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SÃO LUÍS 2019
DIEGO DE JESUS SANCHES FRANÇA
SISTEMA DE ENERGIA: GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA UTILIZANDO CÉLULAS
FOTOVOLTAICAS RESIDENCIAIS
São Luís 2019
SISTEMA DE ENERGIA:
GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA UTILIZANDO CÉLULAS FOTOVOLTAICAS RESIDENCIAIS
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Faculdade Pitágoras, como requisito parcial para a obtenção do título de graduado em Engenharia Elétrica.
Orientador: Jessica Zamaia
DIEGO DE JESUS SANCHES FRANÇA
DIEGO DE JESUS SANCHES FRANÇA
SISTEMA DE ENERGIA:
GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA UTILIZANDO CÉLULAS FOTOVOLTAICAS RESIDENCIAIS
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Faculdade Pitágoras, como requisito parcial para a obtenção do título de graduado em Engenharia Elétrica.
BANCA EXAMINADORA
Prof(a). Titulação Nome do Professor(a)
Prof(a). Titulação Nome do Professor(a)
Prof(a). Titulação Nome do Professor(a)
Cidade, dia de mês de ano
Substitua as palavras em vermelho conforme o local e data de aprovação.
Dedico este trabalho de Conclusão de
Curso à Deus em primeiro lugar, aos meus
pais Claudionor e Socorro, a minha irmã
Déborah em especial, ao irmão Deivyson e
a minha esposa Mayara.
AGRADECIMENTOS
Agradeço imensamente à Deus, por ter me concedido saúde, força e disposição
para fazer a faculdade e o trabalho de final de curso. Sem ele, nada disso seria
possível. Também sou grato ao senhor por ter dado saúde aos meus familiares e
tranquilizado o meu espírito nos momentos mais difíceis da minha trajetória
acadêmica até então.
Agradecimento bastante especial a esposa e companheira Mayara, que ao
longo desses anos deu não só força, mas apoio para vencer essa etapa da vida
acadêmica. Obrigado, meu amor, pela paciência, amor, carinho e minha ausência em
diversos momentos.
Gostaria de agradecer minha família, especialmente meus pais Claudionor e
Socorro, que fez de tudo para tornar os momentos difíceis mais brandos e me formou
como homem, aos meus irmãos Déborah e Deivyson. Agradeço a todos os
professores, especialmente aos meus orientadores Caio Vivian e Jessica Zamaia.
Obrigada, mestres, por exigir de mim muito mais do que eu imaginava ser capaz de
fazer. Manifesto aqui minha gratidão eterna por compartilhar sua sabedoria, o seu
tempo e sua experiência.
A todos os amigos de trabalho e de faculdade, meu muito obrigado. Vocês
foram fundamentais para minha formação, por isso merecem o meu eterno
agradecimento.
“A vida sem luta é um mar morto no centro do
organismo universal. ”
Machado de Assis
FRANÇA, Diego de Jesus Sanches. Sistema de energia: Geração de energia elétrica utilizando células fotovoltaicas residenciais. 2019. 36. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Elétrica) – Faculdade Pitágoras, São Luís, 2019.
RESUMO
O Sol é a principal e mais importante fonte de energia do planeta terra, sendo que todas as outras fontes conhecidas de energia (eólica, hidrelétrica, biomassa) derivam de forma direta ou indireta da energia solar. Anualmente para a atmosfera terrestre 1,5 x 10^18 kWh de energia solar, o que corresponde a 10.000 vezes o consumo mundial de energia neste período. Em vários países do mundo buscam utilizar as fontes que produzam energias alternativas e renováveis para substituir as fontes tradicionais, para minimizar os impactos ambientais provenientes da geração de energia, buscando maximizar a oferta e a variedade da matriz energética, perante a demanda. Uma das alternativas encontrada é a energia solar fotovoltaica gerada pela conversão direta de luz solar incidente em eletricidade através de uma diferença de energia potencial nas extremidades de uma estrutura de material semicondutor, produzida pela absorção da luz. Para os sistemas de energia térmica solar, o desafio é o de identificar métodos de bom custo/benefício para a conversão de calor solar em energia térmica estocável e despachável dependendo da região. Os sistemas fotovoltaicos podem ser classificados, em três categorias principais, o uso de cada um desses sistemas dependerá da aplicação e dos recursos energéticos existentes no local.
Palavras-chave: Energia; Sol; Fotoelétrico; Célula e Sistema.
FRANÇA, Diego de Jesus Sanches. System of energy: electric power generation using cells residential fotovoltaicas. 2019. 36. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Elétrica) – Faculdade Pitágoras, São Luís, 2019.
