy can meet this need. So, his work will show twoways to use energy source, solar thermal energy using the heat supplied by the sun to heat waterfor residential use, or a fluid work for industrial use. And the photovoltaic solar energy thatturns the light provided by the sun into electrical energy for various purposes. These two waysof harnessing the sun as a primary source of energy, and ensure access to energy in remotelocations when used in locations that are already served by utilities in the electricity sector canmeet most or all of the electricity demand of a residence , bringing a considerable reductionin residential energy bill and their possession of such equipment. Besides the direct impacton the energy bill of the residence, the use of this system also provides a reduced load on thenational electrical system, reducing the investment in theexpansion of distribution networks andbuilding new power plants or power plants, reducing the emission of carbon and contributing tothe environment preservation.
Key-words: Electricity, alternative energy, photovoltaics, reducing consumption, energyefficiency.
vii
SUMARIO
Lista de Figuras x
Lista de Tabelas xii
Lista de Abreviaturas e Siglas xiii
1 INTRODUCAO 15
1.1 Contextualizacao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 15
1.2 Justificativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16
1.3 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.4 Problemas e Hipotese de Pesquisa . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 17
1.5 Metodologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2 FONTES DE ENERGIA 19
3 CONCEITO ENERGIA SOLAR 21
3.0.1 Disponibilidade da Energia Solar . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 23
3.0.2 Metodos de Captacao da Energia Solar . . . . . . . . . . . .. . . . . . 24
3.1 ENERGIA SOLAR TERMICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.1.1 Sistema de Aquecimento Solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 25
3.1.2 Classificacao de um sistema de aquecimento solar . . .. . . . . . . . . 26
3.1.3 Coletores Solares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.1.4 Reservatorio Termicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 30
3.2 ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
viii
3.2.1 Efeito fotovoltaico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32
3.2.2 Tipos de celulas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.2.2.1 Silıcio monocristalino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.2.2.2 Silıcio policristalino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35
3.2.2.3 Silıcio amorfo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.2.3 Modulos fotovoltaicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 37
3.2.4 Caracterısticas eletricas dos modulos fotovoltaicos . . . . . . . . . . . 38
3.2.5 Baterias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.2.5.1 Caracterısticas das baterias . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 40
3.2.5.2 Tipos de Baterias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.2.6 Controladores de carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41
3.2.6.1 Detalhamento das caracterısticas e funcoes . . .. . . . . . . 42
3.2.7 Inversores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2.7.1 Tipos de inversores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.2.7.2 Caracterısticas do inversores . . . . . . . . . . . . . . . .. . 44
3.2.8 Tipos de sistema fotovoltaico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 46
3.2.8.1 Sistemas isolados - OFF GRID . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.2.8.2 Sistema conectado a rede eletrica - ON GRID . . . . . . .. . 47
4 ESTUDO DE CASO 51
4.1 Energia Solar Termica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 51
4.2 Sistema solar fotovoltaico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 57
4.3 Calculo do novo consumo de energia eletrica. . . . . . . . .. . . . . . . . . . 57
4.4 Custos de implantacao e prazo de retorno do investimento. . . . . . . . . . . . 62
5 CONCLUSAO 67
Referencias 69
ix
Anexo A -- Relatorio - software Dimensol 72
Anexo B -- Relatorio - software Sunny Desgin 80
x
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 Fontes de energia obtencao, usos, vantagens e desvantagens . . . . . . . 20
Figura 2 Planisferio solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 23
Figura 3 Concentradores solares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 25
Figura 4 Sistema termossolar de pequeno porte . . . . . . . . . . . .. . . . . . 26
Figura 5 Desenho esquematico de um sistema de aquecimento solar residencial . 27
Figura 6 Instalacao em Circulacao forcada . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 28
Figura 7 Sistemas acoplados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 28
Figura 8 Representacao esquematica de um sistema de aquecimento solar ope-
rando em circuito indireto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 29
Figura 9 Coletor Solar Plano. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 30
Figura 10 Ilustracao do reservatorio termico em corte .. . . . . . . . . . . . . . . 31
Figura 11 Corte transversal de uma celula fotovoltaica . . .. . . . . . . . . . . . 33
Figura 12 Efeito fotovoltaico na juncao pn . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . 34
Figura 13 Celula de silıcio monocristalino . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 35
Figura 14 Celula de silıcio policristalino . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 36
Figura 15 Celula de silıcio amorfo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 37
Figura 16 Painel solar fotovoltaico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 38
Figura 17 Ligacoes das celulas fotovoltaicas dentro do modulo . . . . . . . . . . . 39
Figura 18 Formas de ondas tıpicas dos inversores monofasicos. . . . . . . . . . . . 45
Figura 19 Caracterısticas de inversores com diferentes formas de onda . . . . . . . 48
Figura 20 Configuracao basica de um sistema fotovoltaico. . . . . . . . . . . . . . 49
Figura 21 Diagrama de sistemas fotovoltaicos OFF GRID . . . . .. . . . . . . . 49
xi
Figura 22 Diagrama de sistemas fotovoltaicos ON GRID . . . . . .. . . . . . . . 50
Figura 23 Aquecimento de agua no setor residencial . . . . . . .. . . . . . . . . 52
Figura 24 Impacto do aquecimento de agua no setor eletrico. . . . . . . . . . . . 53
Figura 25 Foto aerea do local da instalacao. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 56
Figura 26 Posicao da residencia em relacao ao norte geografico. . . . . . . . . . . 56
Figura 27 Insolacao media na cidade de Ribeirao Preto. .. . . . . . . . . . . . . . 58
Figura 28 Esquema de montagem dos paineis no telhado. . . . . .. . . . . . . . . 59
Figura 29 Comparacao no consumo de energia com e sem SAS media anual. . . . 60
Figura 30 Producao de energia pelo SAS ao longo dos meses doano. . . . . . . . 61
Figura 31 Producao de energia eletrica pelo SF ao longo dos meses do ano. . . . . 61
Figura 32 Novo consumo de energia projetado em cada mes do ano . . . . . . . . 62
Figura 33 Tarifas para o fornecimento de energia eletrica.. . . . . . . . . . . . . . 63
Figura 34 Orcamento referente a instalacao dos sistema de aproveitamento de ener-
gia solar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
Figura 35 Calculo do investimento na instalacao do SAS . .. . . . . . . . . . . . 65
Figura 36 Grafico retorno do investimento na instalacao do SAS . . . . . . . . . . 65
Figura 37 Calculo do investimento na instalacao do SF . . .. . . . . . . . . . . . 66
Figura 38 Grafico retorno do investimento na instalacao do SF . . . . . . . . . . . 66
xii
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 Fontes Geradoras de Energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 19
Tabela 2 Classificacao quanto ao porte . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 27
Tabela 3 Consumo de energia na residencia nos ultimos treze meses . . . . . . . 59
xiii
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
• ABNT - Associacao Brasileira de Normas Tecnicas
• ANEEL- Agencia Nacional de Energia Eletrica
• CA - Corrente Alternada
• CC - Corrente Contınua
• CRESESB- Centro de Referencia de energia solar e eolica Sergio deSalvo Brito
• GAP- Valor limite de energia necessario para o inıcio de conducao eletrica.
• GREEN- Grupo de Estudo em Energia
• GTES- Grupo de Trabalho de Energia Solar
• Hz - Hertz
• IGBT - Insulated Gats Bipolar Transistors (Transistor bipolar de porta dupla)
• kW - kilo-Watts
• LVD - Low Voltage Disconnect (Desconexao por baixa tensao)
• MPPT - Maximum Power Point Track (Seguidor do ponto de maxima potencia)
• NBR- Denominacao de norma tecnica
• OFFGrid- Sistema Fotovoltaico isolado da rede eletrica de distribuicao
• OnGrid - Sistema Fotovoltaico conectado a rede eletrica de distribuicao
• Pay−Back- Tempo decorrido entre o investimento inicial e o momento noqual o lucro
lıquido acumulado se iguala ao valor desse investimento.
• PCU - Power Conditioning Unit (Unidade de controle de potencia)
• PUC - Pontificia Universidade Catolica
• PWM - Pulse Walve Modulation (Modulacao por pulso de onda)
xiv
• SAS- Sitema de Aquecimento deAgua
• SCR- Silicon control rectifier (Retificadores controlados de silıcio)
• SF - Sistema Fotovoltaico
• TIR - Taxa Interna de Retorno
• VPL - Valor Presente Lıquido
• Wh- Watts hora
15
1 INTRODUCAO
1.1 Contextualizacao
A procura por formas limpas e renovaveis de gerar energia nunca recebeu tanta atencao
e investimento como agora. Essas iniciativas cresceram mais de 60% em 2007 em relacao a
2006 em todo mundo, movimentando US$ 150 bilhoes em 2007 (PROGRAMME; LTD., 2008),
e este crescimento superou, pela primeira vez, a expansao do uso de combustıveis fosseis na
Europa e nos Estados Unidos. Embora algumas tecnicas de geracao de energia atraves de fontes
renovaveis ja estejam em estagio avancado, como a do etanol, boa parte dos projetos sao apostas
em tecnologias experimentais e ainda sem viabilidade econˆomica.
O Brasil tem 71,98% (ANEEL, 2011) de sua energia proveniente de fontes renovaveis, en-
quanto no resto do mundo a media e de 18%. O paıs domina comonenhum outro a geracao de
etanol combustıvel, alem de ter grande experiencia com usinas hidreletricas, de onde vem mais
de dois tercos da eletricidade nacional (ANEEL, 2011). Embora tenha condicoes climaticas para
avancar em outras tecnologias, como as energias eolica e solar, os resultados ainda sao modes-
tos e, com a descoberta das gigantescas reservas de petroleo do pre-sal, especialistas temem que
elas fiquem em segundo plano.
No resto do mundo, a queda do preco do petroleo tambem preocupa os ambientalistas, que
advertem para a reducao nos investimentos nas energias renovaveis. Ainda assim, os maio-
res poluidores do mundo, Estados Unidos e China, tem puxadoa expansao dos combustıveis
renovaveis. O paıs asiatico duplicou, pelo quinto ano consecutivo, sua capacidade de gerar
energia eolica. Os americanos apostaram em novas tecnologias de etanol e em outras menos
tradicionais, como aBloom Box, uma especie de pilha que usa o ar para gerar energia continu-
amente que abriu uma nova perspectiva no setor.
