MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO

SECRETARIA DE EDUCAÇÃO PROFISSIONAL E TECNOLÓGICA

INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA

DO TRIÂNGULO MINEIRO - CAMPUS PARACATU

PROJETO DE PESQUISA

Energia solar: uma alternativa possível

Professor Ronaldo Eduardo Diláscio, Msc.

Paracatu - MG 2010

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1. Introdução

A energia que o Sol fornece para o nosso planeta, anualmente, corresponde a dez

mil vezes o consumo mundial de energia no mesmo período, ou 1,5 x 1018 kWh. O

aproveitamento dessa energia gerada pelo Sol, tendo em vista o esgotamento das reservas

de energia fóssil para as próximas décadas, torna-se uma das alternativas mais promissoras

de recursos energéticos que o homem tem à sua disposição de forma inesgotável na escala

terrestre de tempo.

Segundo o Ministério de Minas e Energia, o Brasil possui um grande potencial para

utilização de energia solar fotovoltaica, pois possui regiões onde existe um baixo consumo

local, uma grande dispersão dos usuários, dificuldade de acesso e restrições ambientais.

Nas comunidades isoladas, painéis solares fotovoltaicos podem ser usados de forma

individual, quando distante da rede elétrica, ou de forma híbrida, visando economizar

Diesel.

Atualmente, os sistemas fotovoltaicos vêm sendo utilizados em instalações remotas

possibilitando vários projetos sociais, agropastoris, de irrigação e comunicações. As

facilidades de um sistema fotovoltaico tais como: modularidade, baixos custos de

manutenção e vida útil longa, fazem com que sejam de grande importância para instalações

em lugares desprovidos da rede elétrica.

O projeto de pesquisa em energia alternativa está em linha com algumas das

finalidades dos Institutos Federais, quais sejam realizar e estimular a pesquisa aplicada, a

produção cultural, o empreendedorismo, o cooperativismo e o desenvolvimento científico e

tecnológico, bem como promover a produção, o desenvolvimento e a transferência de

tecnologias sociais, notadamente as voltadas à preservação do meio ambiente. Segue,

também, um dos objetivos dos Institutos Federais, que é realizar pesquisas aplicadas,

estimulando o desenvolvimento de soluções técnicas e tecnológicas, estendendo seus

benefícios à comunidade.

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2. Objetivo

2.1. Objetivo Geral

Estudar a produção de energia solar fotovoltaica para a geração de energia elétrica

de forma sustentável, de acordo com as mais recentes tendências tecnológicas e em

consonância com as demandas dos setores mais necessitados.

2.2. Objetivos Específicos

- Identificar as necessidades regionais em relação à energia solar fotovoltaica.

- Elaborar projetos pilotos de geração de energia solar fotovoltaica.

3. Justificativa

Grande parte da energia consumida atualmente no mundo provém de reservas de

energia fóssil. Prevê-se um esgotamento dessas reservas para os próximos cinquenta anos

(FIG. 01). Novos campos de petróleo são descobertos, mas a um custo altíssimo e em

águas ultraprofundas, e que não conseguirão enfrentar o crescimento populacional junto

com a inclusão de imensas populações na economia de mercado. Para substituir os

combustíveis fósseis, a humanidade precisará trocar essas fontes de energia não renováveis

por outras, renováveis.

Com esse esgotamento, é natural que o custo por kW/h de energia elétrica suba em

todo o mundo, inclusive no Brasil, pois o custo do combustível fóssil para as usinas

térmicas terão que ser subsidiadas pelo aumento no custo das outras fontes de energia, para

se manter o equilíbrio no preço de mercado da energia elétrica disponível aos

consumidores.

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FIGURA 01 Fonte: Embrapa

Nesse contexto, impõe-se às instituições de ensino tecnológico o desafio de

desenvolver pesquisas e criar condições educacionais adequadas para que os futuros

técnicos tenham competências específicas para desenvolver e aplicar os conhecimentos

adquiridos em prol da comunidade, mormente aquelas mais distantes dos grande centros e

as mais necessitadas.

Além de capacitar os discentes na teoria de energias alternativas, o projeto irá

contribuir com a formação acadêmica, criando o hábito da leitura e pesquisa científica e

incentivando os alunos a escrever artigos sobre o tema.

4. Revisão da literatura

De acordo com o Ministério de Minas e Energia (BRASIL, 2007, p.21) em seu

Plano Nacional de Energia 2030, para realizar seu planejamento de longo prazo dois

pontos são destacados e ganham relevância para a sociedade: a busca da eficiência

energética e o respeito às questões socioambientais, dentro da ótica de desenvolvimento

sustentável.

