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Energia Solar Caseira – Parte 1Introdução à Energia Solar

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2 Energia Solar Caseira

Conteúdo

1 – Introdução.................................................................................................. 5

2 – Fontes Alternativas.................................................................................... 7

2.1 – Etanol.................................................................................................. 8

2.2 – Energia Solar Térmica ........................................................................ 9

2.3 – Biodisel ............................................................................................. 11

2.4 – Energia Eólica................................................................................... 12

3 – Efeito Fotovoltaíco................................................................................... 14

4 – Sistema Solar Fotovoltaíco...................................................................... 16

4.1 – Sistema Fotovoltaico Isolado ............................................................ 16

4.2 – Sistema Fotovoltaico Conectado ...................................................... 18

5 – Componentes de um sistema Solar Fotovoltaico .................................... 20

5.1 – Painéis Solares ................................................................................. 20

5.2 – Bateria............................................................................................... 22

5.3 – Inversor ............................................................................................. 24

5.4 – Controlador de carga ........................................................................ 24

6 – Construção de um sistema solar Fotovoltaico ......................................... 26

6.1 – Cálculo de um sistema Fotovoltaico para correntes alternadas. ....... 26

6.1.1 – 1º Passo: Cálculo da Potência total do sistema ............................. 26

6.1.2 – 2º Passo: Definição do Painel Solar............................................... 27

6.1.3 – 3º Passo: Definição do Banco de Baterias..................................... 29

6.1.4 – 4º Passo: Definição do Controlador de Carga ............................... 31

6.1.5 – 5º Passo: Definição do Inversor ..................................................... 32

6.2 – Conclusão do Projeto........................................................................ 33

7 – Montagem e Dicas Úteis ......................................................................... 34

Apendice A – Empresas para Sistemas Fotovoltaicos .................................. 43

Apendice B – Tabela de Espessura de Fios e Cabos ................................... 44


Tabela de Figuras

Figura 1-1: Foto de um painel solar instalado numa rodovia paulista ........................6

Figura 2-1: Casa modelo com energia solar fotovoltaica. (Europa) ...........................8

Figura 2.2-1: Modelo de casa popular com energia solar térmica. .............................9

Figura 2.2-2: Modelo de energia solar térmica com garrafas pet..............................10

Figura 2.4-1: Parque de captação de Energia Eólica. ..............................................12

Figura 2.4-1: Mapa de ventos no Brasil. .............................................................. .....13

Figura 3-1: Efeito Fotovoltaico relatado por Edmond Becquerel em 1839. ..............14

Figura 3-2: Exemplos de células solares disponíveis no mercado ...........................15

Figura 4-1: Arranjo básico de um SF ........................................................................16

Figura 4.1-1: Exemplo de sistema fotovoltaico isolado ............................................17

Figura 4.2-1: Exemplo de sistema fotovoltaico conectado .......................................18

Figura 5.1-1: Painel Solar Fotovoltaíco (camadas) ..................................................20

Figura 5.1-2: Módulo Fotovoltaico de 100W..............................................................21

Figura 5.1-1: Painéis Fotovoltaicos da companhia elétrica de Sacramento .............21

Figura 5.2-1: Exemplo de banco de baterias seladas para Telecomunicações .......23

Figura 5.2-2: Exemplo de ligações de Baterias.........................................................23

Figura 5.3-1: Inversores vendidos comercialmente de 150W, 300W e 2000W.........24

Figura 5.4-1: Modelos de inversores disponíveis no mercado .................................25

Figura 6.1.2-1: Catálogo de Painéis Solares SunLab Power ...................................28

Figura 6.1.3-1: Catálogo de baterias de eletrólito absorvido. ...................................30

Figura 6.1.3-2: Catálogo de baterias de descarga profunda. ...................................30

Figura 6.1.4-1: Catálogo de Controladores de Carga. ..............................................31

Figura 6.2-1: Catálogo de inversores. ......................................................................33

Figura 7-1: Traseira de células solares com fitas para soldagem. ...........................35

Figura 7-2: Fitas de estanho para soldar ..................................................................35

Figura 7-3: Esquema de conexão de células solares ...............................................36

Figura 7-4: Ferro de Solda comum, utilizado para eletrônica ...................................36

Figura 7-5: Diagrama da parte frontal e traseira das células solares........................37

Figura 7-6: Células solares conectas em série (“fileiras”) ........................................37

Figura 7-7: Multímetro Digital ...................................................................................38


Figura 7-8: Protetor UV para madeira ......................................................................39

Figura 7-9: Cola de silicone com aplicador ...............................................................39

Figura 7-10: Conectores tipo Barra ..........................................................................40

Figura 7-11: Plugs e tomadas industriais .................................................................41

Figura 7-12: Conectores torção ................................................................................41

Figura 7-13: Tomadas ou plugues tipo fêmea ..........................................................41

Figura 7-14: Tomadas ou plugues tipo macho .........................................................42


1 – Introdução

Atualmente estamos vivendo crises energéticas constantes, tanto na área do

petróleo como nas hidroelétricas. Estamos vivenciando a degradação do meio

ambiente pela agropecuária e pela geração de energia. Por isso é importante

começarmos a pensar em sistemas alternativos de energia.

A luz do sol é uma fonte inesgotável de energia, por isso, muitos estudiosos

dizem que o sol será a principal fonte de energia do futuro. Pensando nisso, o

homem vem aprimorando cada vez mais as formas de obtenção de energia desta

fonte.

Hoje em dia já temos diversos aparelhos movidos a energia solar. É certo,

que alguns ainda bem precários, pouca eficiência energética, baixa autonomia,

utilizações reduzidas, outros em fases experimentais, estudos, etc. O que interessa

é que essa tecnologia já está acessível as nossas mãos. Com simples arranjos,

conseguimos montar conversores de energia solar nas mais diversas formas de

energia

A energia solar fotovoltaica é capaz de gerar energia elétrica através de

painéis fotovoltaicos que transformam luz (fóton) em energia elétrica (volts). Essa

energia é renovável, inesgotável e pode ser armazenada utilizando baterias.

Há várias aplicações para este tipo de energia, que vão desde a utilização

em calculadoras simples portáteis, até residências, para alimentar aparelhos

elétricos, bombas de captação de água e irrigação, e o mais importante deles:

carros elétricos ou híbridos.