ABSTRACT
The Sun is the main and more important source of energy of the planet earth, and all the other known sources of energy (eólica, hydroelectric power station, biomass) flow in way direct or indirect of the solar energy. Annually for the terrestrial atmosphere 1,5 x 10^18 kWh of solar energy, what corresponds the 10.000 times the world consumption of energy in this period. In several countries of the world they look for to use the sources that produce alternative and renewable energies to substitute the traditional sources, to minimize the coming environmental impacts of the generation of energy, looking for to maximize the offer and the variety of the energy head office, before the demand. One of the alternatives found is the energy solar fotovoltaica generated by the direct conversion of incident solar light in electricity through a difference of potential energy in the extremities of a structure of material semiconductor, produced by the absorption of the light. For the systems of solar thermal energy, the challenge is it of identifying methods of good cost / benefit for the conversion of solar heat in energy thermal estocável and despachável depending on the area. The systems fotovoltaicos can be classified, in three main categories, the use of each one of those systems will depend on the application and of the existent energy resources in the place.
Key-words: Energy; Sun; Photoelectric; Cell and System.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 01 - Radiação solar direta, difusa e albedo .................................................. 10
Figura 02 – Ilustração do efeito fotovoltaico ............................................................ 13
Figura 03 - Célula Fotovoltaica ................................................................................ 14
Figura 04 - Painéis Fotovoltaicos ............................................................................ 14
Figura 05 - Corte transversal de uma célula fotovoltaica .........................................16
Figura 06 - Célula solar fotovoltaica .........................................................................17
Figura 07 - Ilustração uma célula de silício monocristalino.......................................18
Figura 08 - Célula de silício policristalino..................................................................18
Figura 09 - Célula Fotovoltaica de filme fino ............................................................19
Figura 10 - Definições de sistemas fotovoltaicos......................................................21
Figura 11 – Características de sistemas isolados ....................................................22
Figura 12 – Ilustração do sistema híbrido..................................................................24
Figura 13 - Sistemas conectados à rede...................................................................25
LISTA DE TABELAS
Tabela 01 - Capacidade Instalada em 31/12/2009 no SIN ...................................... 11
Tabela 02 - Eficiência típica dos módulos comerciais...............................................20
LISTA DE QUADROS
Quadro 1 - Níveis do trabalho monográfico .............................................................00
8
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ................................................................................................... 13
2. ENERGIA SOLAR PARA GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA ..................... 14
3. PAINEL SOLAR FOTOVOLTAICO ................................................................... 20
3.1 EFEITO FOTOVOLTAICO................................................................................21 3.2 CLASSIFICAÇÃO DAS CÉLULAS FOTOVOLTAICAS.....................................23 3.3 CARACTERISTICAS DO PAINEL.....................................................................26
4 . SISTEMA FOTOVOLTAICO ................................................................................ 28
4.1 SISTEMA DE AUTONOMIA (OFF GRID).........................................................29 4.2 SISTEMA HÍBRIDO..........................................................................................31 4.3 SISTEMAS INTERLIGADOS A REDE (ON GRID)...........................................32
5. CONSIDERAÇÕES FINAIS ............................................................................... 34
REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 35
13
1. INTRODUÇÃO
O uso sustentável de energia solar, é uma infinita fonte de térmica e luminosa,
tornando-se uma grande possibilidade de substituir quando for necessária para
atender os déficits em tempos de crise energética. Considerando o grande potencial
de energia solar em território brasileiro, a atividade desenvolvida abordou as questões
técnicas relacionadas à utilização desta energia, e apresenta-se uma configuração
ampla de progresso desta tecnologia.
Evidenciou-se que é viável fazer uso da energia fornecida pelo sol em uma
forma ampla sendo infinita fonte de energia limpa e renovável para a geração de
eletricidade, em contrapartida se tem como pontos negativos os baixos incentivos do
governo e ao elevado custo relacionado ao mínimo rendimento na produção de
energia.
O sol fornece uma energia através da luz incidente é uma fonte renovável, e
baseado em estimativas que o astro celeste iluminará a terra por bilhões de anos.
Através de estudos e pesquisas bibliográficas, constata-se que o sistema fotovoltaico
em residências se torna grande atrativo pelos benefícios já mencionados. Sabe-se
que as residências produzindo sua própria energia, o consumidor, faz com que a
concessionária não sobrecarregue seu sistema de distribuição elétrica. Isto diminui a
demanda sem que haja quedas na distribuição?