E não poderia ser diferente. A energia tornou-se um bem indispensável para nossa

sobrevivência e bem estar. A sociedade busca levar esse bem a todos os cidadãos, não

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importa onde estejamos. “Um dos principais motivos da ausência de energia elétrica na

vida de milhares de pessoas no mundo é a condição de pobreza aliada à situação de

isolamento geográfico em que elas se encontram.” (PINHO et al, 2008, p.21)

Uma das soluções para levar energia elétrica a locais isolados é a de utilizar grupos

geradores movidos a combustível fóssil, principalmente óleo diesel. Essa solução tem um

custo inicial reduzido, mas um alto custo ecológico e uma previsão de esgotamento das

reservas de recursos fósseis. Outras soluções passam pela utilização de energias

alternativas. Investimentos estão sendo feito em toda a parte do mundo para tornar as

fontes renováveis de energia mais competitivas em relação às fontes convencionais.

Segundo Pinho e outros (2008, p.21), as opções mais consideradas atualmente para

geração de energia elétrica através de sistemas renováveis, são as que utilizam fontes

primárias dos tipos solar fotovoltaica e eólica, ressaltando-se que existe a possibilidade de

utilização de sistemas a biomassa e pequenas centrais hidrelétricas.

4.1. Energia Solar no Brasil

Quase todas as fontes de energia – hidráulica, biomassa, eólica, combustíveis

fósseis e energia dos oceanos – são formas indiretas de energia solar. Além disso, a

radiação solar pode ser utilizada diretamente como fonte de energia térmica, para

aquecimento de fluidos e ambientes e para geração de potência mecânica ou elétrica. Pode

ainda ser convertida diretamente em energia elétrica, através de efeitos sobre determinados

materiais, entre os quais se destacam o termoelétrico e o fotovoltaico.

Entre os vários processos de aproveitamento da energia solar, os mais usados

atualmente são o aquecimento de água e a geração fotovoltaica de energia elétrica.

O Brasil, além de possuir um grande potencial de geração de energia solar

fotovoltaica (FIG. 03), também possui regiões onde esta tecnologia é a solução mais

adequada (técnica e economicamente), devido ao baixo consumo local, à grande dispersão

dos usuários, dificuldade de acesso e restrições ambientais.

Nas comunidades isoladas, painéis solares fotovoltaicos podem ser usados de forma

individual, quando distante da rede elétrica, ou de forma híbrida, visando economizar

Diesel.

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Também, existem testes de sistemas híbridos solar-eólico, não necessitando de

geração diesel. Hoje, o custo de instalação de um sistema de 160 Wp, é da ordem de R$

5.800,00 (cinco mil e oitocentos reais), segundo dados do programa LpT (Luz para Todos).

No país, o fator de capacidade médio dessa fonte é de 20 %, o que equivale a 5

kWh/ m²/dia. Dentro de 10 anos espera-se uma redução de 50 % nos custos de instalação.

FIGURA 3 - Potencial solar por região FONTE: Ministério de Minas e Energia

Existe uma forte tendência mundial de aplicações distribuídas na modalidade

residencial e comercial, com destaque para o Japão e Alemanha. O grande mote é a

redução da dependência do petróleo e a não proliferação da energia nuclear.

4.2. Efeito Fotovoltaico

O efeito fotovoltaico dá-se em materiais da natureza denominados semicondutores

que se caracterizam pela presença de bandas de energia onde é permitida a presença de

elétrons (banda de valência) e de outra onde totalmente “vazia” (banda de condução).

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O semicondutor mais usado é o silício. Seus átomos se caracterizam por possuírem

quatro elétrons que se ligam aos vizinhos, formando uma rede cristalina. Ao adicionarem-

se átomos com cinco elétrons de ligação, como o fósforo, por exemplo, haverá um elétron

em excesso que não poderá ser emparelhado e que ficará "sobrando", fracamente ligado a

seu átomo de origem. Isto faz com que, com pouca energia térmica, este elétron se livre,

indo para a banda de condução. Diz-se assim, que o fósforo é um dopante doador de

elétrons e denomina-se dopante n ou impureza n.

Se, por outro lado, introduzem-se átomos com apenas três elétrons de ligação, como

é o caso do boro, haverá uma falta de um elétron para satisfazer as ligações com os átomos

de silício da rede. Esta falta de elétron é denominada buraco ou lacuna e ocorre que, com

pouca energia térmica, um elétron de um sítio vizinho pode passar a esta posição, fazendo

com que o buraco se desloque. Diz-se, portanto, que o boro é um aceitador de elétrons ou

um dopante p.

Se, partindo de um silício puro, forem introduzidos átomos de boro em uma metade

e de fósforo na outra, será formado o que se chama junção pn. O que ocorre nesta junção é

que elétrons livres do lado n passam ao lado p onde encontram os buracos que os

capturam; isto faz com que haja um acúmulo de elétrons no lado p, tornando-o

negativamente carregado e uma redução de elétrons do lado n, que o torna eletricamente

positivo. Estas cargas aprisionadas dão origem a um campo elétrico permanente que

dificulta a passagem de mais elétrons do lado n para o lado p; este processo alcança um

equilíbrio quando o campo elétrico forma uma barreira capaz de barrar os elétrons livres

remanescentes no lado n.