Até mesmo nas estradas brasileiras é possível encontrar sistemas

fotovoltaicos. É normalmente utilizado para alimentar painés de sinalização, radares,

telefones de emergência ou câmeras de monitoramento. Muitas pessoas não sabem

que aquilo se trata de uma fonte de energia solar, mas depois de ver e estudar essa

tecnologia, qualquer um é capaz de identificar claramente um sistema fotovoltaico.


Figura 1-1: Foto de um painel solar instalado numa rodovia paulista

Neste livro, mostraremos um pouco mais sobre energia solar fotovoltaica,

suas utilizações e o mais importante: Como montar você mesmo um sistema de

energia solar em sua casa! Energia Solar Caseira! Muito simples!


2 – Fontes Alternativas

Existem várias fontes de energia no mundo. Como disse Lavoisier: “Na

natureza, nada se cria, nada se perde, tudo se transforma”, por isso podemos

utilizar de vários recursos naturais para transformá-los em energia útil e não em

problemas para o meio ambiente.

Além das energias transformadas a milhões de anos, como o petróleo, o

carvão, o gás e outros minerais, temos a possibilidade de transformar energia de

fontes renováveis como o etanol, os óleos biocombustíveis, o vento, e a maior de

todas as fontes: o Sol.

O petróleo sofre constantemente com crises políticas, econômicas,

especulações e a mais forte delas: volume finito de recursos. A cada novo conflito

nas regiões onde se encontram as maiores reservas o preço aumenta, os estoques

abaixam, os especuladores escondem suas reservas e nós, consumidores,

sofremos com a alta dos preços. Isso é o que ocorre também com o gás e o carvão

mineral, recursos largamente utilizados na indústria pesada.

Além dos problemas econômicos, causados pelos combustíveis fósseis, há

também o problema ambiental. Estes combustíveis poluem desde a sua produção

até a utilização final, seja em automóveis, trens, caldeiras, máquinas ou geradores.

A poluição em cidades como São Paulo, é responsável, indiretamente, por 20

mortes diárias, o dobro do que acontecia há 5 anos, responsável também pelo

aquecimento da temperatura média na terra, o que acarreta, derretimento das

calotas, elevação dos nível dos oceanos, e efeitos climáticos catastróficos.

As usinas hidroelétricas, por sua vez, produzem 90% da energia consumida

no país e têm entre seus principais problemas a falta de chuvas. Conseqüentes

riscos de apagões, como os de 1999, 2001 e o último de novembro de 2009 são

vistos a cada ano, resultando em preços cada vez mais altos aos consumidores.

Embora o Brasil seja um país rico em recursos hídricos, o preço da energia gerada

através dessas usinas ainda está muito além da média mundial, incluindo países

que não tem sequer 5% da nossa capacidade.

Todos estes fatos nos levam a uma conclusão: a energia está ficando cada

vez mais cara e suja.


Embora já existam sistemas alternativos no mercado, a sua propagação e

adesão em massa da população acontece de maneira muito devagar. Enquanto na

Europa cerca de 1% das residências já possuem sistemas de energia alternativa, no

Brasil esse número é bem menor, apenas 0,05%. Desse montante de energia solar

produzida no Brasil, aproximadamente 95% é energia solar térmica e apenas 5%

energia solar fotovoltaica.

Figura 2-1: Casa modelo com energia solar fotovoltaica. (Europa)

A energia solar térmica é utilizada para aquecer água, tanto para

aquecimento central da água como para piscinas, ou seja, não gera energia elétrica,

portanto não serve para alimentar aparelhos como TV, geladeira, lâmpada, etc.

Há a necessidade de se produzir energia elétrica alternativa para ser utilizada

em residências, reduzindo assim o consumo de energia não-renovável e gerando

economia para as famílias.

2.1 – Etanol

O etanol é um biocombustível produzido, geralmente, a partir da cana-de-

açúcar, mandioca, milho ou beterraba. Os maiores produtores de etanol no mundo

são Brasil e Estados Unidos, com cerca de 89% da produção mundial.

No Brasil o etanol apareceu na crise energética dos anos 70, quando o Brasil

passou a investir no programa Pró-Alcool, incentivando produtores e montadoras a

investir nessa fonte de energia renovável. Porém, com a alta do preço do açúcar no


mercado internacional e a queda dos combustíveis fosseis, o investimento e o

subsídio ao produto ficaram escassos.

Nos últimos anos, com outra crise energética e novas questões e

preocupações ambientais trouxeram de volta, com muita força, o etanol. O Brasil é o

maior exportador mundial, e considerado líder internacional em matéria de

biocombustíveis, além de ser a primeira economia em ter atingido um uso

sustentável dos biocombustíveis.

Atualmente o Brasil tem mais de 8,2 milhões de veículos utilizando a

tecnologia flex, que permite o uso do etanol, ou de qualquer combinação do etanol

com gasolina. A tecnologia também está sendo aplicada a motocicletas, veículos

pesados (tratores, máquinas agrícolas) e até em aviões de pequeno porte.

2.2 – Energia Solar Térmica

A energia solar é, hoje, uma das principais fontes de energia para o

consumidor final.

Embora não seja produzida em alta escala como usinas, a energia solar está

presente em muitos domicílios e hotéis pelo mundo.

Além da energia solar fotovoltaica abordada neste documento, a energia para

aquecimento de água, através da luz e do calor solar está cada vez mais acessível

aos consumidores finais, de forma que se populariza a uma velocidade muito alta.

Figura 2.2-1: Modelo de casa popular com energia solar térmica.

Os domicílios podem ter soluções para aquecimento de água, cada vez mais

simples, ou até mesmo construídas em casa, assim como o que propomos aqui. Já


há inclusive soluções com garrafas pet, o que contribui duplamente com o meio

ambiente, além do baixíssimo custo de produção.

Figura 2.2-2: Modelo de energia solar térmica com garrafas pet.

Nos hotéis, diferentemente, se requer uma solução mais profissional, pois há

a necessidade de um estudo da quantidade utilizada, da ocupação média e do clima

ao longo do ano na localidade.

A solução para aquecimento solar é muito mais simples e barata, pois

trabalha mais com a parte hidráulica da instalação e não elétrica. Assim, qualquer

profissional que saiba a solução e tenha conhecimentos em hidráulica pode adaptar

esse sistema.

