livro edificios solares fotovoltaicos

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  • FOTOVOLTAICOSEDIF CIOS SOLARESI

  • Ricardo Rther

    O Potencial da Gerao Solar FotovoltaicaIntegrada a Edificaes Urbanas e Interligada

    Rede Eltrica Pblica no Brasil

    Florianpolis2004

    FOTOVOLTAICOSEDIF CIOS SOLARESI

  • Copyright 2004 UFSC / LABSOLAR

    Todos os direitos reservados pelaEditora UFSC / LABSOLAR, 2004

    1 edio - 2004

    proibida a reproduo total ou parcial porquaisquer meios sem autorizao por escrito da

    editora.

    Capa e Projeto GrficoAmanda MaykotAmanda MaykotAmanda MaykotAmanda MaykotAmanda Maykot

    RevisoAlexandre de Albuquerque MontenegroAlexandre de Albuquerque MontenegroAlexandre de Albuquerque MontenegroAlexandre de Albuquerque MontenegroAlexandre de Albuquerque Montenegro

    Impresso no Brasil

    Editora UFSC / LABSOLAREditora UFSC / LABSOLAREditora UFSC / LABSOLAREditora UFSC / LABSOLAREditora UFSC / LABSOLARLaboratrio de Energia Solar

    Universidade Federal de Santa CatarinaDepto. de Engenharia Mecnica

    Bloco A - 3 andarCampus universitrio Trindade

    88040-900 Florianpolis - SC - BrasilTel: (48) 331-9379

    http://[email protected]

    R974e Rther, Ricardo Edifcios solares fotovoltaicos : o potencial da gerao solar fotovoltaica integrada a edificaes urbanas e interligada rede eltrica pblica no Brasil / Ricardo Rther. Florianpolis : LABSOLAR, 2004. 114 p. : il.

    Inclui bibliografia ISBN 85-87583-04-2

    1. Converso fotovoltaica de energia. 2. Energia eltrica Edifcios. 3. Energia solar. 4. Recursos energticos Brasil. 5. Energia renovvel. 6. Gerao descentralizada. I.Ttulo.

    CDU:621.47

    Catalogao na publicao por: Onlia Silva Guimares CRB-14/071

  • Prefcio

    1. Introduo

    2. Sistemas solares fotovoltaicos no entorno construdo

    3. Componentes de um sistema solar fotovoltaico integradoa uma edificao urbana e interligado rede eltrica

    4. Legislao em vigor e normas ABNT

    5. Mdulo solar fotovoltaico5.1. Tecnologias fotovoltaicas comercialmente disponveis5.1.1. Silcio cristalino (c-Si)5.1.2. Silcio amorfo hidrogenado (a-Si)5.1.3. Telureto de cdmio (CdTe)5.1.4. Disseleneto de cobre (glio) e ndio (CIS e CIGS)

    6. Rendimento do gerador fotovoltaico

    7. Sistema inversor ou conversor CC CA7.1. Eficincia7.2. Segurana (fenmeno islanding)7.3. Qualidade da energia gerada7.4. Compatibilidade com o arranjo fotovoltaico7.5. Outras caractersticas

    8. Aterramento

    ndice

    . ndice .

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  • Edifcios Solares Fotovoltaicos

    . ndice .

    9. Segurana das instalaes

    10. Conexo eltrica dos mdulos solares fotovoltaicos

    11. Conexo eltrica do gerador fotovoltaico redeconvencional

    11.1. Medidores de energia11.2. Instalao eltrica

    12. Custos

    13. Vantagens para o sistema eltrico13.1. Fator Efetivo de Capacidade de Carga (FECC) desistemas solares fotovoltaicos

    14. Edifcios solares fotovoltaicos no Brasil

    15. Exemplos de outros edifcios solares fotovoltaicos15.1. Instalaes residenciais15.2. Instalaes comerciais15.3. Instalaes industriais

    16. Atlas Solarimtrico do Brasil e Atlas Fotovoltaico do Brasil

    17. Potencial da energia solar fotovoltaica no Brasil

    18. Concluses

    Agradecimentos

    Referncias bibliogrficas

    Anexo I: Resoluo ANEEL 112, de 18 de maio de 1999Anexo II: Mapas sazonais do Atlas Solarimtrico do BrasilAnexo III: Sites da Internet com informaes adicionais relativas aos Edificios Solares Fotovoltaicos e outras Fontes Renovveis de Energias

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  • Prefcio

    Atravs do efeito fotovoltaico, clulas solares convertemdiretamente a energia do sol em energia eltrica de forma esttica,silenciosa, no-poluente e renovvel. Este livro descreve uma dasmais recentes e promissoras aplicaes da tecnologia fotovoltaica:a integrao de painis solares ao entorno construdo, de formadescentralizada e com interligao da instalao geradora redeeltrica.

    Uma caracterstica fundamental de sistemasfotovoltaicos instalados no meio urbano principalmente apossibilidade de interligao rede eltrica pblica, dispensandoassim os bancos de baterias necessrios em sistemas do tipoautnomo e os elevados custos e manuteno decorrentes.

    Na configurao mais comum, estes sistemas soinstalados de tal maneira que, quando o gerador solar fornece maisenergia do que a necessria para o atendimento da instalaoconsumidora, o excesso injetado na rede eltrica: a instalaoconsumidora acumula um crdito energtico (o relgio contador tpico bidirecional e neste caso anda para trs). Por outro lado, quando osistema solar gera menos energia do que a demandada pela instalaoconsumidora, o dficit suprido pela rede eltrica. Perdas portransmisso e distribuio, comuns ao sistema tradicional de geraocentralizada, so assim minimizados. Outra vantagem destessistemas o fato de representarem usinas descentralizadas que noocupam rea extra, pois esto integradas ao envelope da edificao.

    O livro descreve os tipos de mdulos fotovoltaicoscomercialmente disponveis, os circuitos eltricos e os dispositivosde medio e proteo envolvidos em tais instalaes, alm deapresentar exemplos de sistemas deste tipo no Brasil e no mundo.

    . Prefcio .

    Ricardo Rther07

  • . Introduo .

    Edifcios Solares Fotovoltaicos08

    Diariamente incide sobre a superfcie da terra mais energiavinda do sol do que a demanda total de todos os habitantes de nossoplaneta em todo um ano1. Dentre as diversas aplicaes da energiasolar, a gerao direta de eletricidade atravs do efeito fotovoltaico2

    se apresenta como uma das mais elegantes formas de gerar potnciaeltrica.

    Desde o surgimento das primeiras clulas solaresfotovoltaicas, de elevado custo e utilizadas na gerao de energiaeltrica para os satlites que orbitam nosso planeta, as tecnologiasde produo evoluram a tal ponto que se tornou economicamentevivel em muitos casos a sua utilizao em aplicaes terrestres, nofornecimento de energia eltrica a locais at onde a rede eltrica pblicano foi estendida. Tais sistemas, ditos remotos ou autnomos (figura1a), necessitam quase sempre de um meio de acumulao da energia

    1.Introduo

    1 O Sol pode ser considerado como um reator a fuso nuclear operando a cerca de 100.000.000oC,a uma distncia mdia da terra de cerca de 150.000.000km.A constante solarA constante solarA constante solarA constante solarA constante solar: No topo da atmosfera a radiao solar reduzida a 1353W/m2; esta constante chamada constante solar (Gextraterrestre ou GAM0). Ao atravessar a atmosfera, a radiao solar sofreatenuao por absoro por O3 (UV), H2O (IR) e CO2 (IR) e espalhamento pelo Ar, vapor dgua epoeira. Assim, a intensidade de radiao que chega superfcie da terra ao meio-dia da ordem de1000W/m2, tambm denominada 1 SOL.O fluxo solar e a demanda energtica da terraO fluxo solar e a demanda energtica da terraO fluxo solar e a demanda energtica da terraO fluxo solar e a demanda energtica da terraO fluxo solar e a demanda energtica da terra: O fluxo solar, energia radiante ou potncia instantneatotal que incide sobre a terra da ordem de 1,75 x 1017 W (raio da terra = 6,4 x 106m; rea da seoreta da terra = 1,3 x 1014m2; GAM0 = 1,353W/m

    2). Por outro lado, a demanda energtica mundial daordem de 3,4 x 106Wh/ano. Assim, podemos calcular o tempo necessrio para que incida sobre a terrauma quantidade de energia solar equivalente demanda energtica mundial anual: t = (3,4 x 1016 x60) / 1,75 x 1017 = ~~~~~ 12 minutos !!!!12 minutos !!!!12 minutos !!!!12 minutos !!!!12 minutos !!!!

    2 Quando os ftons contidos na energia do sol incidem sobre um material semicondutor (e.g. silcio)com determinadas caractersticas eltricas (juno eltrica p-n ou p-i-n), a energia de uma fraodestes ftons pode excitar eltrons no semicondutor, que por sua vez podero dar origem a umacorrente eltrica. Para um maior detalhamento sobre os fundamentos do efeito fotovoltaico, ver porexemplo, Hovell, 1975; Neville, 1978; Green, 1982.

  • . Introduo .

    Ricardo Rther09

    gerada, normalmente um banco de baterias, para suprir a demandaem perodos quando a gerao solar insuficiente ou noite. Maisrecentemente, sistemas solares fotovoltaicos vm sendo utilizadosde forma interligada rede eltrica pblica, como usinas geradorasem paralelo s grandes centrais geradoras eltricas convencionais.Desta forma fica dispensado o sistema acumulador (baterias), seuelevado custo e manuteno envolvidos, j que a bateria dainstalao solar fotovoltaica interligada rede eltrica a prpriarede eltrica, como ser visto em maior detalhe a seguir.

    Instalaes solares fotovoltaicas interligadas redeeltrica pblica podem apresentar duas configuraes distintas:podem ser instaladas (i) de forma integrada a uma edificao (e.g. notelhado ou fachada de um prdio, como mostra a figura 1b, e portantojunto ao ponto de consumo); ou (ii) de forma centralizada como emuma usina central geradora convencional, neste caso normalmente acerta distncia do ponto de consumo como mostra a figura 1c. Nesteltimo caso existe, como na gerao centralizada convencional, anecessidade dos complexos sistemas de transmisso e distribuio(T&D) tradicionais e dos custos envolvidos. Este livro se concentranos aspectos tcnicos do primeiro tipo de configurao (figura 1b).Entre as vantagens deste tipo de instalao se pode destacar: (i) norequer rea extra e pode portanto ser utilizada no meio urbano, prximoao ponto de consumo, o que leva a (ii) eliminar perdas por T&D daenergia eltrica como ocorre com usinas geradoras centralizadas, almde (iii) no requerer instalaes de infra-estrutura adicionais; os painisfotovoltaicos podem ser tambm (iv) considerados como um materialde revestimento arquitetnico (reduo de custos), dando edificaouma (v) aparncia esttica inovadora e high tech alm de trazer uma(vi) imagem ecolgica associada ao projeto, j que produz energialimpa e de fonte virtualmente inesgotvel.

    Desde o incio de sua comercializao, a energia eltricatem sido fornecida aos consumidores residenciais, comerciais eindustriais atravs de usinas geradoras centralizadas e complexossistemas de T&D. Vrios estudos indicam que at 2010, de 25 a 30%dos novos sistemas de gerao sero distribudos, ou seja, seroconectados diretamente ao sistema de distribuio secundrio [Contiet al. 2003]. Todas as usinas geradoras convencionais tm problemasinerentes, tais como poluio (e.g. usinas termeltricas a leo oucarvo), dependncia de fornecimento de combustvel (e.g. leo,carvo, urnio) ou oposio do pblico quanto sua construo eoperao (e.g. usinas nucleares, trmicas a carvo e tambm

  • . Introduo .