Investigar a importância da geração de eletricidade utilizando células
fotovoltaicas nas residências. Descreveu-se a importância da energia solar como fonte
renovável para geração de energia elétrica nas residências, discorreu-se a utilização
do painel solar fotovoltaico residencial e compreendeu-se o sistema fotovoltaico
melhor utilizado em residências.
O método deu-se através de uma revisão bibliográfica por meios de livros, sites
relacionados e artigos científicos, material extraídos de mídias digitais que tem
produção realizado no período de 18 anos (1983 à 2015) para artigos científicos e
livros mais reconhecidos em meio acadêmico, acessado em biblioteca virtuais e
adquiridos em busca via internet sobre o assunto.
14
2. ENERGIA SOLAR PARA GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA
O Sol é a principal e mais importante fonte de energia do planeta terra, sendo
que todas as outras fontes conhecidas de energia (eólica, hidrelétrica, biomassa)
derivam de forma direta ou indireta da energia solar. O Sol fornece anualmente para
a atmosfera terrestre 1,5 x 10^18 kWh de energia, o que corresponde a 10.000 vezes
o consumo mundial de energia neste período (CRESESB, 2006).
Agindo como um grande reator nuclear natural, o sol libera a cada instante
pequenos pacotes de energia, chamados fótons, que percorrem aproximados 150
milhões de quilômetros, em cerca de 8,5 minutos, para chegar a Terra.
Figura 01 – Ilustração da radiação solar direta, difusa e albedo
Fonte: Walisiewicz, (2008).
Segundo Fraidenraich (1995) em vários países do mundo buscam utilizar as
fontes que produzam energias alternativas e renováveis para substituir as fontes
tradicionais, para minimizar os impactos ambientais provenientes da geração de
energia, buscando maximizar a oferta e a variedade da matriz energética, perante a
demanda.
A energia é extremamente importante para o desenvolvimento econômico e
social da humanidade, para movimentar as indústrias, proporcionar o conforto
15
doméstico, conectar o mundo através das telecomunicações, facilitar a dotação de
serviços indispensáveis à sociedade (OLIVEIRA, 2002).
Segundo Reis (2009) a energia elétrica é indispensável à sobrevivência do ser
humano, assim como para sua evolução. O Brasil apresenta a maior parte de seu
território próximo a linha do Equador, o que favorece a implantação de energia solar
como fonte alternativa de energia.
Segundo EPE (2011), no Brasil, a matriz energética é predominantemente
hidrotérmica, sendo que 71,7% da potência instalada é de natureza hidráulica. Não
obstante, o potencial hidrelétrico mais próximo a centros de consumo está saturado,
e novos empreendimentos em grandes centrais hidrelétricas dependem de
investimentos adicionais em transmissão e vão contra as políticas verdes, de
sustentabilidade, em vigor.
Tabela 01 - Capacidade Instalada em 31/12/2009 no SIN
Fonte: EPE, (2011)
Segundo Cabral (2004), divulgaram que o consumo de energia elétrica na
classe residencial apresentou um aumento do valor de 6,2%, essa elevação se dá em
função da existência de um mercado aquecido nos últimos anos pelo consumo de
energia elétrica, que contribui no estímulo a aquisição de aparelhos elétricos e no
maior consumo de energia.
Em regiões do Brasil, como o interior do Amazonas, Pará, Minas Gerais e
Bahia, diversos desses sistemas têm sido instalados para fornecer energia para
escolas rurais, postos de saúde e sistemas de telecomunicação e residências
(CEMIG,2012).
A energia solar, não necessita ser extraída e nem transportada para o local da
geração, próximo à carga, evitando os custos com a transmissão em alta tensão
por utilizar células solares, responsáveis pela geração de energia, e um inversor para
16
transformar a tensão e frequência, sem emissão de gases poluentes ou ruídos e
com necessidade mínima de manutenção (SHAYANI, 2006).
Conforme Bronzatti (2008), o Brasil se encontra em um período de mudanças
no desenvolvimento econômico estruturando a econômica do país e a produção de
energia, investindo mais nas fontes de energias renováveis, minimizando os impactos
ambientais e fortalecendo o desenvolvimento sustentável.
Segundo Diegues (2003) diz que é preciso desenvolver programas de incentivo
à responsabilidade social e preservação ambiental para que haja interesses do
mercado em oferecer serviços e produtos de qualidade, objetivando uma maior
contribuição e melhor aproveitamento de recursos naturais por meio de fontes
renováveis.
A Energia Solar Fotovoltaica gerada pela conversão direta de luz solar incidente
em eletricidade através de uma diferença de energia potencial nas extremidades de
uma estrutura de material semicondutor, produzida pela absorção da luz (CRESESB,
2006).