Por último, destaca-se o que chamamos de energia limpa, ou seja, não tem

custos de produção, pois vem do sol, e não gera poluentes para o meio ambiente.

Há várias empresas tradicionais no ramo que já oferecem os serviços

completos, com os painéis, a instalação e manutenção do equipamentos, porém

com uma solução tão simples, há outras várias pequenas empresas que também

oferecem o serviço.


2.3 – Biodisel

Você pode usar óleo de soja, de canola, de mamona e qualquer outro tipo de

óleo vegetal – inclusive o óleo já usado – para servir de combustível para seu carro

e aquecer ou gerar energia elétrica para sua casa, através de um gerador a diesel.

O Biodiesel é um tipo de combustível criado a partir de fontes renováveis, no caso,

óleo vegetal e gordura animal. Sua principal fonte pode ser os restaurantes que

descartam no final do dia o óleo usado na cozinha. Com apenas alguns restaurantes

é possível fazer muito Biodiesel.

Rudolf Diesel, o homem que inventou o motor a diesel em 1892, o fez

primeiramente para rodar com óleo de amendoim, ou seja, Biodiesel.

Veículos movidos a Biodiesel emitem um cheiro de fritura gostoso e que abre

o apetite. O Biodiesel é criado a partir de uma reação química conhecida como

transesterificação, uma mistura que combina óleo vegetal, metanol, etanol e

esterilizante.

O Biodiesel é bom para seu veículo a Diesel e para o meio ambiente.

Algumas das razões para se usar Biodiesel é que ele polui muito menos, não

contribui para o aquecimento global, lubrifica seu motor, aumenta a vida útil do

motor, tem a mesma quantidade de quilômetros por litro de diesel comum e é muito

seguro. Mas a grande vantagem do Biodiesel é a economia financeira. O custo do

Biodiesel pode chegar a míseros 0,12 centavos por litro se você mesmo produzi-lo.

Em nosso livro “Como Fazer Seu Próprio Biodiesel em Casa” (disponível em

nosso site) fornecemos instruções passo-a-passo detalhadas de como produzir seu

próprio Biodiesel para conseguir um custo de apenas R$0,12 por litro. Tudo que

você precisa saber é informado, com números e proporções precisas, pois o

Biodiesel não é óleo vegetal simplesmente. É absolutamente necessário seguir

procedimentos detalhados para assegurar que o óleo não cause danos ao seu

motor. Com biodiesel, não é necessário adicionar nenhum tipo de conversor ou

modificação no seu motor ou sistema de combustível. Porém, seguir instruções

corretas é absolutamente crucial.


2.4 – Energia Eólica

A energia eólica, proveniente dos ventos, (Eolo Deus do vento na Mitologia

Grega), é aproveita desde a antiguidade, seja para mover embarcações com velas

ou moinhos com pás. Hoje em dia é utilizada como fonte de energia elétrica ou

aerogeradores. Com grandes pás, ou hélices, em forma de catavento, esses

aerogeradores transformam a energia mecânica do movimento das pás em energia

elétrica (indução). Normalmente são acampadas em parques eólicos, de forma a

captar energia de diversos aerogeradores numa mesma fonte.

Figura 2.4-1: Parque de captação de Energia Eólica.

A energia eólica é mais usada em países com baixos recursos hidrográficos,

pois é uma fonte de energia limpa e renovável. Os países que mais utilizam esse

tipo de energia são: Dinarmarca, com 23% da produção de energia do país,

Portugal e Espanha com 8% e Alemanha com 6%. Apesar disso os principais

produtores de energia eólica são: Estados Unidos, 35 Giga Watts, Alemanha 26GW

e China, 25GW.


No Brasil a capacidade de produção está em 606 Mega Watts o que

representa aproximadamente 0,4% da produção mundial. Mas está aumentando a

cada ano. De 2008 para 2009 houve um aumento de 77% da capacidade total, e

com as seguidas crises do setor no país espera-se que estes números aumentem

muito mais nos próximos anos, já que o Brasil é um país com muitas áreas propícias

para a instalação de aerogeradores, especialmente nos litorais do nordeste e Rio

Grande do Sul, sertão baiano e mineiro e sudoeste do Paraná.Figura 2.4-1: Mapa de ventos no Brasil. Fonte: Centro Brasileiro de Energia Eólica 1998.

A implantação deste sistema não é tão simples como no caso de energia

solar. Não há fabricantes de baixo custo no mercado, e a área para instalação dos

aerogeradores deve ser bem ampla, respeitando o espaço de migração de certas

aves. Com isso, ainda não foi desenvolvida uma solução de baixo custo como

esperam muitos consumidores, ávidos por soluções caseiras.


3 – Efeito Fotovoltaíco

Efeito Voltaico é o aparecimento de uma diferença de potencial nos extremos

de uma estrutura de material semicondutor, produzida pela absorção da luz.

Energia Solar Fotovoltaica é a energia obtida através da conversão direta da

luz em eletricidade, o que chamamos de Efeito Fotovoltaico, relatado por Edmond

Becquerel em 1839, porém construído somente em 1883 por Charles Fritts.

Figura 3-1: Efeito Fotovoltaico relatado por Edmond Becquerel em 1839.

Nas células fotovoltaicas, com incidência da luz, os fótons (partículas da luz)

excitam os elétrons presentes no material semicondutor destas células. Por serem

semicondutores, estes elétrons estão “fracamente” ligados aos átomos, assim

sendo, com essa pequena excitação os elétrons se soltam da célula, indo para a

banda de condução, podendo ser coletado como energia elétrica.

A energia gerada pela luz sofre com alguns limitantes, como por exemplo: o

espectro de radiação e a unicidade de energia gerada por um fóton.

O espectro de radiação se espalha numa ampla faixa e apenas uma pequena

parcela com comprimento de onda inferior a 1µm é capaz de excitar os elétrons em

células de silício, principal semicondutor do planeta.

Cada fóton só consegue excitar um elétron, portanto, para fótons com

energias superiores as necessárias para excitar um elétron, haverá excesso de

energia que será convertida em calor e se perderá, pois estamos apenas coletando

energia elétrica com essas células.