Em um paıs de dimensoes continentais como o Brasil, em que 15% das casas nao possuem
acesso a rede eletrica (GTES, 2008), o uso de energias alternativas podera suprir esta deficiencia
em areas remotas, e tambem pode vir a reduzir significativamente o consumo de energia em
residencias localizadas nos grandes centros e com facil acesso a rede eletrica.
16
Sao denominadas energias alternativas todas as fontes de energias que nao sao se enquadram
nas fontes mais comuns de energia como, petroleo, carvao mineral e as tradicionais usinas
geradoras de energia eletrica como as hidreletricas e as nucleares. As fontes mais comuns de
energia alternativas sao: eolica, solar fotovoltaica, solar termica e biomassa.
Neste trabalho sera realizado um estudo da utilizacao daenergia solar, na forma solar
termica, que utiliza coletores solares que absorvem o calor fornecido pelo sol, para o aque-
cimento de agua a ser utilizada em duchas, banheiras, lavabo,piscinas e cozinha. E da energia
fotovoltaica, que utiliza o efeito fotoeletrico provocado em certos materiais semi-condutores.
Ao final do trabalho sera exposta a viabilidade tecnica da utilizacao da energia solar termica
e fotovoltaica, que pretende alcancar uma reducao no consumo mensal de energia eletrica na
residencia.
1.2 Justificativa
As residencias consomem cerca de 24% (GREEN/PUC-MINAS, 2008) de toda a energia ge-
rada no paıs com forte tendencia de aumento. A crescente demanda por energia eletrica e os
constantes apagoes colocam em duvida a atual matriz energetica brasileira e a sua capacidade
de atender ao crescimento economico que vive o paıs.
O uso de fontes renovaveis de energia, amplamente utilizadas em outros paıses, pode ser
uma alternativa para equilibrar a demanda com a geracao, tornando as residencias mais eficien-
tes e parcialmente auto-sustentaveis em relacao a energia eletrica, alem de diminuir o impacto
do seu consumo no sistema interligado nacional.
A energia solar e a fonte de energia mais antiga disponıvelna Terra. O aproveitamento
da energia gerada pelo Sol e praticamente inesgotavel, tanto como fonte de calor quanto de
luz. E hoje, sem sombra de duvidas, uma das alternativas energeticas mais promissoras para
enfrentarmos os desafios do novo milenio, por se tratar de uma fonte nao poluente e renovavel.
1.3 Objetivos
Este trabalho tem com objetivo analisar a viabilidade tecnica da utilizacao de energia solar
termica e fotovoltaica para fins de aquecimento de agua e geracao de energia eletrica, com
vistas a reducao do consumo de energia eletrica, gerandoreducao na conta de energia eletrica e
reducao na carga no sistema de distribuicao regional deenergia eletrica.
17
Este trabalho tem como um objetivo secundario buscar um aprendizado sobre sustentabili-
dade e eficiencia energetica residencial, o que pode nao so contribuir com a oferta de energia,
mas tambem diversificar a matriz energetica brasileira tornado-a ainda mais limpa e sustentavel.
1.4 Problemas e Hipotese de Pesquisa
Devido a constante necessidade de energia da humanidade, se faz necessario atender esta
crescente demanda por energia nos tempos modernos. Com o aumento da populacao e o do
consumo de energia eletrica (GOLDEMBERG, 1979), a disponibilidade de eletricidade esta di-
minuindo e se tornando escassa e com custo cada vez mais alto.O consumo em residencias
representa hoje 24% (GREEN/PUC-MINAS, 2008) de toda a energia gerada no Brasil, mas com
a facilidade de acesso a eletrodomesticos este percentualesta em alta, comprometendo ainda
mais a disponibilidade de eletricidade em nosso paıs.
Embora o Brasil disponha de imenso potencial hidrografico adistancia dos centros gera-
dores aos distribuidores e os impactos ambientais (alagamentos, destruicao de eco-sistemas,
mudanca no habitat da fauna e dano permanente a flora) e sociais (destruicao de vilas ribei-
rinhas, mudancas na densidade demografica de areas isoladas), causados pela utilizacao deste
tipo de geracao podem inviabilizar novos empreendimentos, como usinas hidreletricas.
Como garantir a oferta e disponibilidade de energia em residencias com o aumento popula-
cional e de consumo cada vez maiores? Este fato cria a necessidade de utilizar outras fontes de
energia, que possam ser utilizadas proximo aos grandes centros consumidores e que nao causem
grandes impactos ambientais.
Parte-se da premissa de que a utilizacao de fontes alternativas de energia, tal como a ener-
gia solar (ORDENES et al., 2007), disponıvel em todo o pais com altos ındices de insolacao anual
(TIBA , 2001) possam suprir esta carencia energetica garantindo o fornecimento a crescente de-
manda sem provocar danos ao meio ambiente.
1.5 Metodologia
Para atingir os objetivos sera feita uma analise do estadoda arte que incluira um estudo
sobre os produtos disponıveis para estas tecnologias, para posterior realizacao de estudo de
caso que deve considerar a reducao no consumo de energia emuma residencia com a utilizacao
desta duas formas de aplicacao da energia fornecida pelo sol
As principais etapas a serem desenvolvidas neste trabalho sao:
18
1. Estudo do referencial teorico.
2. Aplicacao dos sistemas solar termico e solar fotovoltaico em uma residencia uni-familiar,
localizada em Ribeirao Preto com area construıda de 75m2 em que residem quatro adultos.
3. Calculo do sistema de aquecimento de agua, coletores e reservatorio termico de acordo
com a NBR-15569 de 2008 e utilizando se do software“DIMENSOL” , desenvolvido pela
PUC-Minas.
4. Calculo do sistema solar fotovoltaico, painel fotovoltaico e inversor de frequencia, uti-
lizando se do software“SUNNY DESIGN”que leva em consideracao a localizacao do
imovel e as caracterısticas dos equipamento utilizados.
5. Elaboracao de orcamento para a aquisicao dos equipamentos, junto a empresa deste ramo
de atividade.
6. Com os dados da geracao de energia pelo sistema fotovoltaico e a reducao de consumo
gerada pelo sistema solar termico verificar o impacto destes sistema no consumo mensal
de energia eletrica na residencia.
7. Conclusoes quanto a viabilidade tecnica do sistema bemcomo a amortizacao dos mesmos
ao longo do tempo.
19
2 FONTES DE ENERGIA
Utilizando a acepcao mais comum “energia como capacidadede produzir trabalho” pode-
se distinguir tres grupos de fontes energeticas classificadas segundo as suas fontes, conforme
tabela 1.
Tabela 1: Fontes Geradoras de Energia
Convencionais Nao Convencionais ou Alternativas Exoticas
Petroleo Mares Energia SolarGas Natural Ventos (Produzida no Interior do Sol)
Carvao Ondas Calor dos OceanosHidroeletrecidade Xisto Fusao Nuclear
Biomassa GeotermicaFissao NuclearSolar Termica
Solar Fotovoltaica
Fonte: Apostila de sistemas eletricos de potencia II - CEFETES, 2005.
Excluindo as fontes convencionais citadas na tabela 1, temos com fontes alternativas mais
interessantes disponıveis em nosso paıs: as mares, os ventos, as ondas e a solar. A figura 1
mostra as principais fontes de energia, seus usos, as vantagens e as desvantagens. Tendo por
base estas informacoes a escolha da energia solar se deve asua alta disponibilidade em todo o
territorio brasileiro e ao fato da mesma nao estar restrita a existencia de rede de distribuicao.
20
Figura 1: Fontes de energia obtencao, usos, vantagens e desvantagens
Fonte: Almanaque Abril - CD Rom, 1999
21
3 CONCEITO ENERGIA SOLAR
Estima-se em alguns bilhoes de anos o tempo necessario para o esgotamento da energia so-
lar. A manutencao da vida na Terra so podera ser conseguida mediante a diminuicao da poluicao
tanto termica quanto quımica. Para evitar estes males umadas solucoes seria o aproveitamento
da energia solar que e gratuita, atinge todos os recantos daTerra e nao produz poluicao, uma
vez que ja esta inserida na propria natureza (LUIZ , 1985).
A intensidade de um feixe de luz e definida como o fluxo medio de energia eletromagnetica
por unidade de tempo; ou seja, a intensidade luminosa e a potencia media da luz por unidade de
area. Denomina-seconstante solara intensidade luminosa media dos raios solares no topo da
atmosfera terrestre (LUIZ , 1985). Designando a constante solar porIo, temos:
Io = 118cal/cm2.h (3.1)
ou entao,
Io = 1,96W/cm2.min (3.2)
No Sistema Internacional, (LUIZ , 1985) e (PALZ, 1981) a constante solar possui o seguinte
valor:
Io = 1360W/m2 (3.3)
Para obtermos a potencia totalPT da luz solar incidente sobre a Terra (LUIZ , 1985), basta
fazer o seguinte calculo:
PT = Io.(π .R2T) (3.4)
ondeRT e o raio da Terra. Sabemos queRT = 6,37x106msubstituindoRT na expressao anterior
e usando a equacao 3.4, encontraremos o seguinte valor aproximado para a potencia total da luz
22
solar incidente sobre a Terra (LUIZ , 1985).
PT = 1,73x1017W (3.5)
A equacao 3.5 fornece a potencia total incidente sobre a Terra. Entretanto, esta potencia nao
e integralmente absorvida pela Terra. Verifica-se que em m´edia 35% desta potencia e refletida
e retorna para o espaco (LUIZ , 1985). Portanto, para sabermos a potencia total da luz solar
absorvida pela Terra, basta multiplicar o resultado da equacao 3.5 por 0,65, ou seja:
P′
T = 1,13x1017W (3.6)
ondeP′
T e a potencia total da luz solar absorvida pela Terra.
O aproveitamento da energia solar possui muitas vantagens em relacao a outras formas de
energia disponıveis. As principais vantagens sao as seguintes:
A- A energia solar nao produz poluicao termica ou quımica.
B- Alem de ser disponıvel em grande escala, trata-se de uma fonte renovavel praticamente
inesgotavel.