Nas últimas duas décadas, a energia fotovoltaica (PV) evoluiu de um nicho de
mercado puro de aplicações de pequena escala tornando-se uma fonte de eletricidade
relevante. Uma célula solar é um dispositivo que converte em eletricidade, através do
uso do efeito fotoelétrico (CRESESB, 2006).
Segundo Hinrichs (2010), a luz solar incide nas células solares, também
conhecidas células fotovoltaicas ou fotoelétricas que, por sua vez, são produzidas
basicamente de materiais semicondutores, dentre eles, usa-se geralmente os cristais
de silício.
As partículas da luz solar, também conhecida como fótons, ao entrar em
contato com os átomos do silício, ocasionam o deslocamento dos elétrons, gerando
assim, uma corrente elétrica, movimento ordenado dos elétrons, que é usada para
carregar uma bateria (Hinrichs, 2010).
O efeito fotovoltaico é produzido a partir de uma diferença de potencial
energético, ou de uma corrente elétrica correspondente em um material, após a sua
exposição à luz incidente (COMETTA, 1978).
Os elétrons gerados serem transferidos entre bandas diferentes, das bandas
de valência para bandas de condução dentro do próprio material, resultando no
desenvolvimento de tensão elétrica entre dois elétrodos (COMETTA, 1978).
17
Figura 02 – Ilustração do efeito fotovoltaico
Fonte: Lorenzo, (1994)
Dentre as diversas aplicações e materiais encontrados na natureza, os
semicondutores, são elementos mais propicio para realizar à conversão da luz solar
incidente e são os mais sensíveis, ou seja, elementos que geram o maior produto da
relação corrente-tensão para a luz visível, já que a maior parcela de energia fornecida
pelos raios do sol está dentro da faixa visível do espectro. Há um procedimento
especifico para que o material semicondutor se transforme em uma célula fotovoltaica
com características bem definidas (CEPEL & CRESESB, 2014).
uma célula fotovoltaica não armazena energia elétrica. Mas segue um fluxo
constante de elétrons em um circuito elétrico enquanto houver incidência de luz. Uma
célula solar, ou célula fotovoltaica, é um dispositivo elétrico que converte a energia da
luz do Sol diretamente em energia elétrica através do efeito fotovoltaico (BEZERRA,
1979).
Segundo Bezerra (1979), explica que durante a incidência de luz, há uma
agitação dos elétrons, que se deslocam da região n para a p, o que torna a segunda
negativamente carregada. A região n ficará positivamente carregada, devido à
carência desses elétrons. Entre as duas regiões, carregadas com sinais contrários
aparecerá um campo elétrico, que irá acelerar essas cargas, dando origem à corrente
elétrica através da junção.
18
Figura 03 - Célula Fotovoltaica
Fonte: Walisiewicz, (2008)
São usadas tradicionalmente 36, 60 ou 72 células fotovoltaicas interligadas em
série para montar um painel fotovoltaico (Módulos Fotovoltaicos).
Figura 04 – Painéis Fotovoltaicos
Fonte: Walisiewicz, (2008).
A energia produzida pelas células fotovoltaicas que formam os painéis
fotovoltaicos é chamada de energia solar fotovoltaica. Uma única célula fotovoltaica
isoladamente, tem potencial de gerar energia elétrica, aproximadamente entre 1 e 2
W, correspondente a uma tensão nominal de 0,5 V e uma corrente entre 2 e 4 A
(CEPEL & CRESESB, 2014).
19
Segundo Braga (2005), as células fotovoltaicas apresentam eficiência de
conversão da ordem de 16%. Existem células fotovoltaicas com eficiências de até
28%, fabricadas de arseneto de gálio, mas o seu alto custo limita a produção dessas
células solares para o uso da indústria espacial.
20
3. PAINEL SOLAR FOTOVOLTAICO
Sabe-se que geralmente a energia solar fotovoltaica é produzida através da
conversão direta da luz solar incidente em energia elétrica por meio do efeito
fotovoltaico. Na década de 40, foi observado por Edmond Becquerel, o aparecimento
de uma diferença de potencial (ddp) nas extremidades de uma estrutura tipicamente
de material semicondutor, gerada pela absorção da luz incidente, a esse fenômeno foi
chamado de Efeito Fotovoltaico (GUIMARÃES, 2004).
Na década de 80, foi construído um dispositivo que converte energia elétrica
em energia fotovoltaica a base de selênio. Somente em 1953, após pesquisas nos
laboratórios dos Estados Unidos, foi criado dispositivo possível através de um
substrato de silício que registrava 4,5% de eficiência (BRAGA, 2005).