Estudos estão tentando reduzir ao máximo este último efeito, tornando as

células fotovoltaicas cada vez mais eficientes. Hoje, o limite teórico de conversão de

energia de radiação solar em eletricidade é de 28%, para células de arsenieto de


gálio. Comercialmente temos vários materiais com diferentes limites de conversão

comerciais:

CdTe (Telureto de Cadmio) = 7%

aSi (Silício Amorfo) = 10%

Si-crist (Cristais de Silício) = 16%

A empresa japonesa Peccell Technologies já testou uma nova célula

fotoeletroquímica sensibilizada por corante, capaz de transformar energia solar em

eletricidade, como as células fotovoltaicas, capaz de gerar mais de 4 volts de

energia. Isso é prova que esse campo está em constante evolução, concentrando

mais estudos e tende a evoluir bastante nos próximos anos, aumentando cada vez

mais a capacidade de produzir energia através da luz solar.

Figura 3-2: Exemplos de células solares disponíveis no mercado

Os tipos mais comuns de células solares são:

Célula de silício monocristalino;

Célula de silício policristalino;

Célula de silício Amorfo.


4 – Sistema Solar Fotovoltaíco

Sistema solar fotovoltaico é o que chamamos o conjunto de equipamentos

necessários para fornecer energia fotovoltaica a uma determinada aplicação, ou

seja, são todos os equipamentos conectados, recebendo energia solar e

alimentando aparelhos eletrônicos. Abaixo, está um arranjo básico de SF.

Figura 4-1: Arranjo básico de um SF

Há vários tipos de configuração de SFs, dependendo da aplicação, custo e

capacidade desejados.

Há basicamente dois tipos de SF. Sistema Fotovoltaico Isolado é aquele que

não está conectado à rede de distribuição de energia pública. Sistema Fotovoltaico

Conectado é aquele que está conectado a rede pública de distribuição de energia,

seja transfere e recebe energia à rede.

4.1 – Sistema Fotovoltaico Isolado


Um exemplo típico de SF Isolado é mostrado na figura abaixo:

Figura 4.1-1: Exemplo de sistema fotovoltaico isolado

Neste tipo de configuração o SF está isolado da rede de distribuição, não há

uma conexão das redes pública e particular (SF). O sistema não transfere nem

recebe energia da rede pública de distribuição, portanto, a principal característica é

não haver um relógio de força conectado ao SF, apenas fornecimento e consumo

próprio.

O SF isolado é o mais usado para soluções caseiras, pois é de simples

configuração, instalação e manutenção quase nula. Na figura 4-1 podemos ver os

principais equipamentos de um SF isolado: Painéis Fotovoltaicos, Inversor,

Regulador de Carga e Baterias.

Painéis Fotovoltaicos, ou Painéis Solares, são placas compostas por células

solares, normalmente recobertas por materiais como vidro ou acrílico para proteção.

São utilizados para captar a energia do sol e converte-las em energia elétrica, como

é mostrado no capítulo 5.1.

Baterias são elementos de armazenamento de energia elétrica, muito

importante num SF, pois permite que a energia acumulada durante o período em

que se tem luz solar possa ser usada quando essa fonte não estiver disponível,

como a noite, por exemplo. São dimensionadas de acordo com a capacidade do SF

construído. Mais detalhes sobre baterias, tipos, capacidade, são mostrados no

capítulo 5.2.


Inversores são nada mais que transformadores de energia. No SF

transformam a energia gerada em corrente contínua para corrente alternada, ou

seja, nos permite usar a energia coletada para alimentar aparelhos com tensões

127V ou 220V AC. Suas características serão discutidas na sessão 5.3.

Controladores de carga são utilizados para proteger o banco de baterias de

uma sobrecarga vinda do painel, ou de descarga total. Veja o capítulo 5.4 para mais

informações.

4.2 – Sistema Fotovoltaico Conectado

Sistema Fotovoltaico Conectado está ligado à rede pública por meio de um

relógio de força, assim você poderia vender energia produzida pelo seu SF e não

apenas comprar como todos fazemos todos os meses.

Figura 4.2-1: Exemplo de sistema fotovoltaico conectado

Porém, conectando seu SF à rede pública pode ser muito perigoso, pois além

da rede pública poder consumir toda a energia gerada pelo seu SF, conectando-as,

você insere energia “ineficiente” à rede pública. A energia que é distribuída pela

rede pública tem, normalmente, um fator de potência próximo de 1, ou seja, as

componentes de indução ou de resistência são muito baixas. Portanto, conectando


um SF ineficiente (fator de potência menor que 0,92) você estará adicionando

energia “ruim” à rede, trazendo danos a uma rede utilizada por toda uma região,

previamente corrigida e muito eficiente.

Por estes fatores, a conexão de um SF caseiro a uma rede pública é muito

difícil, quando não impossível, por questões legais. No Brasil esse procedimento é

muito imaturo e não tem suas regras muito bem definidas. Portanto não vamos

tratar de SF conectado neste documento.


5 – Componentes de um sistema Solar Fotovoltaico

A seguir mostraremos os vários componentes que fazem parte de um SF.

Alguns são mais comuns, pois são componentes básicos, utilizados em SF simples,

caseiros, de baixa complexidade. Outros serão mostrados apenas para

conhecimento, pois o que abordamos nesse manual, são SF básicos, para que cada

um possa construir sem auxilio de profissionais.

5.1 – Painéis Solares

Painéis solares são placas feitas com células solares, conectadas, dispostas

de forma plana, com uma cobertura, geralmente de vidro ou acrílico, para proteção,

a fim de facilitar a captação de energia solar por estas células.

Após serem soldadas, as células são encapsuladas com a finalidade de isolá-

las do exterior e protegê-las das intempéries, bem como para dar rigidez ao módulo.

O módulo, como mostra a Figura 5.1.1, é constituído das seguintes camadas: vidro

de alta transparência e temperado, acetato de etil vinila (EVA), células solares, EVA

e filme de fluoreto de polivinila (Tedlar) ou vidro. A seguir, é colocado o marco de

alumínio, para dar o acabamento e facilitar a instalação. A durabilidade destes

módulos é superior a 30 anos e atualmente está determinada pela degradação dos

materiais usados no encapsulamento, ou seja, a durabilidade das células solares de

silício cristalino é bastante superior.