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    hidreltricas). Alm disto, usinas geradoras centralizadas deixam umgrande nmero de consumidores vulnerveis a blackouts eltricos. Aenergia solar fotovoltaica distribuda elimina vrios destes problemas.Sistemas fotovoltaicos integrados a edificaes urbanas e interligados rede eltrica pblica, como ilustrado pela figura 1b, so a mais recentetendncia nesta rea e se justificam porque tanto o recurso energticosolar como a demanda energtica em edificaes urbanas tm carterdistribudo. Neste livro so abordados estes aspectos e tambm ascaractersticas tcnicas peculiares de circuitos de instalaes eltricasdeste tipo.

    Figura 1: Figura 1: Figura 1: Figura 1: Figura 1: Exemplos desistemas solares

    fotovoltaicos do tipo (a)isolado ou autnomo, (b)

    descentralizado,integrado edificaourbana e interligado

    rede eltricaconvencional e (c)

    centralizado, interligado rede eltricaconvencional.

  • . Sistemas solares fotovoltaicos no entorno construdo .

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    2.Sistemas solaresfotovoltaicos no entornoconstrudo

    No Brasil, mais de 40% da energia eltrica consumida utilizada por edificaes residenciais, comerciais e pblicas; sendoo setor residencial responsvel por 23% do total do consumo nacionale os setores comercial e pblico responsveis por 11% e 8%respectivamente [Geller, 1994] [Lamberts et al., 1997]. Em capitaiscomo por exemplo o Rio de Janeiro, em edifcios comerciais epblicos, o ar condicionado responsvel por 50% do consumo deenergia eltrica no vero, chegando a 70% para edifcios envidraados[Lomardo, 1988][Toledo, 1995][Lamberts et al. 1997].

    Painis solares fotovoltaicos so projetados e fabricadospara serem utilizados em ambiente externo, sob sol, chuva e outrosagentes climticos, devendo operar satisfatoriamente nestascondies por perodos de 30 anos ou mais. Assim sendo, soapropriados integrao ao envoltrio de edificaes. Sistemassolares fotovoltaicos integrados ao envelope da construo podemter a dupla funo de gerar eletricidade e funcionar como elementoarquitetnico na cobertura de telhados, paredes, fachadas ou janelas.Para tanto a indstria fotovoltaica vem desenvolvendo uma srie deprodutos dirigidos aplicao ao entorno construdo, tendorecentemente lanado comercialmente mdulos fotovoltaicos de aoinoxidvel (sob a forma de um rolo flexvel, revestido por resinaplstica, com superfcie posterior autocolante) e de vidro sem moldura,que podem ser instalados diretamente como material de revestimentode fachadas ou telhados, e at mesmo telhas de vidro onde os painisfotovoltaicos esto diretamente integrados, como mostram as figuras2 a 4 a seguir. Algumas destas aplicaes so exemplificadas aolongo deste livro.

  • Edifcios Solares Fotovoltaicos12

    Figura 2:Figura 2:Figura 2:Figura 2:Figura 2: Painissolares

    semitransparentespodem ser integrados

    a janelas emedificaes urbanas,

    possibilitando aomesmo tempo a

    entrada de luz naturale gerando energia

    eltrica para oconsumo residencial,

    comercial ou industrial[Sanyo Solar

    Industries].

    . Sistemas solares fotovoltaicos no entorno construdo .

    Do ponto de vista da eficincia energtica, estes sistemaspodem ser considerados bastante ideais, visto que gerao e consumode energia tm coincidncia espacial, minimizando assim as perdaspor transmisso comuns aos sistemas geradores centrais tradicionais.Dependendo do perfil de consumo pode ocorrer tambm muitas vezesuma coincidncia temporal com a gerao solar, como no caso dademanda por ar-condicionados, em que a coincidncia perfeita (apotncia eltrica demandada por ar-condicionados mxima quandoa insolao mxima).

    Por serem conectados rede eltrica pblica, estasinstalaes dispensam os sistemas acumuladores de energia (bancosde baterias) normalmente utilizados em instalaes solares fotovoltaicasdo tipo isolada ou autnoma (figura 1a), reduzindo assimconsideravelmente o custo total da instalao (da ordem de 30% docusto total do sistema para sistemas com acumulao [Green, 2000])e dispensando a manuteno e reposio requeridas por um bancode baterias. Alm disto, por poderem contar com a rede eltrica pblicacomo back up quando a demanda excede a gerao, no h anecessidade de superdimensionamento do sistema para atendimentoda demanda energtica sob perodos prolongados de baixa incidnciasolar, como o caso em sistemas isolados ou autnomos, onde odimensionamento do sistema deve levar em considerao o pior casode oferta solar e a sazonalidade que ocorre na maioria das regies do

  • Ricardo Rther13

    . Sistemas solares fotovoltaicos no entorno construdo .

    globo, do que decorre que para alguns perodos do ano o sistemaautnomo freqentemente estar superdimensionado, o que elevaos custos da instalao.

    Do ponto de vista de instalaes eltricas e daconstruo civil, as tecnologias necessrias incorporao de painissolares fotovoltaicos a projetos de construo convencional j sobem estabelecidas (a utilizao de painis de vidro em fachadas ecoberturas uma prtica comum no setor da construo). A conexoeltrica dos painis rede e os dispositivos perifricos necessrios interconexo so comercialmente disponveis no mercado, queoferece todos estes perifricos para qualquer tipo de configuraoou porte de instalao.

    Painis solares fotovoltaicos so inerentemente maisversteis do que outros tipos de coletores solares para aquecimentode ar ou gua (fios e cabos eltricos so inerentemente mais simplesde instalar do que uma tubulao). Este fato, aliado ao potencialbaixo custo, possibilita o seu uso como um material de construocom a vantagem adicional de ser um gerador eltrico. Painis solaresde filmes finos fabricados sobre um substrato de vidro sobasicamente o mesmo produto que os painis de vidro revestidospor pelculas que so comumente utilizados na construo civil; existe

    Figura 3:Figura 3:Figura 3:Figura 3:Figura 3: Mdulossolares como os dafigura 2 podem serlaminados em painis devidro de grandesdimenses (4.2m2 nocaso desta figura), ondeos mesmos princpios decolocao/fixao/montagem para ospainis de vidrocomumente utilizadosem aplicaesarquitetnicas, inclusivefachadas verticais, soempregados. Os painisdesta figura tm umatransparncia de 12%em mdia, atuandocomo um filtro neutro,isto , sem alterar ascaractersticascromticas da luztransmitida[PhototronicsSolartechnik GmbH].

  • Edifcios Solares Fotovoltaicos14

    . Sistemas solares fotovoltaicos no entorno construdo .

    assim a expectativa a curto prazo de que se produzidos em grandeescala os custos venham a declinar de forma acentuada.

    Pelo conceito de sincronicidade [US-DOE, 1996], em quegerao e consumo ocorrem simultaneamente, a energia eltrica geradaem alguns perodos do dia tem um valor maior para a concessionriaeltrica do que em outros perodos em que a demanda no crtica. Omais bvio exemplo disto o caso da demanda de energia poraparelhos de ar-condicionado em perodos de elevada incidncia solar(e portando gerao de energia solar). Por esta razo, instalaessolares fotovoltaicas integradas a prdios comerciais de escritrios einterligadas rede eltrica pblica so um exemplo de aplicao idealdestes sistemas, onde picos de consumo e gerao so muitas vezescoincidentes, aliviando assim o sistema de distribuio daconcessionria eltrica. Isto acarreta no somente uma economia deenergia, mas tambm o aumento da vida til de transformadores eoutros componentes do sistema de distribuio. Contribui tambmpara a diminuio do risco de blackouts energticos como os ocorridosrecentemente em algumas capitais brasileiras e em diversas metrpolesimportantes de outros pases em funo da sobrecarga do sistema deT&D em perodos de calor intenso. Desta forma, ainda que no sistemaeltrico brasileiro o principal pico de consumo tenha incio por volta dopr do sol, vrios ramais das concessionrias eltricas tm picoscoincidentes com a mxima oferta solar, aumentando assim o valorda energia gerada nestes perodos.

    A modularidade de sistemas solares fotovoltaicos permiteque sejam instalados de forma distribuda para dar reforo rede empontos selecionados, estratgia que vem sendo utilizada com sucessoem muitos pases e que ser abordada na seo 13.1.

    Quanto aos tipos de montagem destes geradores, emcaso de telhado inclinado ou horizontal, o sistema pode ser montadosobre o telhado existente, ou o sistema pode ser integrado (mdulo/telha), no caso de uma construo nova ou substituio total dacobertura. No caso de uma fachada, o gerador fotovoltaico pode serutilizado como elemento de revestimento, ou como elemento desombreamento e os custos de instalao destes painis socomparveis aos custos de instalao de uma fachada de vidrocomum. As figuras 11, 18-20, 22-24, 26-33, 35-44 demonstram vriasdestas aplicaes.

  • Ricardo Rther15

    Figura 4: Figura 4: Figura 4: Figura 4: Figura 4: Mdulossolares fotovoltaicosfabricados diretamentesobre telhas de vidrocurvas, que substituemtelhas convencionaisnum sistema residencialdescentralizado queproduz energia eltricajunto ao ponto deconsumo e sem ocuparrea adicional [SanyoSolar Industries].

    . Sistemas solares fotovoltaicos no entorno construdo .

    Um material de revestimento deve cumprir exignciasfsicas e estruturais (de engenharia); deve apresentar versatilidadeem termos de tamanhos, formas e construo/montagem e, almdisso, deve ter uma boa aparncia esttica aliada a um alto padrode qualidade e durabilidade. Dentre os painis fotovoltaicoscomercialmente disponveis no mercado atualmente, existe umagrande variedade que atende a todos estes requisitos.

    Este livro demonstra sistemas solares fotovoltaicos comogeradores de potncia eltrica integrados ao ambiente urbano. Osbenefcios - tanto econmicos quanto ecolgicos - da aplicao daenergia solar fotovoltaica no entorno construdo no esto, no entanto,completamente estabelecidos. Existe a necessidade de demonstrarque a integrao de instalaes solares fotovoltaicas ao entornoconstrudo muito mais que simplesmente uma boa idia; ela podetambm trazer grandes benefcios ao usurio, ao sistema eltriconacional e sociedade.

  • Edifcios Solares Fotovoltaicos16

    . Componentes de um sistema solar fotovoltaico integrado a uma edificao urbana e interligado rede eltrica .

    3. Componentes de um

    sistema solar fotovoltaicointegrado a uma edificaourbana e interligado rede

    eltrica

    Uma instalao solar fotovoltaica integrada a umaedificao e conectada rede eltrica composta por vrios itens,incluindo painis solares, sistema de fixao ao envoltrio daconstruo, sistema conversor CC-CA (inversor), diodos de bypass ediodos de bloqueio, fusveis e disjuntores, cabos eltricos, terminais,protees contra sobretenses e descargas atmosfricas e caixas deconexo.

    Os mdulos solares apresentam normalmente tensesde circuito aberto em torno de 20V, apropriadas para a carga de bateriasde 12V em sistemas autnomos, visto que esta era tradicionalmente aaplicao mais comum. Com o crescente interesse por instalaesconectadas rede eltrica - onde as tenses de 110 ou 220V soutilizadas - a indstria vem lanando no mercado mdulos com tensesde circuito aberto mais elevadas (e.g. 95V). Em qualquer caso, paraatingir a potncia instalada de projeto, normalmente so utilizadascombinaes srie/paralelo de vrios mdulos, para que se obtenhamas tenses e correntes desejadas.

    Muitas vezes se torna necessrio proteger os caboscontra sobrecorrentes, o que se faz pela utilizao de fusveis. Quandovrios mdulos so conectados em srie em um string, e vrios stringsso conectados em paralelo para que a potncia de projeto sejaatingida, comum a utilizao de diodos de bloqueio para evitar acirculao de corrente reversa por um string.