Sabe-se que o dispositivo fundamental e importante de todo sistema
fotovoltaico é a célula. Pois ela compõe os módulos quando estão associados em
série ou paralelo além de ser responsável pelo processo de conversão de energia
solar em energia elétrica (GUIMARÃES, 2004).
Todo sistema possui falhas e para corrigir ou otimizar o rendimento do sistema
da energia produzida por painéis fotovoltaicos, é a inserção de um sistema capaz de
seguir o sol durante o dia, dispositivo conhecido como seguidor solar, que tem como
objetivo aumentar a absorção da energia proveniente do sol com o objetivo de atrair
incentivos e minimizar o custo relacionado com a produção de energia, uma das
possibilidades (HURLEY E ARMSTRONG, 2005).
Os raios solares sempre incidam perpendicularmente ao plano do painel,
otimizando a potência elétrica produzida pelo módulo, já que o desempenho de um
sistema de geração de energia elétrica está diretamente relacionado com a
temperatura e radiação incidente sobre o coletor do painel, pois, o movimento diário
do sol prejudica a captação de radiação por dispositivos estáticos (HURLEY E
ARMSTRONG, 2005).
Segundo Braga (2005), a manutenção é praticamente inexistente e a
expectativa de vida útil dos painéis ultrapassa 30 anos e das baterias, dez anos.
Necessitando-se maior potência, aumenta-se o número de módulos.
Essa característica modular do sistema fotovoltaico é sumamente importante.
Pode-se aumentar, diminuir ou relocar facilmente os módulos sem que resulte
21
problemas. A montagem não necessita de técnicos especializados, podendo ser feita
por, praticamente, qualquer pessoa (GUIMARÃES, 2004).
3.1 - EFEITO FOTOVOLTAICO
Segundo Villalva e Gazoli (2013), o efeito fotovoltaico se baseia na
transformação da radiação solar em energia elétrica, através de tesão produzida ou
diferença de potencial (ddp) sobre uma célula formada por um sanduíche de materiais
semicondutores.
O principal representante dos semicondutores é obtido através da dopagem de
silício. Este é encontrado naturalmente em forma de areia, e através de métodos
adequados obtêm-se o cristal puro de silício. O cristal de silício possui 4 elétrons na
sua camada de valência em ligação covalente e não possui elétrons livres,
caracterizando, portanto, um mal condutor de eletricidade (VILLALVA E GAZOLI,
2013).
Dentre os semicondutores, o mais utilizado na produção é o silício, que
representa mais de 85% do mercado. Além de ser considerado uma tecnologia
consolidada e confiável, possui a melhor eficiência comercialmente disponível
(CRESESB, 2014).
As células fotovoltaicas são produzidas com material semicondutor, ou seja,
material com valor condutividade entre isolantes e condutores. São caracterizados por
terem banda de valência e condução separadas por uma faixa de energia (gap) menor
ou igual a 3 eV (REIS, 2009).
As células fotovoltaicas solares são basicamente constituídas por duas
camadas de materiais semicondutores, uma positiva e outra negativa. Os fótons da
luz excitam os elétrons ao atingir a célula, produzindo assim energia elétrica, quanto
maior a intensidade solar, maior o fluxo de eletricidade (CRESESB, 2014).
22
Figura 05 - Corte transversal de uma célula fotovoltaica
Fonte: Cresesb, (2014).
Cada célula solar compõe-se de uma camada fina de material tipo N e outra
com maior espessura de material tipo P. Separadamente, ambas as capas são
eletricamente neutras. Mas, ao serem unidas, exatamente na união P-N, gera-se um
campo elétrico devido aos elétrons do silício tipo N que ocupam os vazios da estrutura
do silício tipo P (CRESESB, 2014).
Figura 06 - Célula solar fotovoltaica
Fonte: Cresesb, (2014).
23
Separadamente, cada material semicondutor tipo N ou P é eletricamente
neutro. Ao unir-se um semicondutor tipo P a um condutor tipo N, ou mesmo utilizando
uma única estrutura de silício e dopando-se uma extremidade com um elemento
doador e outra com um elemento receptor, cria-se uma junção P-N CRESESB, 2014).
Segundo Cresesb, (2014), cada módulo fotovoltaico é formado por uma
determinada quantidade de células ligadas em série. Como se viu anteriormente, ao
unir-se a camada negativa de uma célula com a positiva da seguinte, os elétrons fluem
através dos condutores de uma célula para a outra. Este fluxo repete-se até chegar à
última célula do módulo, da qual fluem para a carga ou para um acumulador de energia
(bateria).