Figura 5.1-1: Painel Solar Fotovoltaíco (camadas)


A conexão destas células nas placas varia de acordo com o tamanho da

mesma e a Voltagem requerida. Paralelamente conectadas geram uma soma de

corrente, serialmente conectadas geram soma de tensão. A maioria dos módulos

convencionais encontrados no mercado é constituída de 36 células solares de

silício. Conseqüentemente, a tensão de circuito aberto, isto é, a diferença de

potencial quando a corrente elétrica é nula, é da ordem de 20 V. A potência do

módulo, sob condições padrão, é variável desde 10 W a 150 W. Em conseqüência,

o tamanho do dispositivo varia entre 0,2 m2 a 1,5 m2.

Figura 5.1-2: Módulo Fotovoltaico de 100W, para alimentação de um poste público usando baterias de 12V.

Os módulos também podem ser associados em série e/ou paralelo para obter

mais potência, como na figura abaixo:

Figura 5.1-1: Painéis Fotovoltaicos da companhia elétrica de Sacramento (EUA).


5.2 – Bateria

O banco de baterias é um item importante na confecção de um Sistema

Fotovoltaico. Uma vez que os painéis não armazenam energia, se aquela energia

não utilizada não for armazenada, será inutilizada e desperdiçada. Por isso,

pensando em armazenar a energia e poder usá-la a medida do consumo, bancos de

baterias são dimensionados a fim de manter o sistema funcionando mesmo que não

haja energia, ou luz solar.

Há vários tipos de baterias para as mais diversas aplicações. No caso de um

SF são utilizadas baterias recarregáveis, também chamadas de acumuladores ou

baterias de armazenamento. Essas baterias permitem o SF ter uma vida útil maior.

Atualmente, as baterias de chumbo-ácido e níquel-cádmio são as mais

utilizadas. Para o caso de um SF as de chumbo-ácido respondem pela quase

totalidade dos sistemas já instalados. As abertas para sistemas de grande porte e

as seladas para pequeno porte.

As baterias abertas são aquelas que necessitam de verificação periódica do

nível do eletrólito. Seu eletrólito é líquido e livre (não confinado no separador) e, por

esta razão, devem trabalhar na posição vertical. Este tipo de bateria tem descargas

profundas, porém nunca deve ser totalmente descarregada, para isto utiliza-se

controladores de carga com possibilidade de interrupção de saída de corrente, que

impede a ocorrência de descargas abaixo de uma determinado valor. Outros

inconvenientes além da regular manutenção são: as névoas ácidas produzida pela

gaseificação e o tamanho.

As baterias fechadas, ou seladas, possuem o eletrólito confinado no

separador ou sob a forma de gel. Elas também são conhecidas como “sem

manutenção” porque não necessitam de adição de água. Estas são as principais

baterias utilizadas em Telecomunicações. Resistem a uma completa descarga mais

eficientemente do que os outros tipos de célula chumbo-ácido. Geralmente são mais

caras do que outras baterias sem manutenção, porém seu custo é compensado por

sua maior capacidade útil, associada à possibilidade de trabalhar com valores

maiores de profundidade de carga.


Figura 5.2-1: Exemplo de banco de baterias seladas para Telecomunicações

Para armazenarmos energia suficiente em um SF, precisamos agrupar várias

baterias para que este conjunto atinja a voltagem nominal do sistema, ou seja, como

temos SF gerando 12 ou 24V, e baterias normalmente de 2V cada, é preciso somá-

las de forma a obter um banco de baterias de 12 ou 24V.

Esse agrupamento ocorre conectando-se as baterias em série, paralelo ou

ainda conexão mista, série e paralelo juntos. Conectando-as em série temos uma

soma de tensão mantendo-se a corrente. Conectando-as em paralelo temos soma

de corrente mantendo-se a tensão. Conectando-as em série e paralelo

adequadamente pode-se obter somas de corrente e tensão, chegando a

configuração adequada para seu SF.

A figura 5.2-1 mostra exemplos de conexões de baterias, assim como na

figura 5.2-1, em que se pode observar uma imagem de um banco de baterias

conectado em série e paralelo para se obter dois bancos de 48V cada.

Figura 5.2-2: Exemplo de ligações de Baterias

a) Ligação em série b)Ligação em paralelo c)Ligação mixta.


5.3 – Inversor

Inversores são equipamentos utilizados para transformação de energia

elétrica com tensão/corrente contínua para tensão/corrente alternada. Ou seja, esse

equipamento nos permite utilizar cargas alternadas a partir de fontes contínuas.

Há basicamente 4 classes de inversores, dividas em capacidade de potência

(Watts).

A Primeira é para cargas entre 50W e 300W. São inversores portáteis,

encontrados em lojas de equipamentos eletrônicos, pesca, construção, etc. São

ideais para laptops, aparelhos eletrônicos portáteis, pequenas lâmpadas e outros

equipamentos de pequeno consumo.

A segunda classe é para cargas entre 300W e 800W. Também são portáteis,

porém um pouco mais robustos e pesados. Aplicam-se a iluminação além de

aparelhos eletrônicos.

A terceira classe já faz parte de inversores industriais, utilizados em grandes

sistemas, para uma grande rede elétrica.

Figura 5.3-1: Inversores vendidos comercialmente de 150W, 300W e 2000W respectivamente

5.4 – Controlador de carga

Em todo sistema de energia é necessário um controle, ou para não haver

desperdício, ou para não haver excesso. No caso do SF o controlador de carga é

utilizado para proteger o banco de baterias de uma sobrecarga vinda do painel, ou

de descarga total. Assim é necessário saber exatamente a carga projetada e

principalmente o banco de baterias utilizado, para que o controlador possa ser

ajustado de modo a bloquear a energia gerada pelos painéis para que esta não


danifique o banco de baterias por uma sobrecarga, e impedir o descarregamento

completo. Esse controle da carga das baterias aumenta consideravelmente a sua

vida útil

Controladores de carga, também conhecidos como Reguladores de Carga,

Regulador de Tensão, ou Gerenciador de Carga, também são nomes comuns dados

a estes dispositivos.

Figura 5.4-1: Modelos de inversores disponíveis no mercado


6 – Construção de um sistema solar Fotovoltaico

Para projetar um sistema Solar Fotovoltaico (SF) é preciso definir,

primeiramente, quanto de energia este sistema deve gerar. Por exemplo, você pode

montar um sistema solar para alimentar um carro elétrico, com tomada de 12 Volts,

ou um motor elétrico de 48 Volts; ou então uma garagem com tomadas 110 Volts,

uma bateria de 12 Volts e lâmpadas também de 110 Volts.