C- Em diversas aplicacoes da energia solar, os dispositivosauxiliares nao possuem partes
moveis, o que significa uma consideravel simplificacao tecnica.
D- Normalmente a tecnologia envolvida para o seu aproveitamento e bastante simples e esta ao
alcance de todos os paıses, principalmente os subdesenvolvidos.
E- Os raios solares atingem todas as partes da superfıcie e da atmosfera da terrestre, sendo que
o uso da energia e particularmente importante em regioes de difıcil acesso.
Por causa da inclinacao dos raios solares, e facil verificar que a energia solar e mais
acessıvel para os paıses tropicais em desenvolvimento. Examinando-se o planisferio, figura
2, observa-se imediatamente que o Brasil e o maior e maias populoso entre os paıses tropicais
que possuem maior disponibilidade de energia solar. De acordo com estimativas feitas por Luiz
e Santos (1972), existe no Brasil uma disponibilidade media anual de energia solar dada por
aproximadamente:
W = 2,5x1022cal = 1023J (3.7)
23
Figura 2: Planisferio solar
Fonte:<http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Solar_land_area.png> - ultimo acesso em 03/04/2011.
A energia media anual consumida no mundo inteiro vale aproximadamente 2,5x105J (LUIZ ,
1985). Portanto, a energia solar incidente sobre o Brasil durante um ano seria suficiente para
suprir a energia media consumida pela humanidade durante um ano.
3.0.1 Disponibilidade da Energia Solar
Inicialmente, vamos determinar a energia solar incidente por unidade de area horizontal,
tendo em vista a posicao do Sol na elıtica e desprezando a absorcao terrestre. SejaIo a energia
incidente por unidade de area horizontal ortogonal a direcao da radiacao (por unidade de tempo).
Quando a normal a superfıcie plana faz uma anguloi com o feixe incidente, a intensidadeI
resultante sobre esta superfıcie e dada por:
I = Io.cosi (3.8)
ondeIO e a intensidade do fluxo energetico parai = 0, ou seja, para uma incidencia ortogo-
nal ao plano.
Considerando uma superfıcie horizontal, o anguloi da relacao 3.8 e igual ao angulo de
24
declinacao solarδ . A quantidade total de energia solar incidente por unidade de area horizontal,
no intervalo de tempoh0s, pode ser calculado mediante a integral:
Itotal =
∫ h0s
oi(h).dh (3.9)
Para calcular a energia total incidente numa certa area basta multiplicar o valor anterior
pela area considerada. A integral da equacao 3.9 tambeme utilizada para se obter as ho-
ras de insolacao de uma localidade. Estes valores encontram-se disponıveis no Atlas Sola-
rimetrico do Brasil Banco de Dados Terrestres publicado em1993 pelo CRESESB. Tambem
pode ser obtido a energia solar disponıvel em cada regiao utilizando-se da localizacao ge-
ografica,latitudeelongitude, acessando os seguintes enderecos eletronicos:<http://eosweb.
larc.nasa.gov/cgi-bin/sse/[email protected]> e<http://www.
cresesb.cepel.br/sundata/index.php>
3.0.2 Metodos de Captacao da Energia Solar
Os metodos de captacao de energia solar classificam-se em:
• Direto: Quando ha apenas uma transformacao para fazer da energia solar um tipo de
energia utilizavel pelo homem. Exemplos:
-A energia solar atinge uma celula fotovoltaica criando eletricidade.
-A energia solar atinge uma superfıcie escura e e transformada em calor.
• Indireto quando e necessaria mais do que uma transformac¸ao para que surja energia uti-
lizavel. Exemplo:
- Sistemas que controlam automaticamente cortinas, de acordo com a disponibilidade de
luz do Sol.
Neste trabalho sera utilizado apenas exemplos de utilizac¸ao de energia solar diretos, que
serao descritos a seguir.
3.1 ENERGIA SOLAR T ERMICA
A energia solar termica possui uma ampla gama de aplicacoes que abrangem processos de
aquecimento de agua, ar e refrigeracao. Incluem-se tambem, neste caso processos de media e
25
alta temperaturas que utilizam concentradores solares. A figura 3 mostra alguns exemplos de
concentradores solares.
Figura 3: Concentradores solares
Fonte:<http://t.co/ds1tA5R> ultimo acesso em 07/09/2011.
3.1.1 Sistema de Aquecimento Solar
Um sistema de aquecimento solar, mostrado na figura 4, pode ser dividido basicamente em
tres sub-sistemas, discutidos a seguir.
A. Captacao Composto pelos coletores solares onde circula o fluıdo de trabalho a ser aque-
cido, as tubulacoes de interligacao entre os coletorese entre a bateria de coletores e o
reservatorio termico e, no caso de instalacoes maiores, a bomba hidraulica. No Brasil, o
fluıdo de trabalho normalmente utilizado e a agua.
B. Armazenamento Seu componente principal e o reservatorio termico, alem de uma fonte
complementar de energia, como eletricidade ou gas, que garantira o aquecimento auxiliar
em perıodos chuvosos, de baixa insolacao ou quando ocorrer um aumento eventual do
consumo de agua quente.
C.Consumo Compreende toda a distribuicao hidraulica entre o reservatorio termico e os pontos
26
Figura 4: Sistema termossolar de pequeno porte
Fonte: Curso de captacao em aquecimento solar - Abrava.
de consumo, inclusive o anel de recirculacao quando necessario. E tambem conhecido
comocircuito secundario da instalacao.
3.1.2 Classificacao de um sistema de aquecimento solar
Um esboco da instalacao termossolar basica para aquecimento de agua em uma residencia
unifamiliar pode ser visto na figura 5.
Os sistema de aquecimento solar podem ser classificados de quatro formas:
1. Porte
A definicao de porte de uma instalacao de aquecimento solar esta intrinsecamente as-
sociado ao volume diario de agua a ser aquecida e as caracterısticas da edificacao onde
o sistema sera instalado. De maneira geral, quanto ao portepode-se classificar como
mostrado na tabela 2.
2. Circulacao
A. Instalacao Solar em Circulacao Natural Atualmente no Brasil, grande parte dos sis-
temas de aquecimento solar em funcionamento sao residencias, de pequeno porte e
operam por circulacao natural (termossifao). Nesse caso, a circulacao da agua nos
27
Figura 5: Desenho esquematico de um sistema de aquecimentosolar residencial
Fonte: Curso de captacao em aquecimento solar - Abrava.
Tabela 2: Classificacao quanto ao porte
Instalacao Volume Diario Tipo
Pequeno porte V < 1500litros TermossifaoMedio porte 1500litros<V < 5000litros Circulacao ForcadaGrande porte V > 5000litros Circulacao Forcada
Fonte: Curso de captacao em aquecimento solar - Abrava.
tubos de distribuicao dos coletores e promovida apenas pela diminuicao de sua den-
sidade, devido ao aquecimento da agua nos coletores solares, efeito conhecido como
termossifao.
B. Instalacao Solar em Circulacao Forcada ou BombeadaNeste caso, a circulacao do
fluıdo de trabalho atraves do circuito primario da instalacao e promovida pela acao
de uma bomba hidraulica, sendo sua utilizacao recomendada para instalacoes de
medio e grande porte ou grande. Os parametros exigidos para a instalacao termos-
sifao nao podem ser atendidos. A figura 6 ilustra os componentes basicos de uma
instalacao bombeada.
3. Tipo de sistema
A. Convencional Classifica-se como convencional um sistema de aquecimento solar onde
pode-se distinguir claramente coletores solares e reservatorio termico como equipa-
28
Figura 6: Instalacao em Circulacao forcada
Fonte: Curso de captacao em aquecimento solar - Abrava.
mentos distintos, separados fisicamente um do outro como apresentado na figura
5.
B. Acoplados ou CompactosUm sistema de aquecimento solar compacto ou acoplado
caracteriza-se quando o coletor solar e o reservatorio termico se fundem em uma
unica unidade, conforme mostrado na figura 7. O sistema acoplado opera em circulacao
natural e sua grande vantagem e reduzir eventuais erros e minimizar custos de
instalacao.
Figura 7: Sistemas acoplados
Fonte: Curso de captacao em aquecimento solar - Abrava.
C. Integrados Em um sistema integrado o reservatorio e o coletor constituem a mesma
peca, na maioria das vezes eles sao formados por tubos pintados de preto e colocados
29
em uma caixa com isolamento termico e uma cobertura transparente.
4. Troca de calor
A. Direta A troca de calor direta apresenta-se na maior parte dos sistemas atualmente
em funcionamento no Brasil. Neste tipo de instalacao, a agua que circula pelos
coletores e a mesma que sera utilizada nos pontos de consumo da edificacao, como
apresentado na figura 5.
B. Indireta Nos sistemas onde a troca e indireta, o fluido que circula pelos coletores nao
e o mesmo utilizado nos pontos de consumo da edificacao. Este tipo de instalacao
e adotada em localidades onde a temperatura ambiente pode trazer riscos de conge-
lamento aos coletores, em processos industriais ou nas demais aplicacoes onde nao
pode haver a mistura do fluıdo que circula pelos coletores e oque sera consumido.
a figura 8 apresenta esquematicamente este tipo de instalacao.
Figura 8: Representacao esquematica de um sistema de aquecimento solar operando em circuitoindireto
Fonte: Curso de captacao em aquecimento solar - Abrava.
3.1.3 Coletores Solares
O coletor solar figura 9 e basicamente um dispositivo que promove o aquecimento de um
fluıdo de trabalho, como agua, ar ou fluido termico, atrav´es da conversao da radiacao eletro-
magnetica proveniente do Sol em energia termica. Basicamente, um coletor solar e constituıdo
por:
Caixa externa : geralmente fabricada em perfil de alumınio, chapa dobradaou material plastico
e que suporta todo o conjunto.
30
Figura 9: Coletor Solar Plano.
Fonte: Aquecimento solar, Tecnologia solar, Projetos Sociais, Etiquetagem - GREEN PUC Minas, 2008
Isolamento termico : minimiza as perdas de calor para o meio. Fica em contato direto com a
caixa externa, revestindo-a. Os materiais isolantes mais utilizados na industria nacional
sao: la de vidro ou de rocha e espuma de poliuretano.