    Diodos de bypass so normalmente utilizados em stringsonde a tenso de circuito aberto seja superior a 30V, com o objetivode isolar um string e evitar que atue como uma carga caso haja

  • Ricardo Rther17

    sombreamento parcial. Os cabos utilizados nestes sistemas sonormalmente resistentes radiao ultravioleta e tm duploisolamento. Eles devem suportar as temperaturas elevadas, muitasvezes at 50oC acima da temperatura ambiente, que so atingidasna regio posterior dos mdulos.

    O sistema inversor responsvel pela converso daenergia gerada pelos mdulos fotovoltaicos - que geram energiaeltrica em corrente contnua (CC) e em tenso normalmente distintada tenso de rede local - em corrente alternada (CA) e em tenso efreqncia de rede, com baixo teor de harmnicos e onda de formasenoidal.

    As protees contra sobretenses e descargasatmosfricas se destinam a isolar o sistema de transientes de tensoindesejveis. Apesar de os mdulos fotovoltaicos modernosapresentarem uma elevada tolerncia a picos de tenso (6kV),componentes eletrnicos como o sistema inversor, por exemplo,necessitam de proteo contra estes surtos de tenso. Estescomponentes de proteo esto normalmente instalados nas caixasde conexo.

    O sistema de fixao edificao, que compreende aestrutura onde sero montados os painis fotovoltaicos, deve suportartodas as cargas mecnicas e ventos, bem como as expanses/contraes trmicas, com vida til equivalente esperada para oarranjo fotovoltaico (~30 anos).

    Os painis fotovoltaicos e o sistema inversor seroanalisados em maior detalhe ao longo deste livro.

    . Componentes de um sistema solar fotovoltaico integrado a uma edificao urbana e interligado rede eltrica .

  • Edifcios Solares Fotovoltaicos18

    . Legislao em vigor e normas ABNT .

    4. Legislao em vigor e

    normas ABNT

    O sistema eltrico brasileiro se encaminha para acondio de mercado livre, com a introduo da figura do produtorindependente de energia e tambm do consumidor livre. A legislaoque rege a produo, transmisso e distribuio de energia eltrica noBrasil no previa ainda os sistemas solares fotovoltaicos integrados aedificaes urbanas e interligados rede eltrica convencional comoos descritos neste livro. O contexto tcnico-poltico em que taissistemas se inserem ainda tema em debate em todo o mundo emais recentemente inclusive no Brasil [IEE-USP, 1998; Oliveira e Zilles,2002].

    A Agncia Nacional de Energia Eltrica ANEEL, rgopblico responsvel por regular o mercado de energia eltrica, enquadratais sistemas no contexto da legislao energtica brasileira em funode algumas leis como segue: a lei 8.631/93 dispe sobre os nveistarifrios e a extino da remunerao garantida; a lei 8.987/95 dispesobre o regime de concesso e permisso de servio pblico; a lei9.074/95 estabelece normas para outorga e prorrogao de concessese permisses; o decreto 2.003/96 regulamenta a produo de energiaeltrica de Produtores Independentes de Energia (PIEs) e AutoProdutores (APs), e o decreto 2.655/98 regulamenta o MercadoAtacadista de Energia eltrica (MAE) e define regras de organizaodo Operador Nacional do Sistema eltrico (ONS). A resoluo 112/1999, de 18 de maio de 1999, reproduzida no Anexo I, estabelece osrequisitos necessrios obteno de registro ou autorizao para aimplantao, ampliao ou repotenciao de centrais geradoras defontes alternativas de energia, incluindo as centrais geradorasfotovoltaicas. Neste contexto as instalaes solares fotovoltaicasintegradas a edificaes urbanas e interligadas rede eltrica pblica

  • Ricardo Rther19

    . Legislao em vigor e normas ABNT .

    se caracterizam como APs, podendo tambm se caracterizar comoPIEs.

    Na rea de normatizao, a Associao Brasileira deNormas Tcnicas (ABNT), atravs da Comisso de Estudos CE-82.1(Sistemas de Converso Fotovoltaica de Energia Solar) do ComitBrasileiro de Eletricidade (COBEI) vem se empenhando no sentidode elaborar normas tcnicas referentes aos sistemas fotovoltaicosconectados rede eltrica. A CE-82.1 vem preparando normasreferentes a protees contra sobretenses em sistemas fotovoltaicos(projeto de norma ABNT 03:082.01-011) entre outras. Outro documentonormativo importante na instalao de sistemas solares fotovoltaicosintegrados a edificaes urbanas e interligados rede eltrica anorma ABNT NBR 5410, que normatiza as instalaes eltricas debaixa tenso e que foi recentemente revisada.

  • Edifcios Solares Fotovoltaicos20

    . Mdulo solar fotovoltaico .

    5.Mdulo solar fotovoltaico

    Em qualquer instalao solar fotovoltaica o mdulo solarfotovoltaico a clula bsica do sistema gerador. A quantidade demdulos conectados em srie ir determinar a tenso de operao dosistema em CC. A corrente do gerador solar definida pela conexoem paralelo de painis individuais ou de strings (conjunto de mdulosconectados em srie). A potncia instalada, normalmente especificadaem CC, dada pela soma da potncia nominal dos mdulos individuais.

    O mercado de mdulos fotovoltaicos, principalmente paraaplicaes como as descritas aqui, vem crescendo acentuadamentenos ltimos anos, com novas tecnologias oferecendo alternativasespecialmente desenvolvidas para a integrao ao entorno construdo.

    5.1.Tecnologias fotovoltaicas comercialmente disponveis

    Em termos de aplicaes terrestres, dentre os diversossemicondutores utilizados para a produo de clulas solaresfotovoltaicas, destacam-se por ordem decrescente de maturidade eutilizao o silcio cristalino (c-Si); o silcio amorfo hidrogenado (a-Si:Hou simplesmente a-Si); o telureto de cdmio (CdTe) e os compostosrelacionados ao disseleneto de cobre (glio) e ndio (CuInSe2 ou CIS eCu(InGa)Se2 ou CIGS). Neste ltimo grupo aparecem elementos queso ou altamente txicos (Cd, Se, Te), ou muito raros (Te, Se, Ga, In,Cd), ou ambos, o que inicialmente se mostrou um obstculoconsidervel ao uso mais intensivo destas tecnologias. Com relao toxicidade, convm mencionar que lmpadas fluorescentes (contmmercrio) e telas de computador (contm chumbo) so classificados

  • Ricardo Rther21

    . Mdulo solar fotovoltaico .

    da mesma maneira, devendo ser descartados de forma apropriada,o que tambm dever ocorrer com painis solares de CdTe, CIS eCIGS. O silcio, por outro lado, o segundo elemento mais abundantena superfcie de nosso planeta (mais de 25 % da crosta terrestre silcio [Hammond, 1992]) e 100 vezes menos txico que qualquerum dos outros elementos citados acima [Shah, 1992].

    O c-Si a tecnologia fotovoltaica mais tradicional e anica dentre as mencionadas acima que faz uso de lminas cristalinas(dimetro ~10cm tipicamente) relativamente espessas (espessura 300-400m), o que representa uma maior limitao em termos de reduode custos de produo. Todas as outras tecnologias esto baseadasem pelculas delgadas (filmes finos, com espessura da ordem de1m) de material ativo semicondutor e neste aspecto que reside ogrande potencial de reduo de custos que estas tecnologias detm.

    Filmes finos para aplicaes fotovoltaicas,principalmente no entorno construdo, esto sendo desenvolvidospara a gerao de potncia eltrica por apresentarem baixos custosde produo decorrentes das quantidades diminutas de materialenvolvido, das pequenas quantidades de energia envolvidas em suaproduo, do elevado grau de automao dos processos de produo(grande capacidade de produo) e seu baixo custo de capital [Rther& Livingstone, 1993].

    Devido ao fato de que a luz solar contm relativamentepouca energia (baixa densidade energtica, da ordem de 1000W/m2

    num meio-dia ensolarado) se comparada a outras fontes energticas,painis solares fotovoltaicos devem ter um baixo custo para quepossam produzir energia eltrica a preos competitivos.

    A eficincia do processo de fotossntese, no qual toda avida em nosso planeta est baseada, da ordem de 0.2% [Borgstrom,1973] em mdia. Em termos de eficincia de converso fotovoltaica,a tecnologia do c-Si , dentre as tecnologias utilizadas em aplicaesterrestres para gerar potncia eltrica, a que apresenta a maioreficincia (ao redor de 15%) de converso direta da energia do solem energia eltrica para mdulos disponveis no mercado. Astecnologias de filmes finos, sendo inerentemente menos eficientes etambm por estarem ainda na infncia de seu desenvolvimento, tmno momento um rendimento ao redor de 7 a 10% para mduloscomercialmente disponveis, o que significa que se necessita deaproximadamente o dobro da rea em mdulos solares de filmes

  • Edifcios Solares Fotovoltaicos22

    finos para obter a mesma potncia instalada com painis de c-Si.Apesar de os painis solares de filmes finos terem j hoje um preoinferior por Wp3 (ou seja $/potncia, ou $/energia) ao dos de c-Si, area ocupada para uma determinada potncia instalada deve serlevada em considerao na anlise econmica, quando da opo poruma ou outra tecnologia fotovoltaica. As principais caractersticas decada uma destas tecnologias ser abordada a seguir. As figuras 5 e 6mostram exemplos de mdulos fotovoltaicos de c-Si e a-Si.

    5.1.1.Silcio cristalino (c-Si)

    A mais tradicional das tecnologias fotovoltaicas e a queainda hoje apresenta maior escala de produo a nvel comercial (~80%em 2002 [Maycock, 2003]), o c-Si se consolidou no mercadofotovoltaico por sua extrema robustez e confiabilidade. O custo deproduo destes mdulos solares , no entanto, bastante elevado eas possibilidades de reduzi-los j foram praticamente esgotadas, razopela qual esta tecnologia desconsiderada por muitos analistas comosria competidora com formas convencionais de gerao de potnciaem larga escala. O c-Si segue sendo, no entanto, o lder dentre astecnologias fotovoltaicas para aplicaes terrestres em qualquerescala, principalmente porque nos principais mercados mundiais(Japo e Alemanha) a rea ocupada por um arranjo fotovoltaico umalimitao para as tecnologias fotovoltaicas que apresentam uma menor

    eficincia deconverso.

    N ocaso de clulasfotovoltaicas queutilizam silcio mo-nocristalino (m-Si), o monocristal crescido apartir de um ba-nho de silcio fun-

    Figura 5: Figura 5: Figura 5: Figura 5: Figura 5: Exemplos demdulos solares

    fotovoltaicos de c-Si devrias potnciascomercialmente

    disponveis [SiemensSolar Industries].

    . Mdulo solar fotovoltaico .

    3 A potncia nominal de uma clula ou mdulo solar fotovoltaico a potncia de pico (ou potnciamxima) obtida sob condies padro de teste (CPT). Da vem o fato de se incluir o sufixo pico (ou p) unidade de potncia utilizada. As unidades comumente usadas so: watt-pico (Wp) e quilowatt-pico(kWp). As CPT para clulas e mdulos fotovoltaicos so: (a) temperatura da juno da clula fotovoltaica= (25 2)C; (b) intensidade de radiao = 1000 W/m2 normal superfcie de ensaio, e (c) espectrosolar = AM1,5 (Projeto de Reviso 3:082.01-012/2000 da NBR10899/1988).