Na verdade, precisamos definir quantos Watts de energia vamos precisar,

mas pra isso é essencial sabermos os aparelhos que alimentaremos e a tensão

destes.

Após definido a tensão e potência que precisamos no sistema, vamos

escolher as células e a quantidade delas que precisamos. Assim, com as células

agrupadas e arranjadas paralelamente ou em série, teremos nosso painel solar!

Dependendo do tipo de tensão pretendida e da autonomia do sistema,

deveremos então escolher o banco de baterias e um inversor para transformar a

corrente contínua gerada pelo sistema em corrente alternada 110 ou 220 Volts.

Aqui vamos mostrar um exemplo de calculo de sistemas, utilizado para

sistemas de corrente alternada, com lâmpadas e aparelhos eletrônicos.

O projeto é considerado como sistema fotovoltaico isolado, ou seja, não

conectado à rede elétrica.

6.1 – Cálculo de um sistema Fotovoltaico para correntes alternadas.

Nesse exemplo, consideramos um SF isolado para uma garagem, onde

temos 2 lâmpadas 40W 110V e uma TV com 110V 200W. Como será um sistema

de corrente Alternada CA, precisaremos de um inversor (a ser definido).

6.1.1 – 1º Passo: Cálculo da Potência total do sistema

Neste momento devemos anotar tudo que queremos para o nosso SF, bem

como horas a ser utilizados, potência de cada equipamento, etc.:


Quantidade Equipamento Consumo (W) Horas uso por dia ConsumoDiário(W)Unitário Total

2 Lâmpada Fluorescente 40 80 4 3201 TV 200 200 4 800

Total 280 1120

De acordo com a planilha, nosso painel deverá gerar energia suficiente para

abastecer 280W/h ou 1120W/dia.

Lembrando que a energia não utilizada será armazenada no banco de

baterias (passo 4), assim, quanto maior o banco de baterias, mais energia

disponível terá em seu sistema.

Para utilizações esporádicas, como fins de semana, festas, pode ser feita

uma média mensal e dividir esse valor por 30, lembrando que neste caso o banco

de baterias deve ser dimensionado de forma a reservar a energia por mais tempo.

6.1.2 – 2º Passo: Definição do Painel Solar

Como o painel solar receberá energia durante o tempo que recebe luz solar,

deveremos dividir a quantidade de potência desejada em um dia, pelas horas de sol

que este painel receberá.

Desconsiderando a latitude e o nível de nebulosidade do local, que podem

ser desprezados para sistemas caseiros, no Brasil a média de luz solar é de 3,5 a 4

horas/dia no sul, enquanto no nordeste de 4 a 5, portanto durante essas 5 horas,

nosso painel deverá armazenar toda a energia que nosso sistema precisa:

Potência do Painel (Wpico) = ____Consumo total (W/dia)___

Horas de sol (h/dia) x Fps

Fator de perdas e segurança (Fps) é normalmente usado para levar em conta

a redução de geração do módulo devido à tolerância na fabricação, temperatura,

poeira, degradação, sombras e também as perdas elétricas na bateria, controlador

de carga, inversor e na instalação. Normalmente usado 0,8.

Potência do Painel (Wpico) = __1120 ___ = 280 Wpico

5 x 0,8


Neste momento devemos procurar pelos painéis solares disponíveis no

mercado, ou por células solares a fim de confeccionar nosso próprio painel.

A primeira escolha é a tensão de saída. A mais comumente usada é de 12V,

pois é um múltiplo dos diversos tipos de painéis como 24V, 48V, etc. Sendo que

para termos um painel com 24V, por exemplo, basta conectarmos 2 painéis de 12V

em série, afim de que a tensão de saída dos dois painéis se somem.

Vamos definir nossos painéis como 12V.

Lembrando que: Potência (W) = Tensão (V) x Corrente (A);

Corrente (A) = 280 ÷ 12 = 23,33 Ampéres.

Desse resultado observamos que podemos escolher um painel solar de 12V

que forneça uma potência de 280 Watts ou corrente de 23,33 Ampéres.

No caso de construção de um painel solar, como no nosso ebook ComoConstruir seu Painel Solar, mostramos que deve ser considerado inicialmente uma

tensão de 18V, para que no fim da construção, com as perdas, seja atingido os 12V

desejados.

Muitos catálogos de painéis solares são organizados por corrente fornecida

pelo conjunto, outros pela potência, de qualquer forma, podemos escolher o que nos

adéqua.

Figura 6.1.2-1: Catálogo de Painéis Solares SunLab Power


Se encontrarmos painéis solares de 12V que não tenha a potência

necessária, podemos colocar 2 painéis em paralelo, dessa maneira, teremos um

painel de 12V com o dobro da potência.

6.1.3 – 3º Passo: Definição do Banco de Baterias

Para o banco de baterias, primeiro devemos nos lembrar de que tipo de

bateria é melhor para este tipo de aplicação. Neste caso de um sistema caseiro,

optaremos por baterias seladas de ciclo profundo.

Voltando aos requisitos do nosso sistema, precisaremos de energia suficiente

para abastecer os aparelhos por no mínimo 4 horas (definidos no início), levando

em conta a confiabilidade e autonomia requerida do sistema.

Capacidade Bateira (Ah) = _Consumo total (W/dia) x Autonomia (dias)_

Tensão Banco baterias (V)

Precisamos definir aqui, qual a autonomia do nosso sistema, ou seja,

precisamos definir, quantos dias queremos os aparelhos funcionando, mesmo que

não haja geração pelo SF. Lembrando que quanto maior a autonomia, maior a

capacidade do bando de baterias e maior o investimento. Aqui vamos definir como

2, pois estamos em um sistema caseiro, portanto barato e para utilização de

aparelhos de diversão, não prioritários.

Capacidade Bateira (Ah) = _1120 x 2_ = 186,66 (Ah)12

Agora temos que buscar em catálogos, baterias com as características que

precisamos.

Há baterias com capacidade de 2V que necessitaremos conectá-las em

série/paralelo para formar a tensão de saída, e baterias com capacidade de 12V

prontas para aplicação em sistemas solares. Basta saber quais suas correntes de

saída, normalmente expressas em Ah (Ampére hora), e tensão nominal.

No nosso caso, necessitamos de Baterias com capacidade nominal de 12V e

corrente suficiente para suprir nossa necessidade de 186 Ampéres.