Tubos (flauta / calhas superior e inferior) : tubos interconectados atraves dos quais o fluido
escoa no interior do coletor. Normalmente, a tubulacao efeita de cobre devido a sua alta
condutividade termica e resistencia a corrosao.
Placa absorvedora (aletas): responsavel pela absorcao e transferencia da energiasolar para o
fluido de trabalho. As aletas metalicas, em alumınio ou cobre, sao pintadas de preto fosco
ou recebem tratamento especial para melhorar a absorcao da energia solar.
Cobertura transparentes : geralmente de vidro, policarbonato ou acrılico que permite a pas-
sagem da radiacao solar e minimiza as perdas de calor por conveccao e radiacao para o
meio ambiente.
Vedacao : importante para manter o sistema isento de umidade externa.
3.1.4 Reservatorio Termicos
Nas aplicacoes praticas do aquecimento solar ocorrem defasagens significativas entre o
perıodo de geracao de agua quente nos coletores solarese seu efetivo consumo. Assim, constata-
se a necessidade de armazenamento de agua quente em reservatorios termicos para adequacao
31
entre a geracao e o consumo efetivo, alem da definicao deuma certa autonomia para o sistema
de aquecimento solar.
As partes constituintes do reservatorio termico sao mostrados na figura 10 e podem ser
assim resumidas:
Figura 10: Ilustracao do reservatorio termico em corte
Fonte: Aquecimento solar, Tecnologia solar, Projetos Sociais, Etiquetagem - GREEN PUC Minas,2008.
Corpo interno : fica em contato direto com a agua aquecida e, por isso, deve ser fabricado
com materiais resistentes a corrosao, tais como cobre e ac¸o inoxidavel nos reservatorios
fechados. Nos reservatorio abertos, utiliza-se, tambemo polipropileno.
Isolante termico : minimiza as perdas de calor para o meio.E colocado sobre a superfıcie
externa do corpo interno, sendo a la de vidro e a espuma de poliuretano os materiais mais
utilizados
Protecao externa : tem a funcao de proteger o isolante de intemperies, taiscomo umidade,
danos no transporte ou instalacao, etc. Essa protecao ´e normalmente de alumınio, aco
galvanizado ou aco carbono pintado. Nao se recomenda o usode lona plastica.
Sistema auxiliar de aquecimento: como o proprio nome indica, e um sistema de aqueci-
mento que tem como objetivo complementar o aquecimento solar de modo a garantir o
fornecimento de agua quente, seja em perıodos de baixa insolacao ou mesmo quando
ocorrer consumo excessivo. Usualmente, o sistema de aquecimento auxiliar eletrico e
32
constituıdo por uma ou mais resistencias eletricas blindadas, colocadas no reservatorio
termico em contato com a agua armazenada. O acionamento dessas resistencias pode ser
controlado automaticamente por meio de um termostato, ou manualmente, pelo proprio
usuario.
Tubulacoes : tem a funcao de interligar o reservatorio termico aos pontos de consumo alimentacao
de agua fria e aos demais componentes da instalacao (coletores solares, sistemas de aque-
cimento auxiliar e etc).
Apoio para fixacao e instalacao : os reservatorios termicos possuem bases de sustentac˜ao e
fixacao capazes de suportar seu peso em operacao garantindo imobilidade ao equipa-
mento. As bases de fixacao de reservatorios termicos usualmente sao fabricadas em ma-
teriais metalicos protegidos contra corrosao.
3.2 ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
A Energia Solar Fotovoltaica e a energia obtida atraves daconversao direta da luz em eletri-
cidade (Efeito Fotovoltaico). O efeito fotovoltaico, relatodo por Edmond Becquerel, em 1839,
e o aparecimento de uma diferenca de potencial nos extremos de uma estrutura de material se-
micondutor, produzida pela absorcao da luz. A celula fotovoltaica e unidade fundamental do
processo de conversao.
Inicialmente o desenvolvimento da tecnologia apoiou-se nabusca, por empresas do setor
de telecomunicacoes, de fontes de energia para sistemas instalados em localidades remotas. O
segundo agente impulsionador foi a “corrida espacial”. A c´elula solar era, e continua sendo,
o meio mais adequado (menor custo e peso) para fornecer a quantidade de energia necessaria
para longos perıodos de permanencia no espaco.
Os sistemas fotovoltaicos vem sendo utilizados em instalacoes remotas possibilitando varios
projetos sociais, agropastoris, de irrigacao e comunicacoes. As facilidades de um sistemas fo-
tovoltaico tais como: modularidade, baixos custos de manutencao e vida util longa, fazem com
que sejam de grande importancia para instalacoes em lugares desprovidos da rede eletrica.
3.2.1 Efeito fotovoltaico
O efeito fotovoltaico da-se em materiais da natureza denominados semicondutores que se
caracterizam pela presenca de bandas de energia onde e permitida a presenca de eletrons (banda
33
de valencia) e de outra onde e totalmente “vazia” (banda deconducao). A figura 11 mostra uma
celula fotovoltaica em corte.
O semicondutor mais usado e o silıcio. Seus atomos se caracterizam por possuırem quatro
eletrons que se ligam aos vizinhos, formando uma rede cristalina. Ao adicionarem-se atomos
com cinco eletrons de ligacao, como o fosforo, por exemplo, havera um eletron em excesso
que nao podera ser emparelhado e que ficara “sobrando”, fracamente ligado a seu atomo de
origem. Isto faz com que, com pouca energia eletrica este eletron se livre, indo para a banda de
conducao. Diz-se assim, que o fosforo e um dopante doador de eletrons e denomina-se dopante
n ou impureza n.
Figura 11: Corte transversal de uma celula fotovoltaica
Fonte: Energia solar princıpios e aplicacoes - Centro dereferencia de energia solar e eolica Sergio deSalvo Brito.
Se, por outro lado, introduzem-se atomos com apenas tres eletrons de ligacao, como e o
caso do boro, havera uma falta de um eletron para satisfazer as ligacoes com os atomos de
silıcio da rede. Esta falta de eletron e denominada buraco ou lacuna e ocorre que, com pouca
energia eletrica um eletron de um sıtio vizinho pode passar a esta posicao, fazendo com que o
buraco se desloque. Diz-se portanto, que o boro e um aceitador de eletrons ou um dopante “p”.
Se, partindo de um silıcio puro, forem introduzidos atomos de boro em uma metade e de
fosforo na outra, sera formado o que se chama juncao “pn”. O que ocorre nesta juncao e que
eletrons livres do lado n passam ao lado p onde encontram os buracos que os capturam; isto faz
com que haja um acumulo de eletrons no lado p, tornando-o negativamente carregado e uma
34
reducao de eletrons do lado n, que o torna eletricamente positivo. Estas cargas aprisionadas
dao origem a um campo eletrico permanente que dificulta a passagem de mais eletrons do lado
“n” para o lado “p”; este processo alcanca um equilıbrio quando o campo eletrico forma uma
barreira capaz de impedir os eletrons livres remanescentes no lado “n”. A figura 12 mostra o
funcionamento de uma celula fotovoltaica.
Figura 12: Efeito fotovoltaico na juncao pn
Fonte: Energia solar princıpios e aplicacoes - Centro dereferencia de energia solar e eolica Sergio deSalvo Brito.
Se uma juncao pn for exposta a fotons com energia maior queo “gap”, ocorrera a geracao
de pares eletron-lacuna; se isto acontecer na regiao ondeo campo eletrico e diferente de zero, as
cargas serao aceleradas, gerando assim, uma corrente atraves da juncao; este deslocamento de
cargas da origem a uma diferenca de potencial ao qual chamamos de Efeito Fotovoltaico. Se as
duas extremidades do “pedaco” de silıcio forem conectadas por um fio, havera uma circulacao
de eletrons. Esta e a base do funcionamento das celulas fotovoltaicas.
3.2.2 Tipos de celulas
As celulas fotovoltaicas sao fabricadas, na sua grande maioria, usando o silıcio (Si) e po-
dendo ser constituıda de cristais monocristalinos, policristalinos ou de silıcio amorfo.
35
3.2.2.1 Silıcio monocristalino
A celula de silıcio monocristalino, mostrada na figura 13,e historicamente as mais usadas
e comercializada como conversor direto de energia solar em eletricidade e a tecnologia para sua
fabricacao e um processo basico muito bem constituıdo.
Figura 13: Celula de silıcio monocristalino
Fonte:<http://www.inovafiel.pt/images/ma05.jpg> ultimo acesso em 03/04/2011.
Dentre as celulas fotovoltaicas que utilizam o silıcio como material base, as monocristalinas
sao, em geral, as que apresentam as maiores eficiencias. Asfotocelulas comerciais obtidas com
o processo descrito atingem uma eficiencia de ate 15% podendo chegar em 18% em celulas
feitas em laboratorios.
3.2.2.2 Silıcio policristalino
As celulas de silıcio policristalino, mostrada na figura 14, sao mais baratas que as de
silıcio monocristalino por exigirem um processo de preparacao das celulas menos rigoroso.
A eficiencia, no entanto, cai um pouco em comparacao as celulas de silıcio monocristalino.
Ao longo dos anos, o processo de fabricacao tem alcancadoeficiencia maxima de 12,5%
em escalas industriais.
36
Figura 14: Celula de silıcio policristalino
Fonte:<http://wikienergia.com/~edp/images/thumb/c/cb/Waferssiliciopolicristalino.jpg/300px-Waferssiliciopolicristalino.jpg> ultimo
acesso em 03/04/2011.
3.2.2.3 Silıcio amorfo
Uma celula de silıcio amorfo, mostrada na figura 15 difere das demais estruturas cristalinas
por apresentar alto grau de desordem na estrutura dos atomos. A utilizacao de silıcio amorfo
para uso em fotocelulas tem mostrado grandes vantagens tanto nas propriedades eletricas quanto
no processo de fabricacao. O uso de silıcio amorfo apresenta duas desvantagens: a primeira
e a baixa eficiencia de conversao comparada as celulas mono e policristalinas de silıcio; em
segundo, as celulas sao afetadas por um processo de degradacao logo nos primeiros meses de
operacao, reduzindo assim a eficiencia ao longo da vida util.