  • Ricardo Rther23

    dido de alta pureza (Si = 99,99% a 99,9999%) em reatores sobatmosfera controlada e com velocidades de crescimento do cristalextremamente lentas (da ordem de cm/hora). Levando-se em contaque as temperaturas envolvidas so da ordem de 1400oC, o consumode energia neste processo extremamente intenso e o chamadoenergy pay-back time (tempo necessrio para que o mdulo gereenergia equivalente utilizada em sua fabricao) superior a doisanos, dependendo dos nveis de radiao solar do local onde osmdulos forem instalados. Etapas complementares ao crescimentodo monocristal envolvem usinagem do tarugo; corte de lminas porfios ou serras diamantadas; lapidao, ataque qumico e polimentodestas lminas (processos estes todos em que ocorrem considerveisperdas de material, da ordem de 50% do tarugo original); processosde difuso/dopagem, deposio da mscara condutora daeletricidade gerada e finalmente a interconexo de clulas em sriepara a obteno do mdulo fotovoltaico, como mostra a figura 5.

    O silcio policristalino (p-Si) apresenta menor eficinciade converso, com a vantagem de um mais baixo custo de produo,j que a perfeio cristalina menor que no caso do m-Si e oprocessamento mais simples. O material de partida o mesmo quepara o m-Si, que fundido e posteriormente solidificadodirecionalmente, o que resulta em um bloco com grande quantidadede gros ou cristais, no contorno dos quais se concentram os defeitosque tornam este material menos eficiente do que o m-Si em termosde converso fotovoltaica. Os processamentos posteriores at seobter um mdulo fotovoltaico so semelhantes aos utilizados no casodo m-Si.

    Nos ltimos anos o p-Si tem crescido sua participaono mercado fotovoltaico mundial, em detrimento do m-Si, e atualmentemais de 50% da produo mundial utiliza o p-Si [Maycock, 2003]. Op-Si pode ser tambm produzido sob a forma de tiras ou fitas (ribbontechnology), a partir de um banho lquido de silcio e neste processofica dispensado o fatiamento em lminas, uma vez que as tiras de p-Si j so produzidas com a espessura final da clula.

    . Mdulo solar fotovoltaico .

  • Edifcios Solares Fotovoltaicos24

    . Mdulo solar fotovoltaico .

    Figura 6: Figura 6: Figura 6: Figura 6: Figura 6: Exemplos demdulos solares

    fotovoltaicos de a-Si emsubstrato de vidro e

    sem molduracomercialmente

    disponveis. Estesmdulos sodesenhados

    especificamente paraaplicaes integradasao entorno construdo

    (fachadas, telhados,etc.), onde sua

    instalao feita demaneira anloga

    instalao de um painelde vidro comum

    [PhototronicsSolartechnik GmbH].

    5.1.2.Silcio amorfo hidrogenado (a-Si)

    No incio dos anos 80 o a-Si era visto como a nicatecnologia fotovoltaica em filmes finos (pelculas delgadas)comercialmente vivel. Tendo sido pela primeira vez empregado emclulas solares em meados da dcada de 70, imediatamente despontoucomo tecnologia ideal para aplicao em calculadoras, relgios e outrosprodutos onde o consumo eltrico baixo. Por apresentarem umaresposta espectral mais voltada para a regio azul do espectroeletromagntico, tais clulas se mostraram extremamente eficientessob iluminao artificial (e.g. sob lmpadas fluorescentes e sobradiao difusa como a que predomina em dias com cus encobertos),com eficincia nestes casos superior do c-Si.

    Os processos de produo de a-Si ocorrem atemperaturas relativamente baixas (< 300C), em processos a plasma,o que possibilita que estes filmes finos sejam depositados sobresubstratos de baixo custo, como vidro (figura 6), ao inox (figura 7) ealguns plsticos (figura 8). Desta forma, foram desenvolvidos mdulossolares hoje disponveis no mercado que so flexveis, inquebrveis,leves, semitransparentes, com superfcies curvas (figura 4), que estoampliando o mercado fotovoltaico por sua maior versatilidade.

  • Ricardo Rther25

    . Mdulo solar fotovoltaico .

    Por sua aparncia esttica mais atraente, o a-Si temencontrado aplicaes arquitetnicas diversas, substituindo materiaisde cobertura de telhados e fachadas em instalaes integradas aoambiente construdo. como material de revestimento que o a-Sileva grande vantagem sobre o c-Si, pois o custo por m2 toma maiorimportncia do que o custo por Wp e neste aspecto j hoje o a-Sitem custo inferior metade do custo por m2 do c-Si.

    O energy pay-back time para o a-Si outro atrativo destatecnologia e consideravelmente menor que o do c-Si. Atualmenteest em torno de um ano e se deve principalmente energia utilizadana fabricao do substratode vidro ou ao inox. Apotncia necessria paradepositar a pelcula delgadade a-Si sobre um substrato bastante baixa e coinci-dentemente da mesmaordem de grandeza daenergia do sol, 1kW/m2.

    Ao contrrio detodas as outras tecnologiasfotovoltaicas, em que oaumento da temperaturaambiente provoca perdas naperformance dos mdulosfotovoltaicos, o a-Si noapresenta reduo napotncia com o aumento datemperatura de operao[Rther & Livingstone, 1993;Rther et al., 2003; Rther etal., 2004], uma vantagemnas aplicaes em pasesde climas quentes como oBrasil. Principalmente quan-do integrado ao envelope daedificao, onde os mdulosatingem temperaturas eleva-das pela falta de ventilaoem sua superfcie posterior,a performance do a-Si emtermos de energia gerada

    Figura 7: Figura 7: Figura 7: Figura 7: Figura 7: Exemplos demdulos solaresfotovoltaicos de a-Siflexveis em substrato deao inox, produzidos soba forma de rolos quepodem ser coladosdiretamente sobretelhados metlicos ou deconcreto e telhas do tiposhingles [United SolarOvonic LLC].

    Figura 8: Figura 8: Figura 8: Figura 8: Figura 8: Exemplos demdulos solaresfotovoltaicos de a-Siflexveis em substratoplstico [Sanyo SolarIndustries].

  • Edifcios Solares Fotovoltaicos26

    . Mdulo solar fotovoltaico .

    (kWh) por potncia instalada (kWp) tem se mostrado superior dasdemais tecnologias em operao no Brasil [Rther, 1999; Rther &Dacoregio, 2000; Rther et al., 2004].

    5.1.3.Telureto de cdmio (CdTe)

    O mais recente competidor do c-Si e a-Si no mercadofotovoltaico para gerao de potncia e nas aplicaes integradas aedificaes o CdTe, tambm na forma de filmes finos. Para aplicaesem calculadoras este material j vem sendo usado h mais de umadcada, mas, nas assim chamadas aplicaes outdoors, maisrecentemente que comeam a ser comercializados mdulos solaresde grandes reas. Estes mdulos, normalmente sob a forma de placasde vidro num tom marrom/azul escuro como mostra a figura 9, tambmapresentam um atrativo esttico em comparao ao c-Si. As empresasenvolvidas com esta tecnologia vm buscando as aplicaesarquitetnicas como nicho de mercado enquanto desenvolvem seuproduto, ampliam volumes de produo e reduzem custos.

    Assim como no caso do a-Si, os custos de produo doCdTe so atrativamente baixos para produo em grande escala eesta tecnologia tem timas chances de despontar como um sriocompetidor no mercado fotovoltaico para a gerao de potncia eltrica.

    A relativamente baixa abundncia dos elementosenvolvidos e suamaior toxicidade soaspectos que tm deser levados em conta,principalmente seesta tecnologia atingirquantidades maissignificativas de pro-duo (da ordem deGWp). A maior eficin-cia de converso daenergia solar em ener-gia eltrica em compa-rao ao a-Si um dosprincipais atrativosdesta tecnologia.

    Figura 9: Figura 9: Figura 9: Figura 9: Figura 9: Exemplo demdulos solares

    fotovoltaicos de CdTeem substrato de vidro

    para aplicaesarquitetnicas

    [National RenewableEnergy Laboratory].

  • Ricardo Rther27

    . Mdulo solar fotovoltaico .

    Figura 10:Figura 10:Figura 10:Figura 10:Figura 10: Exemplo demdulos solaresfotovoltaicos de CIGS emsubstrato de vidro paraaplicaesarquitetnicas [WrthSolar GmbH].

    5.1.4.Disseleneto de cobre (glio) e ndio (CIS e CIGS)

    Outro srio competidor no mercado fotovoltaico tambmem aplicaes integradas a edificaes a famlia dos compostosbaseados no disseleneto de cobre e ndio (CuInSe2, ou simplesmenteCIS), e disseleneto de cobre, glio e ndio (Cu(InGa)Se2, ousimplesmente CIGS), principalmente por seu potencial de atingireficincias relativamente elevadas.

    Painis solares de CIS e CIGS apresentam, como o a-Sie o CdTe, uma tima aparncia esttica e esto surgindo no mercadocom grandes superfcies, encontrando aplicaes arquitetnicasdiversas. Assim como no caso do CdTe, a pouca abundncia doselementos envolvidos e sua toxicidade so aspectos que devem serconsiderados se esta tecnologia atingir quantidades significativasde produo. A figura 10 mostra exemplos de mdulos fotovoltaicosde CIGS.

    Dentre os filmes finos comercialmente disponveis,mdulos de CIGS so os que apresentam o melhor rendimentofotovoltaico, razo pela qual vrias empresas vm investindo nestatecnologia.

  • Edifcios Solares Fotovoltaicos28

    . Rendimento do gerador fotovoltaico .

    6.Rendimento do geradorRendimento do geradorRendimento do geradorRendimento do geradorRendimento do gerador

    fotovoltaicofotovoltaicofotovoltaicofotovoltaicofotovoltaico

    Vrios parmetros podem afetar o rendimento do conjuntode mdulos solares fotovoltaicos, tambm denominado geradorfotovoltaico. O principal deles o parmetro radiao solar, quedepende fundamentalmente da localizao geogrfica da instalao,bem como de sua inclinao e orientao. A temperatura dos painis,o sombreamento parcial, o descasamento entre painis de um mesmostring (que leva a perdas de rendimento conhecidas como modulemismatch losses, que ser tratado adiante), as resistncias doscondutores e o estado de limpeza dos painis tambm influenciam aperformance do sistema gerador fotovoltaico.

    Os efeitos da inclinao e orientao dos painis norendimento do gerador dependem da razo entre a radiao direta edifusa locais, bem como da frao de albedo (reflexo dos arredores),que caracterstica do ambiente que circunda a instalao. Comoregra geral, a inclinao tima com relao horizontal para incidnciasolar mxima em regime anual dada pela latitude local. A orientaoideal a de uma superfcie voltada para o equador (norte geogrficopara instalaes no hemisfrio sul e sul geogrfico para instalaesno hemisfrio norte). Van der Borg & Wiggelinkhuizen [Van der Borg &Wiggelinkhuizen, 2001] realizaram uma extensa anlise dos efeitos daorientao de sistemas fotovoltaicos integrados a edificaes,quantificando as perdas energticas decorrentes de orientaes einclinaes no-timas. A inclinao e a orientao exata no so, noentanto, crticas, ao contrrio de uma percepo freqente de quemdulos solares somente podem ser instalados em estruturas voltadaspara o norte (sul no hemisfrio norte), de preferncia mveis para poderseguir o sol e que se assemelham mais a um satlite do que a umedifcio (figura 11)! Para uma grande variedade de orientaes possveis,pode-se atingir uma incidncia de mais de 95% da radiao mxima.

  • Ricardo Rther29

    . Rendimento do gerador fotovoltaico .

    Esta afirmao somente vlida para uma superfcie livre deobstrues. Em situaes onde ocorrerem obstculos fsicos, oupadres climticos dirios ou sazonais anmalos, estes parmetrosdevem obviamente ser levados em considerao. Alm disto,fachadas voltadas para o leste ou oeste podem ter performancesatisfatria mesmo quando instaladas em ngulos inclinados ou navertical, com rendimentos da ordem de 60% em relao a umaorientao tima, devido ao baixo ngulo do sol no incio e final dodia [Sick & Erge, 1996] [Rther & Kleiss, 1996].