Vejamos o que encontramos no mercado:

Figura 6.1.3-1: Catálogo de baterias de eletrólito absorvido.

Figura 6.1.3-2: Catálogo de baterias de descarga profunda.

Como vemos acima, temos várias opções, como estamos em busca de uma

solução barata, especificamente para energia solar, sugiro a escolha de baterias

com ciclo profundo, como na figura 6.1.3-2. Se escolhermos o modelo 93503, de

40Ah, precisaremos de um banco de 5 baterias para suprir nossa necessidade com

folga. Mas é claro que há muitas outras e deve-se procurar bastante para encontrar


a que mais se encaixa no nosso projeto, tanto financeiramente quanto

tecnicamente.

6.1.4 – 4º Passo: Definição do Controlador de Carga

O controlador de carga irá controlar a energia que sai e chega das baterias e

isolar o painel solar da bateria. Devemos dimensionar o controlador para que ele

não permita que o banco de baterias se descarregue totalmente nem que forneça

energia a nenhum outro equipamento (inversor ou módulo) caso esteja totalmente

carregado, dessa forma, devemos calcular a máxima corrente que o sistema pode

requerer das baterias, assim teremos:

Corrente Controlador Banco Baterias (A) = Potência das cargas (Watts) x 1,1

Tensão Banco baterias (V)

Sendo o valor 1,1 uma folga de segurança, portanto,

Corrente Controlador Banco Baterias (A) = 280 x 1,1 = 25,66 (A)12

Portanto, o nosso controlador deve precisa ser de 25 ou 30A e 12V.

Em uma rápida busca encontramos:

Figura 6.1.4-1: Catálogo de Controladores de Carga.


6.1.5 – 5º Passo: Definição do Inversor

Neste ponto já temos todos os dados para dimensionar um SF sem inversor,

ou seja, para cargas somente com corrente contínua

Para cargas com corrente alternada, isto é: 110V, 220V, devemos utilizar um

inversor, pois painéis solares geram eletricidade em corrente contínua, 12V, 24V,

48V. Para definição do inversor a ser usado, devemos levar em conta os seguintes

fatores:

Tensão de entrada (Vdc);

Tensão de saída (Vac);

Freqüência (Hz);

Saída de AC máxima contínua (W).

No nosso projeto, utilizaremos painéis solares 12V (2º Passo), por isso

teremos:

Tensão de entrada (Vdc) = 12VTensão de saída (Vac) = 110VFreqüência (Hz) = 60HzSaída AC máxima contínua (Wh) = 280 + 10% = 308Wh

Levando em consideração uma pequena perca de energia no inversor, na

faixa de 10%.

Com esses dados, podemos procurar um inversor com a capacidade descrita

acima. Abaixo segue alguns exemplos de inversores no mercado:


Figura 6.2-1: Catálogo de inversores.

6.2 – Conclusão do Projeto

Concluindo nossos projetos, temos o seguinte cenário:

Potência Total: 1120W/dia;Painel Solar: 12V, 280Wp ou 24A (mínimo);

Banco de Baterias: 12V, 187Ah;Controlador de Carga: 12V, 25 ou 30A;

Inversor: 308W mínimo, 12V entrada, 110V saída, 60Hz;

Com todos os dados e especificações dos equipamentos encontrados, é hora

de ir à busca dos melhores ou mais baratos. O importante é saber que há maneiras

de construir um SF com baixo custo e sem a necessidade de empresas ou

profissionais altamente capacitados. Com um pouco de estudo e vontade de fazer

chegamos ao nosso objetivo.


7 – Montagem e Dicas Úteis

A montagem de um SF envolve algumas ferramentas, um pouco de

conhecimento de eletricidade e o máximo cuidado com segurança.

Há um documento anexo sobre segurança que pode ajudar com as

ferramentas corretas e/ou recomendadas para serem usadas nessa tarefa. Nesse

documento também abordamos as questões de segurança para a montagem desse

sistema.

Para começar a construção do painel, pensando de maneira lógica, a

primeira parte a ser feita é a caixa, ou a armação. Assim começamos a construção

cortando a madeira compensada ou o acrílico, dependendo da sua escolha, na

medida correta. A medida correta é conseguida através da montagem e soldagem

das células em série ou paralelo. Portanto, revisando o plano de construção,

devemos primeiro ter as células conectadas e soldadas para sabermos exatamente

as dimensões da caixa.

Por isso, o dimensionamento dos SF é muito importante. Com ele é possível

ter em mãos todos os detalhes da construção e armação das células, como

quantidade, conexões, potência de saída, bitola dos fios e cabos necessários, etc.

Nesse ponto, já temos a quantidade de células necessárias, ou pelo menos a

potência necessária do painel. Com isso, de acordo com as células compradas e

suas respectivas capacidades montamos as “fileiras” ou circuitos de células solares.

Para montar esse circuito colocamos todas as células com a frente para o

chão, de forma que as conexões traseiras fiquem disponíveis para manuseio. Nesta

parte traseira você verá alguns fitas, ou fios, que conectam uma célula a outra como

na figura a seguir.


Figura 7-1: Traseira de células solares com fitas para soldagem.

Algumas células, quando compradas, não vêm com estas fitas, por isso, é

aconselhável verificar antes da compra e se necessário, ter essas fitas em mãos

para soldá-las na parte traseira das células, antes de montar o circuito. Elas são

encontradas em qualquer casa de material elétrico e em várias espessuras.

Figura 7-2: Fitas de estanho para soldar


Essas fitas devem ser conectadas à parte da frente das células seguintes,

formando assim uma cadeia, com a próxima célula conectada á fita desta segunda

como mostramos no diagrama a seguir:

Figura 7-3: Esquema de conexão de células solares

A soldagem de uma célula a outra através de suas fitas deve ser feita usando

um ferro de solda comum, como aqueles que normalmente acompanham conjuntos

de caixas de ferramenta. Veja um exemplo:

Figura 7-4: Ferro de Solda comum, utilizado para eletrônica

No diagrama a seguir você pode ver como ficam as partes frontal e traseira

das células depois de conectadas:


Figura 7-5: Diagrama da parte frontal e traseira das células solares depois de conectadas.

Depois de conectar as células em filas, é hora de conectar todas as filas em

série. Para isso devem ser usadas fitas mais grossas na parte de baixo, conhecido

como barramento. Ele deve ser mais grosso pois por ele passará a energia de todas

as células em série, ou seja, com suas potências somadas, portanto esta fita deverá

suportar mais tensão que a fita utilizada para unir duas células.