A característica corrente X tensão (I X V) de uma célula fotovoltaica tem a forma
padrão mostrada na figura abaixo:
Gráfico 01 - Característica I-V de uma célula fotovoltaica
Fonte: Lorenzo, (1994)
3.2 - CLASSIFICAÇÃO DAS CÉLULAS FOTOVOLTAICAS
Segundo Braga (2005), as células fotovoltaicas são os componentes
responsáveis pela conversão direta da luz do sol em eletricidade. São produzidas a
partir de materiais semicondutores. O Silício (Si) é o semicondutor mais usado na
produção das células fotovoltaicas. O Arseneto de Gálio e o Germânio também são
materiais utilizados em sua produção, porém, o alto valor econômico desses dois
24
componentes faz com que sejam aplicados onde o custo não é fator significativo, como
em projetos espaciais.
Segundo Hinrichs (2010), as células fotovoltaicas são classificadas em três
tecnologias aplicadas para a produção, de acordo com seu material e suas
características. Cada célula solar produz em média, aproximadamente 0,4 volts
(silício).
Para obter voltagens elevadas, são produzidas quando diversas células são
interligadas em série. Para alimentar baterias de 12 V, módulos fotovoltaicos devem
gerar aproximadamente 16V devido às perdas e quedas de tensões que ocorrem nos
cabos e diodos de bloqueio (diodos que protegem as células de uma inversão na
corrente (REIS, 2009).
Dessa forma os módulos, utiliza-se em operação, contêm entre 28 e 40 células
de silício cristalino. O dispositivo de filme fino produz voltagem mais alta do que a
forma cristalina, podendo os módulos possuírem menos do que 28 células
(BRONZATTI, 2003).
A primeira é constituída por tais elementos como silício cristalino (c-Si), que se
subdivide em silício monocristalino (m-Si) e silício policristalino (p-Si), representando
85% do mercado, por ser uma tecnologia de melhor eficiência, consolidação e
confiança (CEPEL & CRESESB, 2014).
Figura 07 - Ilustração uma célula de silício monocristalino.
Fonte: CRESESB, (2014)
25
Figura 08 - Célula de silício policristalino
Fonte: CRESESB, (2014)
A segunda, também conhecida por filmes finos, é subdividida em três cadeias:
silício amorfo (a-Si), disseleneto de cobre, índio e gálio (CIGS) e telureto de cádmio
(CdTe). Estas células se diferenciam das de outras tecnologias pela espessura das
lâminas de material semicondutor utilizado em suas estruturas (geralmente na faixa
de 1 µm contra 300 a 400 µm das células de C-Si) (CRESESB, 2014).
Figura 09 - Célula Fotovoltaica de filme fino
Fonte: Lorenzo, (1994)
Se os módulos forem instalados de maneira incorreta a captação da luz solar é
menor. Além disso, eles devem ser instalados na inclinação correta para uma maior
captação da energia solar. Essa maior captação se dá quando os raios solares
incidem perpendicularmente a superfície do módulo fotovoltaico (CABRAL, 2004).
26
3.3 - CARACTERISTICAS DO PAINEL
Segundo Cabral (2004), um painel fotovoltaico é constituído por um conjunto
de células fotovoltaicas ligadas entre si, que, quando conectados, formam um módulo
fotovoltaico. Existem painéis entre a gama dos 10Wp até 140Wp para sistemas
isolados a 12V e 195Wp para sistemas a 24V.
Um painel solar apresenta a forma quadrada ou retangular, com uma área
geralmente compreendida entre 0,1 e 0,5 metros quadrados. Este apresenta também
uma espessura de 3 cm, apresentando um peso entre os 6 e 7 kg (COELHO, 2014).
O desempenho dos módulos fotovoltaicos é influenciado, principalmente, pela
intensidade luminosa na localização dos módulos e temperatura das células. Com o
aumento da temperatura ou diminuição da intensidade luminosa, observa-se uma
redução da eficiência das células” (CABRAL, 2004).
A capacidade de conversão do módulo (ou o valor da máxima potência), bem
como seus parâmetros elétricos, são determinados por testes em condições
padronizadas realizados em laboratório. As condições padrão de teste (ou condições
de referência) são definidas para os valores de 1.000 W/m² de irradiância, 25ºC de
temperatura de célula e coeficiente de massa de ar (AM) de 1,5 (COELHO, 2014).
Os seguidores solares que se classificam quanto ao número de eixos rotativos,
o tipo de estrutura para a sustentação do painel fotovoltaico e o tipo de controle para
o seu movimento, segue as características Tabela 02 (EPIA, 2011).
Tabela 02 - Eficiência típica dos módulos comerciais
Fonte: EPIA (2011).