Por outro lado, o silıcio amorfo apresenta vantagens que compensam as deficiencias acima
citados, sao elas:
• processo de fabricacao simples e barato;
• possibilidade de fabricacao de celulas com grandes areas;
• baixo consumo de energia na producao.
37
Figura 15: Celula de silıcio amorfo
Fonte:<http://img.archiexpo.es/images_ae/photo-m2/modulo-fotovoltaico-de-silicio-amorfo-de-capa-fina-162684.jpg> ultimo acesso em
03/04/2011.
3.2.3 Modulos fotovoltaicos
Pela baixa tensao e corrente de saıda em uma celula fotovoltaica, agrupam-se varias celulas
formando um modulo. O arranjo das celulas nos modulos pode ser feito conectando-as em serie
ou em paralelo. A figura 16 mostra alguns exemplos de modulosprontos, conforme a variacao
do tamanho ha tambem a variacao da potencia pico dos mesmos.
Ao conectar as celulas em paralelo, parte superior da figura17 somam-se as correntes de
cada modulo e a tensao do modulo e exatamente a tensao dacelula. A corrente produzida
pelo efeito fotovoltaico e contınua. Pelas caracterısticas tıpicas das celulas (corrente maxima
por volta de 3A e tensao muito baixa, em torno de 0,7V) este arranjo nao e utilizado salvo em
condicoes muito especiais.
A conexao mais comum de celulas fotovoltaicas em modulose o arranjo em serie, parte in-
ferior da figura 17. Este consiste em agrupar o maior numero de celulas em serie onde soma-se
a tensao de cada celula chegando a um valor final de 12V o que possibilita a carga de acumula-
dores (baterias) que tambem funcionam na faixa dos 12V.
Por estar ligada em serie, comprometera todo o funcionamento das demais celulas no
modulo. Para que toda a corrente de um modulo nao seja limitada por uma celula de pior
desempenho (o caso de estar encoberta), usa-se um diodo de passo ou de “bypass”. Este di-
odo serve como um caminho alternativo para a corrente e limita a dissipacao de calor na celula
defeituosa.
38
Figura 16: Painel solar fotovoltaico
Fonte:Apresentacao institucional Blue Sol Energia Solar
3.2.4 Caracterısticas eletricas dos modulos fotovoltaicos
A potencia dos modulos e dada pela potencia de pico. Taonecessario quanto este parametro,
existem outras caracterısticas eletricas que melhor caracterizam a funcionabilidade do modulo.
As principais caracterısticas eletricas dos modulos fotovoltaicos sao as seguintes:
• Tensao de Circuito Aberto (Voc)
• Corrente de Curto Circuito (Isc)
• Potencia Maxima (Pm)
• Tensao de Potencia Maxima (Vmp)
• Corrente de Potencia Maxima (Imp)
A condicao padrao para se obter as curvas caracterısticas dos modulos e definida para
radiacao de 1000W/m2 (radiacao recebida na superfıcie da Terra em dia claro, ao meio dia),
39
Figura 17: Ligacoes das celulas fotovoltaicas dentro domodulo
Fonte: Energia solar princıpios e aplicacoes - Centro dereferencia de energia solar e eolica Sergio deSalvo Brito.
e temperatura de 25ºC na celula (a eficiencia da celula e reduzida com o aumento da tempera-
tura).
3.2.5 Baterias
Baterias sao conhecidas por serem uma conveniente e eficiente forma de armazenamento de
energia. Quando uma bateria esta conectada a um circuito eletrico, ha fluxo de corrente devido
a uma transformacao eletroquımica no seu interior, ou seja, ha producao de corrente contınua
atraves da conversao de energia quımica em energia eletrica.
Baterias podem ser classificadas em recarregaveis e nao-recarregaveis dependendo do tipo
de celula de que sao compostas. Existem dois tipos basicos de celulas:
• As celulas primarias compoem as baterias que podem ser utilizadas apenas uma vez (nao-
recarregaveis). Quando as celulas primarias descarregam-se completamente sua vida util
termina e elas sao inutilizadas.
• As celulas secundarias compoem as baterias recarregaveis, ou seja, aquelas que podem
ser carregadas com o auxılio de uma fonte de tensao ou corrente e reutilizadas varias
vezes.
40
3.2.5.1 Caracterısticas das baterias
A seguir e apresentada as principais caracterısticas relativas a baterias.
Capacidade nominal e o numero total de Watts-hora que pode ser retirado de uma celula ou
bateria totalmente carregada. Quanto mais lento for o descarregamento, ligeiramente
maior sera a sua disponibilidade de carga e vice-versa. Os fabricantes normalmente for-
necem a capacidade para cada regime de descarga.
Ciclo A sequencia carga-descarga de uma bateria ate uma determinada profundidade de des-
carga e chamada de ”ciclo”.
Descarga Processo de retirada de corrente de uma celula ou bateria atraves da conversao de
potencial eletroquımico em energia eletrica, no interior da celula. Quando a descarga
ultrapassa 50% da capacidade da bateria, ela e chamada de ”Descarga Profunda”.
Estado de Carga Capacidade disponıvel em uma bateria ou celula expressa como porcenta-
gem da capacidade nominal.
Flutuacao Processo de carga que busca manter as baterias ou celulas com um estado de carga
proximo a carga plena, evitando que as mesmas permanecampor longos perıodos com
estado parcial de carga.
Profundidade de DescargaA profundidade de descarga indica, em termos percentuais, quanto
da capacidade nominal da bateria foi retirada a partir do estado de plena carga. Segundo
alguns fabricantes de baterias de nıquel-cadmio, estas podem ser totalmente descarrega-
das e recarregadas sem sofrerem alteracao no seu desempenho. Ja as de chumbo-acido
possuem severas restricoes quanto a descargas profundas.
Vida util A vida util de uma bateria pode ser expressa de duas formas, numero de ciclos ou
perıodo de tempo, dependendo do tipo de servico para o quala bateria foi especificada.
A profundidade de descarga e temperatura sao os parametros mais comumente usados pelos
fabricantes de celulas para estimar a capacidade de vida c´ıclica da bateria, a vida cıclica esta
inversamente relacionada com a profundidade de descarga e temperatura. A capacidade de
qualquer bateria secundaria degrada-se mais rapidamentequando a temperatura de operacao da
bateria e a profundidade de descarga aumentam.
41
3.2.5.2 Tipos de Baterias
Baterias recarregaveis sao aquelas que apresentam uma constituicao quımica que permite
reacoes reversıveis. Com o auxılio de uma fonte externa, pode-se recuperar a composicao
quımica inicial e deixa-la pronta para um novo ciclo de operacao. De acordo com a aplicacao,
elas podem ser classificadas como:
Automativas Sao baterias projetadas,fundamentalmente, para descargas rapidas com elevadas
taxas de corrente e com reduzidas profundidades de descarga. Esta condicao e tıpica na
partida de motores de automoveis.
Tracao indicadas para alimentar equipamentos moveis eletricoscomo por exemplo, empilha-
deiras, e sao projetadas para operar em regime de ciclos di´arios profundos com taxa de
descarga moderada (C/6).
Estacionarias sao direcionadas tipicamente para aplicacoes em que as baterias permanecem
em flutuacao e sao solicitadas ocasionalmente para ciclos de carga/descarga. Esta condicao
e tıpica de sistemas de back-up.
Fotovoltaicas sao projetadas para ciclos diarios rasos com taxas de descarga reduzidas e devem
suportar descargas profundas esporadicas devido a possıvel ausencia de geracao (dias
nublados).
A operacao de uma bateria, usada em um Sistema Solar Fotovoltaico, deve atender a dois
tipos de ciclos:
• Ciclos rasos a cada dia;
• Ciclos profundos por varios dias (tempo nublado) ou semanas (durante o inverno).
Os ciclos profundos ocorrem quando o carregamento nao e suficiente para repor a quanti-
dade de carga usada pelos aparelhos durante todo o dia. Por isso, o estado de carga depois
de cada ciclo diario e ligeiramente reduzido e, se isto ocorrer por um perıodo de varios
dias, levara a um ciclo profundo. Quando o tempo melhora ou os dias prolongam-se, ha
um carregamento extra, aumentando o estado de carga depois de cada ciclo diario.
3.2.6 Controladores de carga
Controladores de carga sao incluıdos na maioria dos Sistemas Fotovoltaicos (SFs), com os
objetivos basicos de facilitar a maxima transferencia de energia do arranjo fotovoltaico para a
42
bateria ou banco de baterias e protege-las contra cargas e descargas excessivas, aumentando,
consequentemente, a sua vida util. Denominacoes do tipo“Gerenciador de Carga”, “Regulador
de Carga’ ou “Regulador de Tensao” tambem sao comuns e referem-se a controladores de carga
com diferentes nıveis de sofisticacao.
Controladores de carga sao componentes crıticos em SFs isolados pois, caso venham a
falhar, a bateria ou a carga poderao sofrer danos irrevers´ıveis. Eles devem ser projetados
considerando-se as especificidades dos diversos tipos de bateria.
Os controladores devem desconectar o arranjo fotovoltaicoquando a bateria atinge carga
plena e interromper o fornecimento de energia quando o estado de carga da bateria atinge um
nıvel mınimo de seguranca. Alguns controladores tambem monitoram o desempenho doSF(tal
como corrente e tensao de carregamento da bateria ou da carga) e acionam alarmes, quando
ocorre algum problema. Para melhorar o desempenho do controlador de carga, pode-se ainda
acoplar a ele um sensor de temperatura de forma a compensar o efeito da variacao da tempera-
tura nos parametros das baterias.
A estrategia de controle dos controladores de carga comerciais mais utilizados esta baseada
na tensao instantanea nos terminais da bateria, que e comparada a dois limites. Para baterias
chumbo-acido, a 25ºC, no limite superior (2,3 a 2,5 Volts por celula) a bateria sera desconectada
do arranjo por considerar se que, ao atingir este ponto, ela esta completamente carregada. No
limite inferior (1,9 a 2,1 Volts por celula) a carga sera desconectada da bateria, pois neste ponto
considera-se que a bateria esteja descarregada na maxima profundidade.
3.2.6.1 Detalhamento das caracterısticas e funcoes
Os valores de corrente maxima, que deve ser maior do que a maxima corrente de curto-
circuito esperada para o arranjo fotovoltaico, e tensao deoperacao do sistema sao os mınimos
necessarios para se especificar um controlador. Outras caracterısticas desejaveis, mas nem sem-
pre disponıveis nos modelos mais comuns, sao:
• Estrategias de controle especiais (por exemplo PWM).