Figura 7-6: Células solares conectadas em série (“fileiras”)


Depois de prontas, verificar se a tensão de saída é realmente a tensão

desejada, por exemplo, 12V. Use um multímetro entre os terminais positivo e

negativo para medir a tensão como o da figura 7-7.

Tome o cuidado de usar fios, ou cabos, de cores diferentes para positivo e

negativo, por exemplo, vermelho para positivo e preto para negativo. Assim, no

momento da leitura da tensão com o voltímetro, verifique se os terminais não estão

invertidos, simbolizados por um sinal de menos (-), ou negativo, no mostrador do

multímetro.

Figura 7-7: Multímetro Digital

Com as células conectadas e a tensão verificada, é hora de medir e construir

a “caixa”, ou, o painel em si, que comportará todas as células.

Comece cortando o acrílico e o compensado na medida exata para comportar

a fileira de células e um pouco a mais para abrigar os fios e as bordas.

O acrílico deve ser o mais transparente possível. Não utilize peças trincadas,

sujas, riscadas ou opacas, isso reduzirá drasticamente a eficiências das células.

No compensado, é recomendado aplicar uma ou mais camadas de protetor

UV para madeira, ou então uma tinta que contenha protetor UV. Esse passo é muito

importante, pois sem o protetor, o compensado pode se danificar em pouco tempo,

fazendo com que o painel solar fique vulnerável à umidade, sujeira e calor.


Figura 7-8: Protetor UV para madeira

Depois do acrílico e do compensado cortados e preparados, podemos colar

as células ao compensado. Para isso, utilize cola de silicone. Utilize o suficiente

para as células não se moverem, não é necessário colar toda a parte traseira das

células, poucas gotas já são suficientes. Prefira aquelas com aplicador (ou a pistola

mostrada no e-book ferramentas), fica muito mais fácil de aplicar.

Figura 7-9: Cola de silicone com aplicador

Para finalizar a confecção do painel só falta as bordas. Aconselhamos

construir essas bordas com alumínio, pois com ele, é possível vedar melhor o painel

e proteger os fios e cabos que passarão ao redor da placa.

É muito fácil de encontrar estruturas em U de alumínio, utilizadas em

construção e ferragem. Se não for possível encontrar essas estruturas, poderá

adpatar uma calha como borda. Aproveite o silicone para vedar toda a estrutura,


mas não deixe resíduos no acrílico, poderá diminuir a absorção de energia das

células.

Os fios e cabos deverão passar pela borda do painel, na parte interior. A

saída dos cabos deve ser feita na parte de trás do painel, onde não há incidência de

luz solar. O orifício por onde passará os cabos deve ser coberto e selado com

silicone.

Se instalado sobre um telhado, os fios devem entrar por baixo das telhas

para seguir para os outros equipamentos no interior da casa. Lembrando de vedar a

passagem do cabo para que a água da chuva não acompanhe os fios até o interior.

Com o painel pronto, é hora de conectar este, aos demais equipamentos do

SF. Há vários modelos de baterias, controladores de carga, inversores e demais

equipamentos do SF, por isso, cabe ao usuário ler atentamente os manuais para a

correta conexão dos mesmos.

Nós recomendamos manter os padrões, nos fios e cabos quanto a cores,

bitolas e terminais. Assim ficará mais fácil manejar todo o sistema na construção e

em possíveis manutenções. Fitas isolantes são sempre necessárias, porém, não

faça conexões utilizando essas fitas, elas devem ser utilizadas apenas para

pequenos reparos. Outra recomendação do site é utilizar plugues e conectores de

fácil manuseio e que proporcionam uma maior segurança, como mostrados nas

figuras abaixo:

Figura 7-10: Conectores tipo Barra


Figura 7-11: Plugs e tomadas industriais

Figura 7-12: Conectores torção

Figura 7-13: Tomadas ou plugues tipo fêmea


Figura 7-14: Tomadas ou plugues tipo macho

No Apêndice A, listamos algumas empresas que trabalham com Energias

Alternativas, venda de equipamentos para construção de sistemas alternativos de

energia e outras que ensinam mais sobre estes produtos.

No Apêndice B, colocamos uma tabela com a bitola dos fios e cabos

necessários para a construção de Sistemas Fotovoltaicos.

Nossa intenção com este e-book, não é detalhar todas as possibilidades para

construção de sistemas fotovoltaicos, mas sim, mostrar que é possível a confecção

deste e muitos outros sistemas alternativos de energia sem muita complicação. Ou

seja, mostrar que com um pouco de vontade conseguimos construir soluções pro

futuro.

Busque no site www.energia-solar-caseira.com mais soluções para energia

alternativa, e-books, apostilas, cursos e muito mais.


Apendice A – Empresas para Sistemas Fotovoltaicos

www.patriplan.com

www.sunlab.com.br

www.chatron.pt

www.planetasolar.com.br


Apendice B – Tabela de Espessura de Fios e Cabos

Dimensões de fios elétricos para construção de Sistemas Fotovoltaicos de 12V

TABELA DE ESPESSURA DE FIO PARA SISTEMA SOLAR A 12 VBitolamm2 1,5 2,5 4 6 10 16 25 35 50 70 95

Ampères Distância em metros1 32 51 81 130 205 325 517 652 822 1308 16502 16 26 40 64 102 163 259 326 411 654 8254 8 13 20 33 51 81 129 163 205 327 4126 5 8 14 22 34 54 86 109 137 218 2758 4 6 10 16 26 41 65 82 103 164 20610 3 5 8 13 20 33 52 65 82 131 16515 2 3 5 8 14 22 34 43 55 87 11020 - 2 4 6 10 16 26 33 41 65 8325 - - 3 5 8 13 21 26 33 52 6630 - - 2 4 7 11 17 22 27 44 5535 - - - 3 6 9 15 19 23 37 4740 - - - - 5 8 13 16 20 33 4145 - - - - 4 7 11 14 18 29 3750 - - - - 3 6 10 13 17 26 33

Obs. Para Sistemas Fotovoltaicos de 24 V, multiplicar a distância por 2.

Utilize sempre fiação de qualidade comprovada, dentro das normas da ABNT

e com aprovação do Inmetro.

introducao a energia_solar a

Engineering