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Segundo Coelho (2014), um indício de que o uso de células fotovoltaicas para
geração de energia elétrica é eficiente e uma ótima alternativa é de que em
residências e estabelecimentos que possuem tal sistema, a energia elétrica gerado
excedente é injetada na rede elétrica e os responsáveis por ele são bonificados com
descontos ou créditos.
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4 . SISTEMA FOTOVOLTAICO
Para os sistemas de energia térmica solar, o desafio é o de identificar métodos
de bom custo/benefício para a conversão de calor solar em energia térmica estocável
e despachável. Reatores aquecidos por raios solares concentrados em torres
térmicas chegam a exceder os 3.000°C, permitindo a fabricação de energia elétrica
por um ciclo térmico ou a estocagem em um combustível como o hidrogênio
(VILLALVA & GAZOLI, 2013).
Associados a ciclos de estocagem, sejam eles químicos, como com amônio, ou
físicos, como tanques de grande capacidade térmica (sal derretido) ou tanques de ar
comprimido, a energia pode ser fornecida continuamente 24 horas por dia, desafiando
a intermitência solar (VILLALVA & GAZOLI, 2013).
De modo geral, um sistema fotovoltaico é basicamente formado por diversas
células que compõe os módulos geradores, que podem ser interligados em diversas
configurações e o cabeamento elétrico que os ligam (CRESESB, 2014).
Segundo CRESESB (2014), os sistemas fotovoltaicos podem ser classificados,
conforme, em três categorias principais. O uso de cada um desses sistemas
dependerá da aplicação e dos recursos energéticos existentes no local.
Figura 10 - Definições de sistemas fotovoltaicos.
Fonte: Urbanetz, (2010).
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Segundo Nascimento (2014), os sistemas fotovoltaicos consistem basicamente
dos seguintes elementos:
Módulos fotovoltaicos para coleta da radiação solar: São conjuntos de
células fotovoltaicas;
Inversores: equipamentos que convertem a energia gerada em corrente
contínua pelos módulos fotovoltaicos para corrente alternada. Isto faz
com que o sistema seja compatível com as redes de distribuição de
energia e equipamentos elétricos/eletrônicos comumente utilizados para
transformação da corrente contínua gerada pelos módulos para corrente
alternada;
Conjunto de baterias (no caso de um sistema isolado);
Suportes estruturais para orientação espacial dos módulos.
A regulamentação dos créditos de energia foi criada pela Resolução 482 da
ANEEL, (2002), os créditos de energia são válidos por cinco anos, podendo ser
utilizados a qualquer momento neste período. Os créditos são utilizados
automaticamente. Todos os meses em que o consumo de energia for maior que a
geração um crédito será lançado na conta de luz.
Essa energia acumulada e guardada na conta de luz como uma poupança pode
ser utilizada para abater outras o consumo de outras contas de luz. Existem duas
regras para essa compensação em outros imóveis. A primeira é que as contas de luz
estejam no nome da mesma pessoa ou da mesma empresa. A segunda é que os
imóveis sejam atendidos pela mesma concessionária. Não há restrição quanto aos
imóveis estarem em cidades diferentes (URBANETZ, 2010).
4.1 – SISTEMA DE AUTONOMIA (OFF GRID)
Segundo CRESESB (2014), um sistema de energia solar fotovoltaico, é um
modelo em que os componentes de seu kit funcionam de forma a realizar a captação
da energia solar, e sua conversão em eletricidade. A energia produzida pode ser então
utilizada no abastecimento da rede elétrica em larga escala, como acontece em usinas
solares, mas também pode ser gerada em escalas menores, residenciais (energia
solar para utilização doméstica).
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Figura 11 – Características de sistemas isolados
Fonte: CRESESB, (2006)
Segundo Schuch (2011), a iluminação pública poderia ser feita por: um painel
fotovoltaico (PV), que recarrega suas baterias durante o período diurno através do
conversor corrente alternada para corrente contínua (CC-CC). Durante o período
noturno, as baterias fornecem energia para os equipamentos produzindo iluminação.
A autossuficiência energética também é uma forma de segurança. No sistema
off grid, as falhas de energia na rede de serviços públicos, em teoria, não afetam os
sistemas solares fora da rede (LORENZO, 2014).
No entanto, vale lembrar que as baterias têm um alto custo e possuem um limite
de armazenamento de energia. Assim, para não tornar o valor do sistema proibitivo, é
recomendável adquirir um gerador reserva para essas situações (LORENZO, 2014).