• Set points ajustaveis: e a denominacao usual para os valores dos parametros que definem
a operacao do controlador de carga e que devem ser determinados para a especificacao do
mesmo.
• Protecao contra corrente reversa: A maioria dos controladores incluem um mecanismo
que impede o fluxo de corrente da bateria para o arranjo fotovoltaico durante a noite.
43
• Desconexao da carga (protecao contra descargas excessivas): Alguns controladores de
carga evitam que a bateria tenha um descarregamento excessivo. Com a opcao de des-
conexao, as cargas que estao sendo alimentadas pelo Sistema Fotovoltaico podem ser
desconectadas para proteger a bateria.
A desconexao pode ser realizada desligando-se as cargas temporariamente ou ativando
indicacao luminosa ou alarmes para alertar o usuario do sistema quanto a baixa tensao
nas baterias. O usuario, entao, desconecta ou desliga as cargas ate que as baterias sejam
recarregadas.
O ponto de desconexao da carga e chamado deLVD, abreviatura da expressao em ingles
Low Voltage Disconnect. Valores tıpicos de profundidade de descarga utilizados para
LVD sao, para baterias de ciclo raso, de 20 a 40% e, para as de ciclo profundo, em torno
de 80%.
• Compensacao termica.
• Alarmes e indicadores visuais.
• Desvio da energia do arranjo: Alguns controladores de carga tem a capacidade de desviar
a energia de um arranjo fotovoltaico para uma carga nao crıtica, quando as baterias estao
completamente carregadas.
• Seguidor de maxima potencia (MPPT).
• Baixo consumo proprio.
• Protecao contra inversao de polaridade.
3.2.7 Inversores
O componente responsavel pela conversao de corrente contınua (CC) em corrente alternada
(CA) e comumente conhecido como ”inversor” ou, mais genericamente, ”conversor CC-CA”.
Este tambem e mencionado na literatura como PCU - Power Conditioning Unit (Unidade Con-
dicionadora de Potencia).
Os inversores usam um mecanismo de chaveamento para alternar o fluxo de corrente entre
as direcoes positiva e negativa. Transistores de potencia, retificadores controlados de silıcio
(SCRs) e, mais recentemente, os IGBTs - Insulated Gats Bipolar Transistors sao tipicamente
usados como chaves semicondutoras.
44
Nos sistemas de potencia elevada, a vantagem de usar um inversor esta no fato de que a
dimensao (secao) dos cabos para interligacao entre longas distancias pode ser reduzida.
Inversores monofasicos sao geralmente adequados para aplicacoes de baixa potencia (ate
5 kW). Acima de 5 kW os inversores trifasicos sao mais comuns. Geralmente a eficiencia do
inversor e mais alta para inversores com baixo auto-consumo e a eficiencia aumenta quando a
tensao de entrada CC cresce.
A escolha de um inversor interfere no desempenho, confiabilidade e custo de um Sistema
Fotovoltaico. Quando estao no circuito, adicionam complexidade ao mesmo mas possuem os
atrativos de facilitar a instalacao eletrica e permitiro uso de acessorios convencionais (TVs,
vıdeos, geladeiras etc).
3.2.7.1 Tipos de inversores
Existem, basicamente, dois tipos de inversores: os comutados pela rede (comutacao natural)
e os autocomutados (comutacao forcada). No primeiro, o processo de inversao e controlado
pela tensao da rede eletrica; no auto-comutado, o controle e realizado pelo proprio inversor. As
tecnologias estao possibilitando que o mesmo inversor possa operar nos dois sentidos, isolado
ou sincronizado a rede.
3.2.7.2 Caracterısticas do inversores
Inversores isolados comumente operam com tensoes de entrada de 12, 24, 48 ou 120 Volts
(CC) que geralmente sao convertidos em 120 ou 240 Volts (CA), na frequencia de 60 ou 50
Hertz.
Para especificar um inversor, e necessario considerar tanto a tensao de entrada CC quanto
a tensao de saıda CA. Alem disso, todas as exigencias quea carga fara ao inversor devem ser
observadas, nao somente em relacao a potencia, mas tambem variacao de tensao, frequencia e
forma de onda.
Os inversores sao dimensionados levando-se em considerac¸ao basicamente dois fatores.
O primeiro e a potencia eletrica que devera alimentar, em operacao normal, por determinado
perıodo de tempo. O segundo e a potencia de pico necessaria para a partida de motores e outras
cargas, que requerem de duas a sete vezes a potencia nominalpara entrarem em funcionamento.
A tensao de entrada CC e a variacao de tensao aceitavel devem ser especificadas no lado de
entrada do inversor. Algumas caracterısticas que devem ser consideradas na especificacao de
45
um inversor sao apresentadas a seguir:
Forma de onda Os inversores geralmente sao classificados de acordo com o tipo de tensao CA
produzida. A figura 18 ilustra os tres tipos mais comuns de formas de onda: quadrada,
quadrada modificada ou retangular e senoidal. A forma de ondade saıda e uma indicacao
da qualidade e custo do inversor. Ela depende do metodo de conversao e filtragem utili-
zados para suaviza-la e eliminar os harmonicos indesejaveis que resultam do processo de
conversao.
Figura 18: Formas de ondas tıpicas dos inversores monofasicos.
Fonte: Photovoltaic System Technology - An European Handbook
A figura 19 apresenta as caracterısticas de inversores com diferentes formas de onda de
saıda. Nao ha um padrao geral para estabelecer um criterio de desempenho dos inversores.
Por isso e que alguns destes podem fornecer tres vezes a suapotencia nominal para os
surtos, mas sao capazes de operar na potencia de pico somente por pouco mais de meia
hora, sem superaquecimento.
Em geral, todo inversor deve ser dimensionado com uma folga de potencia (10 a 20%)
para aumentar a confiabilidade e sua vida util.
46
Potencia nominal de saıda Indica que potencia o inversor pode fornecer continuamente a carga.
Um inversor deve ser especificado para fornecer uma potencia sempre superior as necessi-
dades maximas das cargas conectadas, de forma a consideraralgum aumento da demanda
de potencia. Por outro lado, para uma melhor eficiencia de operacao, deve-se escolher
uma potencia nominal que seja somente um pouco superior a potencia total necessaria
para alimentar as cargas.
Tensao de entrada Em geral, a tensao de entrada e funcao da potencia totalfornecida pelo
inversor as cargas CA. Normalmente, a tensao nominal de entrada do inversor aumenta
com o aumento da demanda de carga, o que mantem a corrente em nıveis adequados. A
tensao de entrada CC pode ser fornecida por baterias, devendo ser compatıvel com os
requisitos de entrada do inversor. Se a bateria descarrega ea tensao diminui abaixo da
tensao mınima especificada, a maioria dos inversores desliga-se automaticamente.
Tensao de saıda A tensao de saıda da maioria dos inversores e regulada. Ela deve atender as
especificacoes necessarias para alimentar as cargas queserao operadas.
Capacidade de surtoA maioria dos inversores pode exceder sua potencia nominal. Deve-
se determinar as necessidades de surtos para cargas especıficas. Alguns motores CA,
quando acionados, necessitam de uma corrente elevada de partida por um curto perıodo
para entrarem em operacao. Esta corrente de partida para motores de inducao pode atingir
de 3 a 6 vezes a corrente necessaria para operacao contınua.
Frequencia Os aparelhos sao fabricados para operarem em uma frequencia especıfica. Al-
guns tipos de equipamentos necessitam de uma cuidadosa regulagem de frequencia pois
variacoes poderao causar perda do desempenho de relogios e timers eletronicos.
A frequencia do sinal de saıda CA e geralmente 60 ou 50 Hz.
3.2.8 Tipos de sistema fotovoltaico
Um sistema fotovoltaico pode ser classificado em tres categorias distintas: sistemas isolados
(OFF-GRID), conectados a rede (ON-GRID) e os hıbridos, quesao uma uniao dos dois citados
anteriormente. Os sistemas obedecem a uma configuracao b´asica figura 20 onde o sistema
devera ter uma unidade de controle de potencia e tambem uma unidade de armazenamento.
47
3.2.8.1 Sistemas isolados - OFF GRID
Sistemas isolados figura 21, em geral, utiliza alguma forma de armazenamento de ener-
gia. Este armazenamento pode ser feito atraves de baterias, quando se deseja utilizar apare-
lhos eletricos ou armazena-se na forma de energia gravitacional quando se bombeia agua para
tanques em sistemas de abastecimento. Alguns sistemas isolados nao necessitam de armaze-
namento, o que e o caso da irrigacao onde toda a agua bombeada e diretamente consumida ou
estocada em reservatorios.
Em sistemas que necessitam de armazenamento de energia em baterias, usa-se um disposi-
tivo para controlar a carga e a descarga na bateria. O ”controlador de carga” tem como principal
funcao nao deixar que haja danos na bateria por sobrecarga ou descarga profunda. O controla-
dor de carga e usado em sistemas pequenos onde os aparelhos utilizados sao de baixa tensao e
corrente contınua (CC).
Para alimentacao de equipamentos de corrente alternada (CA) e necessario um inversor.
Este dispositivo geralmente incorpora um seguidor de pontode maxima potencia necessario
para otimizacao da potencia final produzida. Este sistema e usado quando se deseja mais con-
forto na utilizacao de eletrodomesticos convencionais.
3.2.8.2 Sistema conectado a rede eletrica - ON GRID
Estes sistemas utilizam grandes numeros de paineis fotovoltaicos, e nao utilizam armaze-
namento de energia pois toda a geracao e entregue diretamente na rede. Este sistema representa
uma fonte complementar ao sistema eletrico de grande porteao qual esta conectada. Todo o
arranjo e conectado em inversores e logo em seguida guiadosdiretamente na rede. Estes inver-
sores devem satisfazer as exigencias de qualidade e seguranca para que a rede nao seja afetada.
48
Figura 19: Caracterısticas de inversores com diferentes formas de onda
Fonte:Manual de engenharia para sistemas fotovoltaico - Grupo de trabalho de Energia Solar - GTES,2004.