    O sombreamento uma questo crtica. Um geradorfotovoltaico apresenta performance tima quando iluminadohomogeneamente. Dada a caracterstica construtiva da maioria dosmdulos fotovoltaicos, em que as clulas solares individuais soconectadas em srie, uma pequena sombra sobre uma destas clulas,como a sombra projetada por uma antena, chamin ou poste, podereduzir acentuadamente o rendimento de todo o sistema. Isto se deveao fato de que a clula sobre a qual incidir a menor quantidade deradiao que ir determinar a corrente (e portanto a potncia) deoperao de todo o conjunto a ela conectado em srie.

    Sob certas condies, uma clula solar parcialmentesombreada pode vir a atuar como uma carga, o que pode levar a umaquecimento excessivo da clula e possivelmente destruio domdulo. Este efeito,conhecido como hot spot,pode ser evitado pelainstalao de diodos debypass entre cada clulade um mdulo, o que poroutro lado leva a umaperda de rendimento.Mdulos solares defilmes finos, cujas clulasso normalmente tiraslongas e estreitas, somenos afetados por estefenmeno do que os maistradicionais mdulossolares de c-Si.

    Figura 11:Figura 11:Figura 11:Figura 11:Figura 11: Sistema solarfotovoltaico integrado auma edificaoresidencial projetadapara otimizar aincidncia solar sobre osmdulos. A edificaogira sobre um eixovertical e o conjunto demdulos tem inclinaovarivel [Photon 3-98].

  • Edifcios Solares Fotovoltaicos30

    . Sistema inversor ou conversor CC CA .

    7.Sistema inversor ou

    conversor CC CA

    Mdulos solares fotovoltaicos geram energia em correntecontnua. Assim sendo, se faz necessrio o uso de um equipamentoeletrnico conhecido como inversor, ou conversor CC-CA, para que seobtenha tenso em corrente alternada com as caractersticas(freqncia, contedo de harmnicos, forma de onda, etc.) necessriaspara satisfazer as condies impostas pela rede eltrica pblica epossibilitar assim a interconexo rede. Os inversores comumenteutilizados podem ser de dois tipos:

    (i) Comutados pela prpria rede eltrica, onde o sinalda rede utilizado para sincronizar o inversor com a rede, ou

    (ii) Auto-comutados, onde um circuito eletrnico noinversor controla e sincroniza o sinal do inversor ao sinal da rede.

    No incio da dcada de 90 os sistemas solaresfotovoltaicos interligados rede eltrica pblica utilizavam,independentemente de seu porte, inversores unitrios, quase sempredimensionados para atender potncia instalada total. Atualmenteexiste uma tendncia na utilizao de vrios inversores idnticos e demenor potncia conectados em paralelo.

    Recentemente foram lanados os assim chamadosmdulos CA, que utilizam microinversores individuais incorporados acada mdulo. As principais vantagens deste novo conceito de mdulosCA so o mais baixo custo de uma fiao em corrente alternada (etenso residencial/comercial) e uma ainda maior modularidade, vistoque se pode iniciar um sistema fotovoltaico interligado rede com ummdulo CA de 50W por exemplo, e que pode ser ligado diretamente a

  • Ricardo Rther31

    . Sistema inversor ou conversor CC CA .

    uma tomada comum em uma edificao residencial ou comercial. Nocaso de inversores de maior porte (inversor centralizado), apesar dea conexo de um nico mdulo de 50W ser tambm possvel, umamaior viabilidade econmica somente atingida para um sistemacom potncia instalada de vrias centenas de Watts. Mdulos CAapresentam a desvantagem de uma menor eficincia de conversodos microinversores (da ordem de

  • Edifcios Solares Fotovoltaicos32

    7.2.Segurana (fenmeno islanding)

    da mxima importncia que o sistema inversor sobhiptese alguma injete energia gerada pelos mdulos fotovoltaicos narede eltrica quando esta estiver desligada. Este fenmeno,denominado islanding, pode resultar na rede eltrica estar energizadamesmo quando desconectada do sistema de gerao central e oferecesrios riscos aos operadores da rede. Por esta razo so recomendadostransformadores de isolamento (trafo ou ncleo toroidal) no sistemainversor. Da mesma forma, necessrio prover proteo contrasobrecorrentes, surtos, sobre/subfreqncia, sobre/subtenso tantopela entrada CC como pela sada CA.

    7.3.Qualidade da energia gerada

    O contedo de harmnicos deve ser baixo para protegertanto as cargas (os consumidores) como o equipamento da rede eltrica.A forma da onda e o fator de potncia devem estar dentro dos nveisaceitveis pela concessionria eltrica. A injeo de corrente CC nopode ser admitida, pois iria saturar os transformadores daconcessionria. A forma da onda deve ser senoidal a 60Hz + ou 1%no Brasil; enquanto que o fator de potncia aceitvel deve estar nafaixa de 0.90 indutivo a 0.90 capacitivo [Sick & Erge, 1996; EnergieNed,1997; EnergieNed, 1998].

    7.4.Compatibilidade com o arranjo fotovoltaico

    A tenso mxima de operao do arranjo fotovoltaico(Vmpp) deve ser compatvel com a tenso (CC) nominal de entrada doinversor. A tenso mxima de circuito aberto do arranjo fotovoltaico(Voc), tambm deve estar dentro do limite mximo de tenso que oinversor pode tolerar (vide tabela I abaixo mostrando valores tpicospara estes parmetros). Seguidores do ponto de mxima potncia doarranjo fotovoltaico [Hovel, 1975; Neville, 1978; Green, 1982] socomumente utilizados em inversores conectados rede eltrica paracontrolar a tenso de operao do arranjo fotovoltaico. A tabela a seguirmostra as especificaes tpicas de um inversor monofsico depotncia nominal 650W (figura 21).

    . Sistema inversor ou conversor CC CA .

  • Ricardo Rther33

    _________________________________________________________________________Potncia nominal de operao 650WMxima potncia de entrada 800WccMxima eficincia 93%Limite inferior de injeo na rede 7WConsumo noite (stand by) 0WTenso de entrada 25 - 55VccTenso no ponto de mxima potncia 28 - 50VccCorrente de sada senoidal 60Hz+1HzTenso de sada 230Vca + 10%Temperatura ambiente -25 ... +60oCMxima umidade do ar 95%Emisso de rudo 35dBIsolamento eltricoTransformador com ncleo toroidalDimenses 240 X 300 X120mmPeso 10kg_________________________________________________________________________

    7.5.Outras caractersticas

    Todas as normas de instalaes eltricas relevantes instalao, manuteno e segurana do sistema devem serrespeitadas, bem como forma, tamanho, peso e caractersticas fsicas(acabamento, materiais utilizados, proteo contra o ambiente,terminais eltricos e instrumentao) devem ser apropriadas.

    . Sistema inversor ou conversor CC CA .

    TTTTTabela I: abela I: abela I: abela I: abela I: Dados tcnicosde um inversorcomutado pela rede ede onda senoidal, tpicopara aplicao emsistemas fotovoltaicosinterligados redeeltrica (figura 21)[Wrth Elektronik, 1997].

  • Edifcios Solares Fotovoltaicos34

    . Aterramento .

    8.Aterramento

    Em vista dos perodos prolongados pelos quais estarosujeitos a intempries, alguns elementos de um sistema solarfotovoltaico necessitam de aterramento individual para oferecer maiorsegurana. Devem ser aterrados tanto a estrutura de montagem dospainis (para evitar que atinja tenses elevadas no caso de falha noaterramento do sistema) como qualquer componente metlico desta,alm do circuito do arranjo fotovoltaico [IEA, 1993].

  • Ricardo Rther35

    . Segurana das instalaes .

    9.Segurana das instalaes

    Vrios aspectos relativos segurana de sistemassolares fotovoltaicos integrados a edificaes e interligados redeeltrica devem ser considerados, incluindo: preveno contraincndios, dimensionamento apropriado de fios e cabos, aterramentoe segurana com relao a agentes climticos locais, especialmentecargas por ventos. Em vrios pases, sistemas deste tipo devemincluir circuitos de proteo que detectam falhas no aterramento doarranjo fotovoltaico e desconectam o sistema [Wiles, 1991].

    Mdulos fotovoltaicos so fontes de corrente eapresentam diferenas em relao s fontes de energia maistradicionais como a rede eltrica, um motor gerador ou uma bateria.Alm do mais, geradores fotovoltaicos no podem ser desligados,pois enquanto um mdulo estiver iluminado haver uma tenso emseus terminais. Os indivduos envolvidos com a instalao destessistemas devem estar conscientes disto. Muitos sistemasfotovoltaicos so projetados com tenses de operao baixas (~50V)no lado CC. No caso de tenses em CC mais elevadas, o risco dechoque eltrico o mesmo que se verifica em qualquer instalaoconvencional operando sob tenso semelhante.

  • Edifcios Solares Fotovoltaicos36

    . Conexo eltrica dos mdulos solares fotovoltaicos .

    10.Conexo eltrica dos

    mdulos solaresfotovoltaicos

    Os mdulos solares fotovoltaicos comumenteencontrados no mercado se apresentam com tenses nominais desada relativamente baixas e que variam desde 12V at 100V. A tensode entrada do inversor no necessita estar nesta faixa, sendo queinversores que utilizam um ncleo toroidal (transformador) operam comtenses de entrada normalmente abaixo de 100V e inversores semtransformador operam em tenses de entrada mais elevadas. Assimsendo, o arranjo fotovoltaico muitas vezes apresenta uma combinaosrie x paralelo para atingir a tenso de entrada desejada para o inversor,do que decorrem algumas implicaes importantes.

    No caso de se utilizar um inversor com ncleo toroidal etenso de entrada baixa, compatvel com a tenso de sada dosmdulos solares individuais, todos os mdulos podem ser conectadosem paralelo ao inversor, com a vantagem de que a tenso do lado CCser baixa, oferecendo maior segurana na instalao, operao emanuteno do sistema. Outra vantagem da conexo em paralelo estna questo do sombreamento, pois a sombra causada por qualquerobstculo que incidir sobre a superfcie de um mdulo ir afetar somenteaquele mdulo neste tipo de configurao. A desvantagem deste tipode conexo que baixas tenses implicam grandes correntes e portantocabos de maior dimetro, ou maiores perdas eltricas. Por outro lado,inversores sem transformador e com maiores tenses de entradarequerem menores dimetros para a fiao, j que vrios mdulossero associados em srie (para atingir a tenso de entrada do inversor)e a corrente gerada ser baixa. Neste caso a questo do sombreamentodeve ser considerada com cuidado, j que o mdulo sob a menoriluminao que determina a corrente de operao de todos oscomponentes do arranjo numa conexo em srie, o que pode levar ao

  • Ricardo Rther37

    . Conexo eltrica dos mdulos solares fotovoltaicos .

    comprometimento de todo o arranjo caso um dos mdulos esteja(mesmo que parcialmente) sombreado. Outra desvantagem do arranjoem srie so perdas denominadas module mismatch losses, quederivam do fato de que as correntes de sada de mdulos de mesmotipo esto dentro de uma faixa de + ou 5% ou at 10%. O exemploda figura 13 a seguir ilustra as module mismatch losses.

    Figura 13:Figura 13:Figura 13:Figura 13:Figura 13: Exemploilustrativo das perdas(module mismatchlosses) causadas pelaconexo em srie demdulos solaresfotovoltaicos idnticos.

    EXEMPLO: Instalao com 6 mdulos de 100Wp cada, conectados ao mesmotipo de inversor, em PARALELO ou em SRIEP = 100 W (+ ou 5%) = 95 a 105 WpV = 32 V I = 2.96 a 3.28 A

    CONCLUSO: Utilizando os mesmos mdulos fotovoltaicos e sistema inversorcom mesma eficincia, a conexo em paralelo (597 W) possibilita neste exemploum rendimento 5% superior conexo em srie (568 W), devido s perdasdenominadas module mismatch losses (no homogeneidade entre a potnciamxima de mdulos individuais idnticos).