Se uma junção pn for exposta a fótons com energia maior que o gap, ocorrerá a

geração de pares elétron-lacuna; se isto acontecer na região onde o campo elétrico é

diferente de zero, as cargas serão aceleradas, gerando assim, uma corrente através da

junção; este deslocamento de cargas dá origem a uma diferença de potencial ao qual

chamamos de Efeito Fotovoltaico.

Se as duas extremidades do "pedaço" de silício forem conectadas por um fio,

haverá uma circulação de elétrons. Esta é a base do funcionamento das células

fotovoltaicas.

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FIGURA 4 - Efeito Fotovoltaico FONTE: CEPEL

5. Materiais e Métodos

Sistemas isolados, em geral, utilizam-se alguma forma de armazenamento de

energia. Este armazenamento pode ser feito através de baterias, quando se deseja utilizar

aparelhos elétricos, ou armazena-se na forma de energia gravitacional quando se bombeia

água para tanques em sistemas de abastecimento. Alguns sistemas isolados não necessitam

de armazenamento, o que é o caso da irrigação onde toda a água bombeada é diretamente

consumida ou estocadas em reservatórios.

Em sistemas que necessitam de armazenamento de energia em baterias, usa-se um

dispositivo para controlar a carga e a descarga na bateria. O “controlador de carga” tem

como principal função não deixar que haja danos na bateria por sobrecarga ou descarga

profunda. O controlador de carga é usado em sistemas pequenos onde os aparelhos

utilizados são de baixa tensão e corrente contínua (CC).

Para alimentação de equipamentos de corrente alternada (CA) é necessário um

inversor. Este dispositivo geralmente incorpora um seguidor de ponto de máxima potência

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necessário para otimização da potência final produzida. Este sistema é usado quando se

deseja mais conforto na utilização de eletrodomésticos convencionais.

O presente projeto necessitará de placas fotovoltaicas, controladores de carga,

inversores e banco de baterias. Será conduzido, em grande parte, nas dependências do IF

Triângulo - Campus Paracatu. Custos estimados para esse conjunto de equipamentos são

listados abaixo:

- 02 Painéis Solares Siemens SR100

- 01 Controlador de Carga Unitron

- 01 Inversor Unitron UNI-300

- 01 Bomba Shurflo 2088 - 12 Vcc

- 02 Baterias 200 AH

Custo total do kit …….. R$ 10.000,00

A pesquisa experimental se dará com a construção de unidade geradora no próprio

Campus, com coleta de dados e análise da eficiência de transformação de energia solar em

energia elétrica, seu armazenamento e sua utilização em equipamentos de corrente

contínua e de corrente alternada.

O levantamento das informações relativas ao potencial de utilização da energia

fotovoltaica na região se dará através de questionário a ser enviado aos cooperados da

COOPERVAP, atingindo, assim, o público alvo desejado, quais sejam, fazendas com

necessidades de energia elétrica e distantes da alimentação da concessionária pública.

Para a disseminação da tecnologia, serão programados “dias de campo” dentro do

Instituto, mostrando o funcionamento do protótipo, suas aplicações e vantagens.

6. Resultados esperados

Ao final do período do projeto de pesquisa, além de publicações de artigos

científicos para o crescimento acadêmico e profissional dos alunos , espera-se verificar a

possibilidade de disseminação das tecnologias para as regiões mais distantes do noroeste

mineiro, tendo em vista a grande área com baixa densidade populacional e baixo índice de

desenvolvimento humano, contribuindo, assim com os benefícios do conhecimento

técnico-científico para a comunidade em geral.

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7. Cronograma de Atividades

Atividade Cronograma

01 Especificação e compra dos materiais 00 - 90 02 Elaboração do questionário de pesquisa 30 - 60 03 Divulgação do questionário de pesquisa 60 - 150 04 Montagem dos protótipos 120 - 240 05 Análise dos dados e ajuste dos protótipos 180 - 270 06 Demonstração dos protótipos para a comunidade 300 - 8. Referências

ALDABO, R. Energia Solar. São Paulo, Artliber, 2002. BERMANN, C. Energia no Brasil - Para quê? - Para quem? São Paulo: Livraria da Física, 2002. BRASIL. Ministério de Minas e Energia. Plano nacional de Energia 2030 / Ministério de Minas e Energia ; colaboração Empresa de Pesquisa Energética. Brasília: MME: EPE, 2007. COMETTA, E. Energia Solar - Utilização e empregos práticos. São Paulo: Hemus, 1978. IENO, G; NEGRO, L. Termodinâmica. São Paulo: Pearson, 2004. LEITE, A.D. A energia do Brasil. Rio de Janeiro: Nova Fronteira, 1997. PALZ, W. Energia Solar e Fontes Alternativas. São Paulo: Hemus, 1995. PINHO, J.T., et al. Sistemas Híbridos. Brasília: Ministério de Minas e Energia, 2008. WALISIEWICZ, M. Energia Alternativa - Solar, Eólica, Hidrelétrica e de Biocombustíveis. São Paulo: Publifolha editora, 2008.