49
Figura 20: Configuracao basica de um sistema fotovoltaico.
Fonte: Energia solar princıpios e aplicacoes - Centro dereferencia de energia solar e eolica Sergio deSalvo Brito.
Figura 21: Diagrama de sistemas fotovoltaicos OFF GRID
Fonte: Energia solar princıpios e aplicacoes - Centro dereferencia de energia solar e eolica Sergio deSalvo Brito.
50
Figura 22: Diagrama de sistemas fotovoltaicos ON GRID
Fonte: Energia solar princıpios e aplicacoes - Centro dereferencia de energia solar e eolica Sergio deSalvo Brito.
51
4 ESTUDO DE CASO
Como o objetivo deste trabalho e mostrar a reducao no consumo de energia em residencias
atraves do uso de fontes alternativas, primeiramente ser´a considerado a instalacao de um sis-
tema solar termico para aquecimento de agua, e complementado o uso de energia alternativas,
sera considerado a instalacao de um sistema solar fotovoltaico “ON-GRID”. Este segundo sis-
tema ira gerar energia eletrica na propria residencia.Esta energia alimentara a rede eletrica
convencional, e como existem limitacoes quanto ao armazenamento de energia eletrica caso
haja excedente de producao em relacao ao consumo, o mesmo sera entregue a concessionaria
de energia eletrica.
4.1 Energia Solar Termica
Segundo estudo realizado pela Green Solar/PUC-Minas em 2008, 6% da energia eletrica
produzida no Brasil e utilizada no aquecimento de agua na residencias conforme mostrado na
figura 23. Este consumo esta baseado nos habito de posse do Brasil, que diz que 78% das
residencias brasileiras utilizam aquecedor eletrico(GREEN/PUC-MINAS, 2008). O mesmo estudo
diz que o maior impacto deste habito e entre os perıodo das18:00 as 20:00, conforme mostrado
na figura 24.
Com bases nos dados mostrados anteriormente conclui-se quepara reduzir o consumo de
energia de uma residencia, deve ser diminuir o consumo de energia utilizado para o aqueci-
mento, sendo que uma das alternativas mais interessante e autilizacao da energia solar termica.
Para estudo de caso, neste trabalho sera utilizado como referencia o consumo de energia de
uma residencia unifamiliar localizada em Ribeirao Pretoonde residem quatro pessoas, conside-
rando a instalacao de uma sistema de aproveitamento da energia solar termica.
Utilizou-se o softwaredimensoldesenvolvido pela PUC-Minas para o dimensionamento do
sistema de aquecimento (SAS) e definicao dos equipamentosa serem utilizados no mesmo. Tal
software utiliza como referencia a norma NBR-15569 publicada pela ABNT em 2008, sendo
52
Figura 23: Aquecimento de agua no setor residencial
Fonte: Aquecimento solar, Tecnologia solar, Projetos Sociais, Etiquetagem - GREEN PUC Minas.
que todos as variaveis presentes no dimensionamento, tiveram como referencia a mesma norma.
O correto dimensionamento de equipamentos a serem utilizados no sistema de aquecimento
solar (SAS), e realizado atraves das seguintes etapas:
A- Definir o volume de consumo para o atendimento:
Vconsumo = Σ(Qpu.Tu.Fuso) (4.1)
Onde:
• Vconsumoe o volume total de agua quente consumido diariamente em metros cubicos
(m3).
• Qpu e a vazao da peca de utilizacao, expressa em metros cubicos(m3).
• Tu e o tempo de uso diario da peca de utilizacao, expresso em segundos(s).
• Fuso e o numero total de utilizacao da peca por dia.
B- Calcular o volume do sistema de armazenamento:
Varmaz =Vconsumo.(Tconsumo−Tambiente)
(Tarmaz−Tambiente)(4.2)
Onde:
53
Figura 24: Impacto do aquecimento de agua no setor eletrico
Fonte: Aquecimento solar, Tecnologia solar, Projetos Sociais, Etiquetagem - GREEN PUC Minas.
• Vconsumoe o volume de consumo diario, em metros cubicos(m3).
• Varmaz e o volume do sistema de armazenamento do SAS, em metros cubicos(m3).
• Tconsumoe a temperatura de consumo de utilizacao, em graus Celsius (°C).
• Tarmaz e a temperatura de armazenamento da agua, em graus Celsius(°C).
• Tambientee a temperatura ambiente media anual do local de instalacao, em graus Cel-
sius (°C).
C- Calcular a demanda de energia util:
Eutil =Varmaz.ρ .Cp.(Tarmaz−Tambiente)
3600(4.3)
Onde:
54
• Eutil e a energia util, expressa em quilowatts hora por dia(kWh/dia).
• Varmaz e o volume do sistema de armazenamento do SAS, em metros cubicos(m3).
• ρ e a massa especıfica da agua igual a 1000, em quilogramas por metros cubicos
( kgm3).
• Cp e a calor especıfico da agua igual a 4,18 em quilojoules porquilograma Kelvin
(K jKg).
• Tarmaz e a temperatura de armazenamento da agua, em graus Celsius(C).
• Tambientee a temperatura ambiente media anual do local de instalacao, em graus Cel-
sius (°C).
D- Calcular a area coletora:
Acoletora=(Eutil +Eperdas).FCinstal.4,901
PMDEE.IG(4.4)
Onde:
• Acoletora e a area coletora, em metros quadrados(m2).
• IG e o valor da irradiacao global media anual para o local dainstalacao, expresso em
quilowatts hora por metro quadrado dia( kW hm2.dia
).
• Eutil e a energia util, em quilowatts hora por dia(kWhdia ).
• Eperdas e o somatorio das perdas termicas dos circuitos e secund´ario, expresso em
quilowatts hora por dia(kWhdia ), calculado pela soma das perdas ou pela equacao:
Eperdas = 0,15.Eutil (4.5)
55
• PMDEE e a producao media diaria de energia especıficado coletor solar, expressa
em quilowatts hora por metro quadrado(kWhm2 ), calculada atraves da equacao:
PMDEE = 4,901.(Frτα −0,0249.FrUL) (4.6)
Onde:
– Frτα e o coeficiente de ganho do coletor solar (adimensional).
– FrUL e o coeficiente de perdas do coletor solar (adimensional).
• FCInstal e o fator de correcao para inclinacao e orientacao docoletor solar dado pela
equacao:
FCInstal =1
1− [1,2.10−4.(β −βOtimo)2+3,5.10−5.γ2](4.7)
(para 15°< β < 90°)
Onde:
– β e a inclinacao do coletor em relacao ao plano horizontal, em graus (°).
– βOtimo e a inclinacao otima do coletor para o local da instalacao, expressa em
graus (°) (sugere-se que seja adotado o valor do modulo da latitude local + 10°).
– γ e o angulo de orientacao dos coletores solares em relacao ao norte geografico,
expresso em graus (°).
A eficiencia do SAS e a quantidade de equipamentos necessarios para o correto funcio-
namento do mesmo sao influenciados pela posicao geografica e as condicoes climaticas e ne-
cessario entao a definicao anterior do local de instalac¸ao e a sua posicao geografica, neste estudo
a posicao de instalacao e mostrada na figura 25 que mostra foto aerea do local e sua posicao
geografica a figura 26, mostra o desenho esquematico da residencia em relacao a posicao ge-
ografica.
Apos definido o local da instalacao e a condicoes de uso,o dimensolapresenta a sugestao
dos equipamentos a serem utilizado para garantir o abastecimento de agua quente a ser utilizada
na residencia objeto deste estudo, o relatorio completo em anexo.
• 01 - Reservatorio termico de agua quente de 300L.
56
Figura 25: Foto aerea do local da instalacao.
Fonte: Google Earth, Latitude 21°07′47′′ Longitude 47°44′19′′ atualizada em 20/04/2010.
Figura 26: Posicao da residencia em relacao ao norte geografico.
Fonte: Planta de cobertura da residencia.
57
• 02 - Coletores solares do tipo fechado com 2m2 de area.
4.2 Sistema solar fotovoltaico
Diferentemente do SAS para o dimensionamento do sistema solar fotovoltaico de geracao
de energia nao existe norma brasileira que oriente a instalacao e os parametros do mesmo.
Neste estudo de caso foi utilizado o softwareSunny Designdesenvolvido pela empresaSMA
Solar Technology AG, empresa alema lıder mundial na fabricacao de inversores de frequencia
para sistema fotovoltaico de geracao de energia.
Devido a falta de uma legislacao especıfica brasileira que regulamente o uso de energia
fotovoltaico, todos os sistema conectados a rede eletrica (ON-GRID) existentes no Brasil tem
potencia instalada menor que o consumo da unidade consumidora, evitando assim a geracao de
energia em excesso quando comparado ao consumo desta unidade.
Neste estudo de caso sera considerado a utilizacao de um sistema conectado a rede eletrica
com potencia pico instalada de 1,2 kW. Tal sistema devera ter em media uma geracao menor
do que o consumo medio da residencia mesmo apos a instalac¸ao do sistema de aquecimento de
agua.
O Sunny Desgintambem utiliza as informacoes de localizacao, inclinacao e orientacao
para calcular a geracao e o aproveitamento do sistema de geracao fotovoltaico, considerando
os mesmo valores utilizados no SAS, mostrados nas figuras 25 efigura 26, a irradiacao solar
na regiao tomada como referencia e mostrada na figura 27 e devera ser composto dos seguintes
componentes:
• 5 - Paineis solares fotovoltaicos de 240W pSuntech Power STP240-24/Vd.
• 1 - Inversor de frequencia Sunny Boy 1200 - SMA.
A figura 28 mostra o layout final do telhado onde serao instalado os dois sistema, bem como
a area disponıvel e area utilizada.
4.3 Calculo do novo consumo de energia eletrica.
Baseado na nota fiscal fatura de energia, considerando os ultimos treze meses, o consumo
medio mensal de energia eletrica nesta residencia e de 266,38 kWh, como mostrada na tabela
3. Deste consumo serao retirados os gastos de energia referente ao uso de energia eletrica para
58
Figura 27: Insolacao media na cidade de Ribeirao Preto.
Fonte:Potencial Energetico Solar - Sundata (CRESESB, 2011)
59
Figura 28: Esquema de montagem dos paineis no telhado.