  • Sistemas de potncia nominal superior a 1 kWpassociados a inversores sem transformador normalmente utilizamcombinaes srie x paralelo, onde os assim denominados strings(conjuntos de n mdulos conectados em srie cujas tenses de sadase somam at atingir a tenso de entrada do inversor) so conectadosem paralelo ao sistema inversor.

    Edifcios Solares Fotovoltaicos38

    . Conexo eltrica dos mdulos solares fotovoltaicos .

  • Ricardo Rther39

    . Conexo eltrica do gerador fotovoltaico rede convencional .

    11.Conexo eltrica do geradorfotovoltaico redeconvencional

    11.1.Medidores de energia

    Nas instalaes solares fotovoltaicas descritas neste livroe conforme indicado na figura 14, o arranjo fotovoltaico conectadoao sistema inversor que por sua vez faz a interface com a rede eltricaconvencional. No sistema net metering, que o mais simples e omais adotado nas instalaes norte-americanas, o mesmo medidorbidirecional tradicionalmente utilizado nas instalaes consumidorasresidenciais e comerciais adotado. Quando o sistema fotovoltaicogera mais energia do que a demandada pela instalao consumidora,o medidor anda para trs; o contrrio ocorre quando a edificaoconsome mais energia do que a gerada pelo sistema solar. Nestecaso a tarifa de importao e exportao de energia de e para a redeeltrica deve ser a mesma.

    Quando as tarifas de importao e exportao sodistintas, como em muitos pases da Europa e em algumas regiesdos Estados Unidos, se faz necessria a instalao de dois ou attrs medidores, conforme indica a figura 14. Para os sistemas queutilizam net metering, somente o medidor 3 (kWh 3) da figura 14 necessrio.

    Cada pas vem desenvolvendo seus conjuntos denormas e prescries para a interligao destes sistemas redeeltrica, explorando as diversas concepes possveis e adotandocritrios diversos [EnergieNed, 1997; EnergieNed, 1998; Khouzam &Hoffman, 1997].

  • Figura 14: Figura 14: Figura 14: Figura 14: Figura 14: Diagramaesquemtico de um

    sistema solar fotovoltaicointegrado ao telhado de

    uma residncia urbana einterligado rede eltrica

    convencional. O relgiomedidor 1 (kWh 1) mede a

    energia gerada pelosistema solar fotovoltaico;o relgio medidor 2 (kWh

    2) mede a energia geradapelo sistema solar que

    exportada para a redeeltrica; o relgio

    medidor 3 (kWh 3) mede aenergia importada da

    rede eltrica.

    11.2.Instalao eltrica

    Conforme anteriormente mencionado, a instalaoeltrica de um sistema solar fotovoltaico integrado a uma edificaodeve obedecer s mesmas normas tcnicas especficas parainstalaes eltricas de baixa tenso (NBR 5410). De uma formageral, a nica diferena envolvida na instalao de um sistemafotovoltaico em relao a uma instalao eltrica convencional serefere ao fato de que um gerador fotovoltaico estar energizadosempre que sobre ele incidir luz e tambm ao fato de que se trata

    . Conexo eltrica do gerador fotovoltaico rede convencional .

    Edifcios Solares Fotovoltaicos40

  • de um circuito CC desde os painis at o sistema inversor. Quantoao aterramento, conforme j mencionado, toda estrutura condutoraque no for conduzir corrente dever ser devidamente aterrada. Estadever ser uma das primeiras medidas a ser efetivada numa instalaodeste tipo, principalmente no que se refere estrutura de fixaodos painis fotovoltaicos. A seguir feita a instalao eltrica dogerador fotovoltaico, com a conexo manual e individual dos mdulosque o compem. importante salientar aqui novamente que painissolares fotovoltaicos so geradores de corrente contnua (CC),ou seja, a observncia de polaridade (+ e -) fundamental. Perdashmicas em sistemas CC de baixa tenso so minimizadas pelomenor comprimento possvel de cabos eltricos que conectam ospainis fotovoltaicos ao sistema inversor e por contatos eltricos dequalidade. Uma recomendao adicional se refere possibilidadede se abrir um arco eltrico quando um circuito CC interrompido.Por esta razo a instalao deve ser feita de tal forma que todos oscircuitos permaneam abertos, evitando o fluxo de corrente, at quetodas as conexes estejam completas.

    . Conexo eltrica do gerador fotovoltaico rede convencional .

    Ricardo Rther41

  • 12.12.12.12.12.CustosCustosCustosCustosCustos

    . Custos .

    Edifcios Solares Fotovoltaicos42

    Para instalaes interligadas rede eltrica pblica, ocusto atualmente superior ao da energia fornecida de formaconvencional. Estes custos vm, no entanto, declinando continuamentedesde o lanamento do primeiro programa de implantao de sistemasdeste tipo no incio dos anos 90 pelo governo alemo, o 1000-RoofsProgram, seguido no final daquela dcada do 100.000-Roofs Program[Erge & et al., 2001; Germany2000, 2001].

    No caso de sistemas fotovoltaicos distribudos, noentanto, o preo da energia fornecida no ponto de consumo no podeser comparado diretamente ao custo no barramento (busbar cost) deuma usina geradora convencional, visto que as perdas por transmisso,custos de T&D, etc, so considerveis no segundo caso e praticamenteinexistentes no primeiro [Lovins et al., 2002].

    O Departamento de Energia dos Estados Unidos vemidentificando e atuando nos mercados onde, mesmo ao custo atual,sistemas solares fotovoltaicos residenciais integrados a edificaesurbanas e interligados rede eltrica pblica so economicamenteviveis [US-DOE, 1997b]. Em funo destas constataes, vriospases tm adotado programas de incentivo utilizao de sistemassolares fotovoltaicos integrados a edificaes urbanas e interligados rede eltrica pblica [Haas, 2003], sendo o programa Japons omais arrojado de todos (previso de capacidade instalada de 4,82GWp at o ano de 2010 [Kurokawa, 2001; Ogawa, 2002]). A intenofundamental destes programas a produo em grande escala demdulos fotovoltaicos, objetivando no somente a maior disseminaodesta tecnologia, mas principalmente atingir o seu potencial de reduode custos, que depende de economias de escala. Desta forma a

  • . Custos .

    Ricardo Rther43

    energia solar fotovoltaica poder competir tambm em termos decustos com as energias convencionais. A figura 15 a seguir mostra adistribuio dos custos tpica no 1000 Roofs Program alemo parasistemas residenciais interligados rede e com potncia de 2kWp.

    A implantao e a administrao de sistemas de geraocomo os descritos neste livro utilizando net metering extremamentesimples e vem sendo feita rotineiramente nos EUA [Starrs & Wenger,1998; US-DOE, 1997a]. Coincidentemente, o relgio medidor de discotipicamente utilizado em edificaes residenciais, administrativas ecomerciais bidirecional; assim, o sistema net metering pode serimplementado sem a necessidade de substituio do equipamentode medio.

    Por outro lado, se o contrato com a concessionria eltricano incluir o sistema de net metering, ento necessria, conformeindicado na figura 14, a instalao de um ou dois contadores adicionaisao normalmente utilizado (relgio medidor kWh 3 na figura 14). Osmedidores adicionais iro realizar a medio da energia produzidapelo gerador solar fotovoltaico (relgio medidor kWh 1) e da energiainjetada na rede (relgio medidor kWh 2). A exemplo do que ocorreucom os chips de computadores - quando o governo norte-americanoadquiriu quantidades macias destes equipamentos viabilizando aproduo em massa e a conseqente reduo de custos - o Japo,os Estados Unidos e a Comunidade Europia pretendem investir natecnologia fotovoltaica para reduzir seus custos a nveis compatveiscom um mercado energtico competitivo [Byrne et al., 2004; Hayes,1998; Eiffert & Thompson, 2000; Eiffert, 2003]. O grupo de trabalhoTask 7: Photovoltaic PowerSystems in the Built Envi-ronment4, da InternationalEnergy Agency (IEA), tem seufoco de trabalho nos sistemasfotovoltaicos integrados aedificaes. Seus objetivosprincipais so a melhoria daviabilidade econmica e daqualidade tcnica e arqui-tetnica de sistemas solaresfotovoltaicos no entorno

    Figura 15: Figura 15: Figura 15: Figura 15: Figura 15: Distribuiotpica dos custos no1000 Roofs Programalemo, para sistemassolares fotovoltaicosresidenciais interligados rede eltrica compotncias de 2kWp [Sick& Erge, 1996]. A siglaBOS se refere ao termoBalance of Systems, quedesigna todos oscomponentescomplementares de umsistema solarfotovoltaico (cabos,conectores, estrutura defixao, protees,etc.).

    4 Maiores detalhes sobre a organizao e atividades da Task 7 podem ser vistos em www.task7.orge www.iea-pvps.org

  • Edifcios Solares Fotovoltaicos44

    construdo, bem como a remoo de barreiras no-tcnicas, de modoa promover a introduo desta tecnologia como uma alternativaenergtica de contribuio significativa.

    Utilizando a metodologia da anlise dos custos evitados,foi realizado na Inglaterra um estudo para ilustrar as vantagens daintegrao a prdios urbanos de elementos fotovoltaicos [Oliver &Jackson, 2001]. Considerando o custo evitado pela utilizao deelementos fotovoltaicos em substituio a materiais de revestimentode edificaes (como vidros blindados, mrmores e granitos polidose outros materiais de alto padro), os edifcios solares apresentaram amelhor performance econmica.

    Com a atual reestruturao do setor eltrico em todo omundo, a modularidade, os curtos prazos de instalao e a geraodescentralizada e junto ao ponto de consumo dos edifcios solaresfotovoltaicos so caractersticas cujo valor considervel. Algunsestudos [Lovins et al. 2002] demonstram, por exemplo, que para seremeconomicamente equivalentes, usinas geradoras de grande porte eque requerem longos prazos de instalao, devem apresentar um custode kWh consideravelmente menor (at 70% menor!) do que usinascom curtos prazos de instalao.

    . Custos .

  • . Vantagens para o sistema eltrico .

    Ricardo Rther45

    13.13.13.13.13.VVVVVantagens para o sistemaantagens para o sistemaantagens para o sistemaantagens para o sistemaantagens para o sistemaeltricoeltricoeltricoeltricoeltrico

    Os sistemas solares fotovoltaicos integrados aedificaes urbanas e interligados ao sistema de distribuio oferecemuma srie de vantagens para o sistema eltrico, muitas das quaisesto relacionadas a custos evitados e no vm sendo atualmenteconsideradas ou quantificadas. Dentre elas, pode-se destacar:

    - Perdas por transmisso e distribuio de energia sominimizadas;- Investimentos em linhas de transmisso e distribuio soreduzidos;- Edifcios solares fotovoltaicos no apresentam necessidadede rea fsica dedicada, uma vez que a rea necessria j ocupada pela edificao;- Edifcios solares fotovoltaicos tm capacidade de oferecersuporte kVAR a pontos crticos da rede de distribuio (melhoriada qualidade de energia) [Barker, 1997; Ginn et al., 2003];- Edifcios solares fotovoltaicos tm a capacidade de oferecerum elevado fator de capacidade a alimentadores da rede compicos diurnos (e.g. gerao de energia quando e onde ademanda est concentrada, como no caso de demanda porar-condicionados). Este aspecto, de grande importncia parao sistema eltrico, detalhado no tem 13.1 a seguir;- Geradores fotovoltaicos distribudos estrategicamenteapresentam mnima capacidade ociosa de gerao: por suagrande modularidade e curtos prazos de instalao, podemser considerados como um just-in-time de adio de capacidadede gerao.

  • . Vantagens para o sistema eltrico .

    Edifcios Solares Fotovoltaicos46

    13.1.Fator Efetivo de Capacidade de Carga (FECC)

    Por sua natureza intermitente, sistemas solaresfotovoltaicos tradicionalmente no so considerados como fontesdespachveis de energia e a eles so atribudos normalmente fatoresde capacidade (FC) baixos. No entanto, um gerador fotovoltaico deporte apropriado e localizado em um ponto estratgico do sistema dedistribuio pode trazer uma srie de benefcios que vo alm daquantidade de energia que so capazes de produzir.

    Alguns estudos demonstram [Barker et al., 1997; Hoff etal. 1992; Perez et al. 1993] que, sob condies favorveis,especialmente quando a demanda devida a cargas de ar-condicionado em horrios comerciais, a gerao fotovoltaica coincidecom o pico de demanda e pode assim contribuir efetivamente com ofator de capacidade localizado do alimentador em questo. Um exemplotpico desta situao so as ondas de calor que assolam vrias regiesurbanas do globo no vero, quando a ampacidade das redes dedistribuio reduzida, a demanda eltrica intensiva (levando o preoda energia a nveis da ordem de US$ 600/MWh [Herig, 2001]) e o recursosolar intenso. Sob estas condies, o FC efetivo da geraofotovoltaica pode ser consideravelmente maior do que seu FC comodefinido tradicionalmente. Isto pode ter implicaes econmicasimportantes, uma vez que grande parte do valor da gerao fotovoltaica(incluindo ambos o valor de seu FC tradicional e o valor local para osistema de T&D) est relacionado sua capacidade efetiva.

    Vrios parmetros, estatsticos e determinsticos, tm sidoapresentados para quantificar a capacidade efetiva. Um exemplo deparmetro estatstico o Fator Efetivo de Capacidade de Carga, ouFECC [Garver, 1966]. O FECC definido como o incremento decapacidade disponvel, devido adio de um gerador (neste casofotovoltaico), assumindo uma probabilidade de perda de cargaconstante e normalizada. Assim, o FECC passa a ser somente funoda relao entre a demanda instantnea e a potncia instantnea dogerador fotovoltaico. O FECC dado em % da capacidade fotovoltaica(em CA) instalada. Para demandas que seguem o sol, o FECC podeexceder a 80% da capacidade fotovoltaica instalada. Neste caso, umsistema solar fotovoltaico de 100kWp tem um FECC de 80kW, ou seja,um sistema fotovoltaico de 100kWp poderia ser considerado uma fontedespachvel de 80kW.

  • . Vantagens para o sistema eltrico .

    Ricardo Rther47

    Alimentadores urbanos de regies onde predominamconsumidores comerciais apresentam os maiores ndices de FECC,uma vez que a gerao fotovoltaica coincide com o horrio comerciale as demandas de ar-condicionado e iluminao artificial.Alimentadores urbanos em reas predominantemente residenciais,por outro lado, apresentam ndices FECC menores, uma vez que asmaiores demandas residenciais ocorrem no final da tarde e noite. Ocrdito de capacidade nestas regies pode, no entanto, ser melhoradoconsideravelmente se considerarmos que a energia gerada pode serutilizada em reas urbanas de perfil comercial adjacentes do sistemade distribuio, j que reas residenciais com padro de construohorizontal em regies ensolaradas apresentam grandes reas decobertura apropriadas para a gerao fotovoltaica.

    A nvel de edificao individual em edifcios comerciais,o FECC pode ser incrementado ainda mais pelo controle do sistemade ar-condicionado central, reduzindo a potncia do sistema quandoocorre a presena de nuvens, como ilustra a figura 16 a seguir, ondeso combinados a gerao fotovoltaica distribuda e eficinciaenergtica e nestes casos o FECC pode chegar a 100%.

    O sistema de ar-condicionado da edificao comercial programado para aumentar a temperatura em 1oC ou 2oC sempreque uma nuvem cobrir o sol. O sombreamento limita a geraofotovoltaica, mas ao mesmo tempo reduz a carga imposta ao sistemade ar-condicionado, restituindo ao gerador fotovoltaico parte de suacapacidade de suprir a demanda.

    Figura 16:Figura 16:Figura 16:Figura 16:Figura 16: Efeito dagerao fotovoltaicadistribuda e dapresena de nuvens nareduo da demanda deedifcios comerciais[Herig, 2001]. (i) Acorrelao entre ademanda de edificaescomerciais e adisponibilidade dorecurso solar elevada.Assim, geradoresfotovoltaicosdisponibilizam potnciaquando necessrio,deslocando os picos dedemanda. (ii) Noentanto, com apresena ocasional denuvens, a reduo dademanda pode serprejudicada, ou (iii) ademanda pode serdiminuda pelo controlede cargas de ar-condicionado,acomodando acorrelao natural entredisponibilidade degerao fotovoltaica edemanda por sistemasde ar-condicionado.

  • 14.Edifcios solares

    fotovoltaicos no Brasil

    . Edifcios solares fotovoltaicos no Brasil .

    Edifcios Solares Fotovoltaicos48

    Em Setembro de 1997 foi posta em operao no campusda Universidade Federal de Santa Catarina/UFSC em Florianpolis (lat.27oS) a primeira instalao solar fotovoltaica integrada a uma edificaourbana e interligada rede eltrica pblica no Brasil [Rther, 1996]. Osistema solar fotovoltaico foi originalmente dimensionado para atenderem regime anual demanda energtica de uma famlia de quatropessoas em uma residncia urbana brasileira tpica. A instalaofotovoltaica tem uma potncia instalada de 2078Wp (em CC e sobcondies standard de irradiao de 1000W/m2, temperatura deoperao de 25oC e contedo espectral da irradiao solar de AM 1.5)e composta por 68 mdulos solares de vidro sem moldura de 60 x100cm cada, sendo 54 deles opacos e 14 semitransparentes (comomostram as figuras 3 e 6), numa rea total de 40.8m. A instalaoconta ainda com um sistema inversor CC - CA, sensores de irradiaosolar e temperatura (ambiente e dos mdulos) e um sistema deaquisio de dados dedicado, que monitora a instalao continuamentepor se tratar de um sistema demonstrativo e experimental.

    A figura 17 a seguir mostra uma representaoesquemtica da instalao, que vem operando continuamente e comexcelente performance, sem requerer manuteno alguma desde asua posta em marcha [Rther, 1998]. A escolha de mdulos opacos esemitransparentes foi feita com o objetivo de chamar a ateno paraos aspectos estticos e arquitetnicos de ambos os tipos de mdulofotovoltaico.

    A edificao selecionada para a instalao do sistemafotovoltaico foi o bloco A do Departamento de Engenharia Mecnicada UFSC, onde o LABSOLAR opera tambm uma estao solarimtrica.

  • . Edifcios solares fotovoltaicos no Brasil .

    Ricardo Rther49

    Quanto orientao, a fachada escolhida para integrar osmdulos, de modo a formarem parte da edificao, bastanteideal, j que est orientada para o norte geogrfico, com um desviode 6o para o leste (o sol da manh). Perdas por sombreamentoso desprezveis, visto que no h obstrues por outrasedificaes ou vegetao ao redor e que todos os mdulos estomontados sobre o mesmo plano, com inclinao igual latitudelocal (~27o, para maximizar a oferta solar em regime anual) econstituindo uma superfcie nica como mostram as figuras 18 a20. O sistema utiliza a configurao em paralelo para a conexode todos os mdulos fotovoltaicos aos quatro inversoresindependentes. Apesar de o sistema apresentar uma superfcienica contendo todos os 68 mdulos fotovoltaicos, no projeto foiespecificada a subdiviso em quatro subsistemas, de ~500Wpcada um, conectados a quatro inversores de alto rendimento(eficincia de 93%, comutados pela rede e com onda senoidal)de 650W cada (figura 21). A injeo de corrente na rede eltricapblica se baseia em operao PWM (pulse width modulated)controlada por microprocessadores e rastreamento do ponto demxima potncia (PMP ou MPP - maximum power point) dosmdulos fotovoltaicos, que desconecta o sistema noite pormeio de rels para evitar perdas em stand by.

    Figura 17: Figura 17: Figura 17: Figura 17: Figura 17: Diagramaesquemtico do sistemasolar fotovoltaico de2kWp integrado aoprdio do Departamentode EngenhariaMecnica daUniversidade Federal deSanta Catarina/UFSC.

    16 painis a-Si:H opacos 20 painis a-Si:H (6 opacos, 14 semitransparentes)

    CAIXA CA

    CAIXA CC

    COLETA DE DADOS DOS SENSORES

    sensor radiao plano horizontal sensor radiao plano painis sensor temperatura painis sensor temperatura ambiente

    - + ~

    CONEXO REDE 220 V / 60 Hz

    CONVERSORES CC/CA PC

    IMPRESSORA - +

    ~ - +

    ~ - +

    ~

    caixa de conexo

    dos painis caixa de conexo

    dos painis caixa de conexo

    dos painis caixa de conexo

    dos painis Sistema corta conexo caso haja queda de tenso da rede.

    16 painis a-Si:H opacos 16 painis a-Si:H opacos

  • . Edifcios solares fotovoltaicos no Brasil .

    Edifcios Solares Fotovoltaicos50

    A deciso de subdividir o sistema nos quatro subsistemasao invs de utilizar um s inversor de ~2000W foi tomada em funode reduzir a possibilidade de falha total do sistema por falha no inversor(tipicamente o componente mais suscetvel a falhas num sistemafotovoltaico interligado rede eltrica), principalmente pelo fato de osistema inversor ser importado e pela inexistncia de um similarnacional. Deste modo, caso um dos inversores venha a apresentarproblemas, somente o subsistema ao qual est conectado fica forade operao, com a opo de os mdulos fotovoltaicos conectadosquele inversor serem redistribudos aos demais inversores, cujapotncia total mxima especificada (650W cada um) comporta aredistribuio. Outra vantagem desta configurao que, como apotncia mxima gerada por cada subsistema est prxima regiode eficincia mxima do inversor (o que ocorre abaixo da regio de

    Figura 18:Figura 18:Figura 18:Figura 18:Figura 18: Vista dosistema solar

    fotovoltaico integradoao envoltrio da

    edificao doDepartamento de

    Engenharia Mecnicada Universidade Federal

    de Santa Catarina emFlorianpolis, SC.

    Figura 19: Figura 19: Figura 19: Figura 19: Figura 19: Sistema solarfotovoltaico de 2kWp

    instalado na UFSC emFlorianpolis. A

    superfcie de ~ 40m2

    apresenta umainclinao de 27o e est

    orientada para o nortegeogrfico.

  • . Edifcios solares fotovoltaicos no Brasil .

    Ricardo Rther51

    potncia mxima do inversor como mostra a figura 12), o rendimentodo sistema inversor otimizado. O sistema est conectado a umadas fases do barramento trifsico do prdio onde se encontra instaladoe a conexo rede por net metering est formalmente autorizadapela concessionria eltrica local (CELESC - Centrais Eltricas deSanta Catarina).

    Ao longo de um ano, o sistema gera, em mdia,aproximadamente 2.6MWh de energia eltrica, o suficiente paraatender demanda de uma residncia urbana mdia eenergeticamente eficiente no mesmo perodo. Em um sistemafotovoltaico interligado rede eltrica, a sazonalidade da oferta solarno um parmetro que interfira no dimensionamento do sistema,pois a rede eltrica (a bateria destes sistemas) tem capacidade

    Figura 20: Figura 20: Figura 20: Figura 20: Figura 20: Vista ao pordo sol do sistemainstalado junto aoLABSOLAR/UFSC. Ainstalao solarfotovoltaica recebe a luzsolar semsombreamento porobstculos desde asprimeiras horas damanh at o final datarde.