Fonte: Propria.
aquecimento de agua supridos pelo SAS e a co-geracao de energia eletrica gerada pelo SF,
obtendo se assim o novo consumo energetico medio da residˆencia. Para este calculo utilizou se
os valores apresentado nos relatorios apresentados pelosdois software utilizados.
Tabela 3: Consumo de energia na residencia nos ultimos treze meses
Mes Consumo Mes Consumo
ago/10 281 mar/11 284set/10 234 abr/11 248out/10 249 mai/11 286nov/10 285 jun/11 248dez/10 290 jul/11 236jan/11 271 ago/11 248fev/11 303 Media 266,38
O dimensolalem de dimensionar o SAS, tambem informa o consumo medioanterior de
energia e o novo medio consumo apos a utilizacao da energia solar na residencia. A figura 29
mostra esta reducao no consumo de energia e tambem o novo valor da conta de energia eletrica
utilizando como base o custo da energia mostrado na figura 33.
A incidencia solar varia ao longo do ano, portanto a eficiencia na conversao de energia
60
Figura 29: Comparacao no consumo de energia com e sem SAS m´edia anual.
Fonte: Dimensol.
do SAS nao e constante. Utilizando a disponibilidade de energia mostrado na figura 27 a
economica gerada utilizacao do SAS e apresentada emkWh, como mostra a figura 30.
Segundo oSunny Design, a geracao media anual deste sistema sera de 1521,50 kWh, sendo
que a media mensal sera de 126,79 kWh, assim como o aproveitamento do SAS e alterado
devido a variacoes de incidencia solar ao longo do ano, tal efeito tambem acontece no SF, e
consequentemente a geracao de energia tambem varia ao longo do ano a figura 31 mostra a
geracao de energia em cada mes do ano.
Considerando os dados anteriores mostrados na tabela 3 e nasfiguras 30 e 31, calcula se o
novo consumo de energia projetado para esta residencia atraves da equacao a 4.9. Considerando
a media anual, ja a figura 32 mostra o novo consumo em cada mes do ano.
Nconsumo ≈ Aconsumo−EcSAS−GSF (4.8)
Nconsumo ≈ 265,17−105,60−127,21
Nconsumo ≈ 32,36kwh
Onde:
• Nconsumoe o novo consumo medio aproximado.
• Aconsumoe o antigo consumo medio
61
Figura 30: Producao de energia pelo SAS ao longo dos meses do ano.
Fonte: Propria.
Figura 31: Producao de energia eletrica pelo SF ao longo dos meses do ano.
Fonte: Propria.
62
• EcSASe a economia gerada pelo o uso do SAS.
• GSF e a energia gerada pelo sistema fotovoltaico.
Figura 32: Novo consumo de energia projetado em cada mes do ano
Fonte: Propria.
Este novo consumo medio representa apenas 12,20% do consumo medio anterior mostrando
uma economia real aproximada de 87,80% no consumo de energiada residencia apresentada
neste estudo de caso, o que evidencias uma reducao consideravel no consumo medio de energia
eletrica na residencia, segundo as tarifas autorizadas pela ANEEL mostradas na figura 33. O
novo valor da nota de energia seria em media R$15,81, inclu´ıdos os tributos e taxas incidentes
sobre o valor da energia eletrica.
4.4 Custos de implantacao e prazo de retorno do investimento.
A implantacao do dois sistemas de captacao de energia solar, tem um investimento total
de R$ 18.443,00, conforme orcamento obtido junto a empresaque atua neste ramo de negocio
como mostrado na figura 34.
Considerando as tarifas de energia praticadas na regiao conforme mostrada na figura 33 e
o novo consumo, conforme equacao 4.9, foi possıvel calcular o valor da nova conta de energia
eletrica da residencia. Com base no exposto pode ser determinar qual o prazo para retorno do
investimento na instalacao de cada sistema individualmente.
63
Figura 33: Tarifas para o fornecimento de energia eletrica.
Fonte: Resolucao 1.130 ANEEL de 05/04/2011.
A figura 35 mostra os valores para a instalacao do SAS e as premissas consideradas no
calculo do retorno e a figura 36 mostra o grafico da evolucao deste investimento ao longo do
tempo, onde pode se notar que o retorno se dara em 72 meses. Ouseja, em aproximadamente
em 6 anos o valor investido para a instalacao do SAS sera totalmente liquidado apenas com a
economia gerada pelo seu uso.
Ja figura 371 e relativa aos valores para a instalacao do SF e os indicadores utilizados no
calculo do retorno e o grafico da evolucao deste investimento ao longo do tempo sao mostrados
na figura 36, onde pode se notar que o retorno se dara em aproximadamente em 12 anos e o
valor investido na instalacao do SF sera totalmente liquidado apenas com a economia gerada
pela sua instalacao.
1Os calculos referentes ao retorno do investimento do SAS foram realizados pelos proprio softwareDimensolcom base nas normas existentes no paıs, no caso FV nao existem normas especificas, oSunny Designsomentecalcula o rendimento do sistema, portanto nao houve um estudo detalho do retorno do investimento para estessistema.
64
Figura 34: Orcamento referente a instalacao dos sistemade aproveitamento de energia solar.
Fonte: Blue Sol Energia Solar em 26/09/2011.
65
Figura 35: Calculo do investimento na instalacao do SAS
Fonte: Relatorio Dimensol
Figura 36: Grafico retorno do investimento na instalacaodo SAS
Fonte: Relatorio Dimensol
66
Figura 37: Calculo do investimento na instalacao do SF
Fonte: Propria
Figura 38: Grafico retorno do investimento na instalacaodo SF
Fonte: Propria
67
5 CONCLUSAO
Anualmente, o Sol irradia o equivalente a 10.000 vezes a energia consumida pela populacao
mundial neste mesmo perıodo. O Sol produz continuamente cerca de 390 sextilhoes de qui-
lowatts de potencia. Para cada metro quadrado de coletor solar instalado evita-se a inundacao
de 56 metros quadrados de terras ferteis (DEPENDENTES. . ., 2011), na construcao de novas usi-
nas hidreletricas.
A Energia Solar soma caracterısticas vantajosamente positivas para o sistema ambiental,
pois o Sol, trabalhando como um imenso reator a fusao, irradia na terra todos os dias um po-
tencial energetico extremamente elevado e incomparavela qualquer outro sistema de energia,
sendo a fonte basica e indispensavel para praticamente todas as fontes energeticas utilizadas
pelo homem.
Nos dias atuais muito se tem falado na emissao de carbono, que contribui para o efeito
estufa, que aumenta os ındices de poluicao e eleva a temperatura media do planeta, quando
em funcionamento a energia solar nao emite carbono e o que foi emitido durante a producao
dos materiais a utilizados nos sistema sao compensando pela longa vida util dos sistemas. Isso
demonstra as maiores vantagens e benefıcios do uso da energia solar tanto termica quanto foto-
voltaica e os aspectos ambientais,
Para enfrentarmos os desafios do novo milenio e a escassez deenergia, a solar e uma das
alternativas energeticas mais promissoras, pois o sol e fonte de energia renovavel, permanente
e abundante. Em areas afastadas e nao eletrificadas, a energia solar e a solucao ideal, especial-
mente no Brasil onde ha bons ındices de insolacao em todaparte do territorio.
Este estudo possibilitou verificar a viabilidade tecnica eeconomica do uso de energia solar
termica e fotovoltaica em residencia para a reducao do consumo.
Com base nos dispostos apresentado concluiu-se que quando levado em consideracao a
reducao do consumo, este estudo pode ser considerado viavel, uma vez que apos a sua aplicacao
na residencia houve uma reducao consideravel no consumo de energia eletrica, podendo alcancar
85% do consumo mensal da residencia.
68
Para o sistema eletrico nacional a aplicacao dos sistemas descritos neste estudo tambem
traria um impacto positivo. Caso fosse aplicado em grande escala, o consumo de energia no
horario de pico das 18:00 as 21:00 hs teria uma diminuicao consideravel devido a substituicao
dos chuveiros eletricos, tao comum em nosso paıs, por sistemas de aquecimento solar. E du-
rante o dia a energia gerada nas residencias pelos sistemasfotovoltaico e nao utilizada naquele
instante pela propria residencia seria disponibilizadapara o uso nas industrias e no comercio lo-
cal diminuindo a necessidade de novos investimentos na geracao, transmissao e distribuicao de
energia eletrica, o que evitaria a desapropriacao de terras, derrubadas de florestas e inundacoes
de grande areas.
Quanto a viabilidade financeira nao se pode afirmar que o projeto seja totalmente viavel,
uma vez que o custo inicial da instalacao de ambos os sistemas e relativamente alto, e a
amortizacao ao longo do tempo e demorada, aproximadamente 12 anos. Porem, caso houvesse
alguma forma de incentivo governamental para estas aplicac¸oes, diminuindo a carga tributaria
sobre os equipamentos que compoe o sistema ou na criacao de linhas de credito especıfica para
a populacao mais carente, este estudo mostra que para uma famılia o impacto causado pela
aplicacao deste projeto e grande, podendo reduzir uma conta de energia que antes seria em
torno de R$ 120,00 para aproximadamente R$15,00.
Em linhas gerais conclui-se que este estudo mostrou se viavel, quando aplicado em re-
sidencias de baixa renda que nao buscariam na co-geracao lucro para a famılia, e sim um au-
mento na renda lıquida do bravo povo brasileiro, que tem nascontas de consumo mensal um
grande peso em seu orcamento domestico.
69
REFERENCIAS
ABNT. NBR-15569. [S.l.]: Sistema de aquecimento solar de agua em circuito direto - Projeto einstalacao, 2008.
ABRAVA. Curso de Capacitacao em Aquecimento Solar. [S.l.]: Projeto Sol Brasil, 2008.
ANEEL. In: BANCO de Informacoes de Geracao. Brasılia:Capacidade de Geracao do Brasil, 2011. Disponıvel em:<http://www.aneel.gov.br/aplicacoes/capacidadebrasil/capacidadebrasil.asp>. Acessoem: 19 Junho. 2011.
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ANEXO A -- RELAT ORIO - SOFTWARE DIMENSOL
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ANEXO B -- RELAT ORIO - SOFTWARE SUNNY DESGIN