  • Edifcios Solares Fotovoltaicos52

    para receber toda a energia que o sistema solar puder nela injetar5. Omesmo no acontece com os sistemas autnomos, onde na maioriados casos a instalao deve ser dimensionada para atender ao perododo ano com a menor oferta solar, do que decorre umsuperdimensionamento do sistema nos meses de abundncia deirradiao, quando a energia eltrica que excede a capacidade de

    armazenamento do sistemaacumulador (baterias) desperdiada.

    No ano 2000 oLABSOLAR instalou no campus daUFSC outro sistema solarfotovoltaico integrado a umaedificao, com potncia instaladade 1.15kWp. Os 18 mdulos foramintegrados fachada norte doCentro de Convivncia comomostra a figura 22, com o objetivode demonstrar aos estudantes dauniversidade o potencial destaelegante fonte renovvel de energiaque no ocupa espao fsicoadicional e que no emite rudosnem gases.

    Figura 21: Figura 21: Figura 21: Figura 21: Figura 21: Os quatroinversores Wrth (650Wcada) que compem o

    sistema de 2kWpinstalado na UFSC.

    . Edifcios solares fotovoltaicos no Brasil .

    Figura 22: Figura 22: Figura 22: Figura 22: Figura 22: O conjuntode mdulos

    fotovoltaicos totalizando1.15kWp est integrado

    fachada norte doCentro de Convivnciano campus central da

    UFSC em Florianpolis SC. Em primeiro plano

    aparecem as diversaslixeiras do programa de

    lixo seletivo dauniversidade.

    5 Para nvel de penetrao (percentual de participao na matriz energtica) da gerao fotovoltaicainferior a 10%.

  • Ricardo Rther53

    . Edifcios solares fotovoltaicos no Brasil .

    Figuras 23: Figuras 23: Figuras 23: Figuras 23: Figuras 23: Prdio doIEE/USP, com aintegrao de 12kWpde mdulosfotovoltaicos emsistema interligado rede eltrica [Zilles &Oliveira, 2001].

    Em 2001 o Laboratrio de Sistemas Fotovoltaicos doInstituto de Eletrotcnica e Energia da Universidade de So Paulo(IEE/USP) instalou na fachada do prdio de sua administrao umsistema solar fotovoltaico de 6.3kWp [Zilles & Oliveira, 2001] ] comomostram as figuras 23. Esta instalao foi recentemente repotenciadapara 12kWp e faz parte dos esforos de P&D desenvolvidos pelospesquisadores da USP na rea da gerao fotovoltaica conectada rede pblica, iniciados em 1998 [Oliveira & Zilles, 2001].

    Em 2003 o LABSOLAR instalou tambm no campuscentral da UFSC, no prdio do Centro de Eventos da universidade,

  • Edifcios Solares Fotovoltaicos54

    um sistema de 10kWp integrado a parte da cobertura daquele edifcio,como mostram as figuras 24. A instalao tem por objetivos, alm dofornecimento de energia para a demanda da edificao e a continuidadedos estudos do LABSOLAR na rea de sistemas fotovoltaicosdescentralizados e integrados a edificaes urbanas, chamar a atenodos estudantes da universidade e do pblico em geral para esta fonterenovvel de energia, j que est integrado a um dos maiores espaosculturais da cidade de Florianpolis.

    Tambm em 2003 o LABSOLAR instalou em parceria coma CELESC (Centrais Eltricas de Santa Catarina), no contexto doprograma de P&D ANEEL/CELESC, trs sistemas solares onde pelaprimeira vez foram utilizados mdulos fotovoltaicos do tipo flexvel

    sobre superfcie curva, comoos mostrados na figura 25.Neste projeto os mdulosflexveis foram integrados asuperfcies curvas em formade onda, que compem trscoberturas, uma das quais mostrada na figura 26. Estetipo de mdulo fotovoltaico especialmente robusto einquebrvel, podendo sercolado diretamente sobresuperfcies metlicas e deconcreto, planas ou curvas.

    Em 2001 oLABSOLAR e o Centro dePesquisas da Petrobras(CENPES) firmaram acordode cooperao tcnica, que

    Figuras 24: Figuras 24: Figuras 24: Figuras 24: Figuras 24: Centro deEventos da UFSC, comsistema fotovoltaico de

    10kWp integrado aparte da cobertura da

    edificao.

    . Edifcios solares fotovoltaicos no Brasil .

  • Ricardo Rther55

    . Edifcios solares fotovoltaicos no Brasil .

    Figuras 25:Figuras 25:Figuras 25:Figuras 25:Figuras 25: Mdulossolares fotovoltaicos dotipo flexvel,acondicionados sob aforma de um rolo comsuperfcie autocolante,para integrao diretaa superfcies metlicasou de concreto, planasou curvas.

    envolve uma srie de projetos na rea de energia solar fotovoltaica,entre eles o projeto de integrao de seis tecnologias fotovoltaicasde filmes finos cobertura do Prdio Frontal do CENPES, no Rio deJaneiro, com uma potncia instalada total de 44.4kWp, como mostramas figuras 27 a seguir. Este edifcio solar fotovoltaico emprega mdulosfotovoltaicos das mais modernas tecnologias de filmes finos de a-Si,CdTe e CIGS, com o objetivo de acompanhar a performance dediferentes tecnologias utilizadas na integrao a edificaes. Nombito desde mesmo projeto, esto sendo integrados a dois postosde servio Petrobras, um na cidade de Florianpolis e outro no Riode Janeiro, sistemas solares fotovoltaicos integrados edificaodas respectivas lojas de convenincias. As figuras 28 e 29 mostramum esboo destes dois projetos.

  • Edifcios Solares Fotovoltaicos56

    . Edifcios solares fotovoltaicos no Brasil .

    Figuras 27: Figuras 27: Figuras 27: Figuras 27: Figuras 27: Diagramaesquemtico do

    sistema solarfotovoltaico integradoao Prdio Frontal doCentro de Pesquisasda Petrobras, no Rio

    de Janeiro. Ainstalao utiliza

    mdulos solares defilmes finos de seis

    tecnologiasfotovoltaicas, num total

    de 44.4kWp, devendoentrar em operao ao

    longo de 2004.

    Figura 26: Figura 26: Figura 26: Figura 26: Figura 26: Mdulossolares fotovoltaicos do

    tipo flexvel, coladosdiretamente sobre

    superfcies curvas deuma cobertura

    metlica em forma deonda. Projeto

    LABSOLAR / CELESC.Foram instalados trs

    sistemas como o destafigura em Florianpolis,Lages e Tubaro SC,

    com 1.4kWp cada.

  • Ricardo Rther57

    . Edifcios solares fotovoltaicos no Brasil .

    Figura 28: Figura 28: Figura 28: Figura 28: Figura 28: Esboo daintegrao de mdulossolares fotovoltaicos aum posto de serviosPetrobras na cidade deFlorianpolis, SC. Asuperfcie curva partedo telhado da loja deconvenincias e utilizamdulos fotovoltaicosflexveis coladosdiretamente a umasuperfcie metlica. Osistema est projetadopara entrar emoperao em 2004.

    Figura 29: Figura 29: Figura 29: Figura 29: Figura 29: Esboo daintegrao de mdulossolares fotovoltaicos aum posto de serviosPetrobras no Rio deJaneiro. A superfciecurva parte dotelhado da loja deconvenincias e utilizamdulos fotovoltaicosflexveis coladosdiretamente a umasuperfcie metlica. Osistema est projetadopara entrar emoperao em 2004.

  • Edifcios Solares Fotovoltaicos58

    . Exemplos de outros edifcios solares fotovoltaicos .

    15.15.15.15.15.Exemplos de outrosExemplos de outrosExemplos de outrosExemplos de outrosExemplos de outros

    edifcios solaresedifcios solaresedifcios solaresedifcios solaresedifcios solaresfotovoltaicosfotovoltaicosfotovoltaicosfotovoltaicosfotovoltaicos

    As figuras a seguir exemplificam algumas configuraesresidenciais, comerciais, pblicas e tambm industriais de sistemassolares fotovoltaicos integrados a edificaes urbanas e interligados rede eltrica convencional em operao em diversos pases.

    15.1.Instalaes residenciais

    Em sistemas residenciais, as figuras a seguir mostramexemplos tanto de coberturas ou telhados, em que os mdulosfotovoltaicos esto integrados edificao desde a concepo doprojeto original, quanto casos de retrofit, em que o gerador solar

    Figura 30: Figura 30: Figura 30: Figura 30: Figura 30: Sistema solarfotovoltaico interligado rede eltrica pblicautilizando mdulos de

    silcio policristalino (p-Si)integrados ao telhado

    de uma residnciaunifamiliar [Ecofys]. Esta

    residncia utilizatambm um sistemasolar trmico para o

    fornecimento de guaquente e calefao,

    alm de princpios dearquitetura solar passivapara conforto ambiental

    (temperatura eiluminao) e umexemplo tpico de

    sistemaenergeticamente auto-suficiente em todos os

    aspectos.

  • Ricardo Rther59

    . Exemplos de outros edifcios solares fotovoltaicos .

    fotovoltaico montado e adaptado posteriormente sobre umacobertura ou telhado j existente. Os sistemas integrados apresentamvantagens no somente em termos estticos, pois so incorporadosao design original do projeto arquitetnico, como tambm apresentamvantagens em relao ao custo total da instalao, pois substituemmateriais de revestimento e/ou recobrimento.

    Figura 31: Figura 31: Figura 31: Figura 31: Figura 31: Sistemafotovoltaico instaladoem retrofit sobretelhado de residnciaunifamiliar, utilizandomdulos solares desilcio amorfo (a-Si)[Fraunhofer Institut frSolare Energiesysteme,1000 Roofs Program].

    Figura 32: Figura 32: Figura 32: Figura 32: Figura 32: Mdulossolares de filmes finosde silcio amorfo (a-Si)nesta residnciamultifamiliar substituemtoda uma seo dotelhado, com aparnciaesttica agradvel ereduzindo os custosassociados ao telhadoque substituem[PhototronicsSolartechnik GmbH].

  • Edifcios Solares Fotovoltaicos60

    Figura 33: Figura 33: Figura 33: Figura 33: Figura 33: Instalaofotovoltaica integrada

    ao telhado de umaedificao centenria.Neste caso o sistemafoi instalado de formaintegrada quando da

    renovao do telhadodesta igreja

    [PhototronicsSolartechnik GmbH].

    Figura 34: Figura 34: Figura 34: Figura 34: Figura 34: Frente everso (esq.) e verso

    mostrando detalhe docontato eltrico (dir.)

    de mdulo solarfotovoltaico como os

    utilizados nasinstalaes das figuras18-20, 31-33, 36-38 e

    43 [PhototronicsSolartechnik GmbH].

    Figura 35:Figura 35:Figura 35:Figura 35:Figura 35: Aintegrao de mdulossolares fotovoltaicos de

    filmes finos de a-Sicolados diretamente

    sobre telhas metlicaspode ser discretacomo ilustra esta

    figura, onde somente aresidncia da extrema

    direita recebeu aintegrao dos

    elementos fotovoltaicosao seu telhado [United

    Solar Ovinic LLC].

    . Exemplos de outros edifcios solares fotovoltaicos .

  • Ricardo Rther61

    . Exemplos de outros edifcios solares fotovoltaicos .

    15.2Instalaes comerciais

    Pela natureza das atividades a que se destinam,edificaes comerciais apresentam tipicamente um perfil de consumomais coincidente com a gerao de energia eltrica por sistemassolares fotovoltaicos a elas integradas. Principalmente em perodosde calor intenso, onde a demanda energtica nestas edificaesaumenta de forma acentuada em conseqncia da utilizao intensade aparelhos de ar-condicionado, que a gerao solar fotovoltaicaatinge valores mximos, aliviando desta forma o sistema de T&D daconcessionria