Segundo Schuch (2011), dentre os sistemas isolados, possui diversas
configurações possíveis, as mais comuns são:
Carga CC sem armazenamento – A energia elétrica é usada no momento da
geração por equipamento que operam em corrente contínua.
Carga CC com armazenamento – É o caso em que se deseja utilizar
equipamentos elétricos, em corrente contínua, independentemente de haver ou não
geração fotovoltaica simultânea. Para que isto seja possível, a energia elétrica deve
ser armazenada em baterias.
Carga CA sem armazenamento – Da mesma forma como apresentado para o
caso CC, pode-se usar equipamentos que operem em corrente alternada sem o uso
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de baterias, bastando, para tanto, a introdução de um inversor entre o arranjo
fotovoltaico e o equipamento a ser usado.
Carga CA com armazenamento – Para alimentação de equipamentos que
operem em corrente alternada é necessário que se utilize um inversor. Um caso típico
de aplicação destes sistemas é no atendimento de residências isoladas que, por
possuírem um nível de conforto superior àquelas alimentadas em corrente contínua,
permitem o uso de eletrodomésticos convencionais.
4.2 – SISTEMA HÍBRIDO
Sistemas fotovoltaicos associados com outras fontes de energia configuram-se
caracterizando o sistema híbrido. A principal vantagem é fornecer energia elétrica,
armazenada nas baterias, na privação de sol, ou seja, em dias de baixa incidência de
luz, ou até mesmo nenhuma geração (OLIVEIRA, 2002).
No entanto, é identificado como um sistema complexo, já que há necessidade
de interligar diversas alternativas de geração de energia elétrica, como motores à
diesel ou gás, ou por geradores eólicos (OLIVEIRA, 2002).
Figura 12 - Ilustração do sistema híbrido
Fonte: CRESESB (2014)
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São sistemas onde a configuração não se restringe apenas à geração
fotovoltaica. Em outras palavras, são sistemas que, estando isolados da rede elétrica,
existe mais de uma forma de geração de energia, por gerador diesel, turbinas eólicas
e módulos fotovoltaicos (DIEGUES, 2003).
Segundo Cabral (2004), estes sistemas são mais complexos e necessitam de
algum tipo de controle capaz de integrar os vários geradores, de forma a otimizar a
operação para o usuário.
4.3 - SISTEMAS INTERLIGADOS A REDE (ON GRID)
São sistemas que funcionam paralelamente à rede de energia elétrica da
concessionária. De forma resumida, o painel fotovoltaico produz energia elétrica em
corrente contínua (C.C) e, após convertê-la para corrente alternada (C.A), é
introduzida na rede de energia elétrica. Esta conversão só é possível devido a
utilização do inversor de frequência, que realiza a interface entre o painel e a rede
elétrica. (OLIVEIRA, 2002).
Os sistemas ON GRID, possuem diversas características dentre elas, não
possui a necessidade de armazenamento de energia elétrica. Todo a configuração e
circuito elétrico de geração é interligado a inversores, e logo após ligado à rede de
distribuição da concessionária, de modo que esse sistema é um complemento ao
fornecido pela rede pública (RÜTHER, 2004).
Figura 13 - Sistemas conectados à rede
Fonte: CRESESB, (2006).
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Para se projetar um sistema fotovoltaico é necessário se ter um profundo
conhecimento da carga, suas características, perfil ao longo dos dias e meses como
também das características da radiação solar incidente no local. O critério de diversas
variáveis (confiabilidade) ou uma combinação de ambos (OLIVEIRA, 2002).
Segundo Schuch (2011), para aplicações de médio e grande porte, onde os
custos envolvidos são consideráveis, o projeto de um sistema fotovoltaico tem que ser
baseado em métodos de cálculos mais complexos por possuir, onde faz necessário
representar a carga e os níveis de radiação solar.
Na grande maioria das vezes, em base diária, numa representação casada
entra ambos para que se faça um dimensionamento ótimo do sistema, ou seja, ao
menor custo e com níveis de confiabilidade desejados, e também com a finalidade de
medir e acompanhar o desempenho dos sistemas ao longo do tempo (OLIVEIRA,
2002).
A energia fotovoltaica pode ser usada para acionar bombas de água, sistema
de iluminação, unidades de refrigeração em hospitais, além de proporcionar a
comunicação eletrônica (GOLDEMBERG e VILLANUEVA, 2003).
Os consumidores que adotarem esse modelo de produção poderão obter
créditos das concessionárias ao enviarem o excedente da produção de energia para
a rede da empresa, sendo esses créditos válidos no prazo de 36 meses (OLIVEIRA,
2002).
Na modalidade on grid, a rede de distribuição padrão opera como uma espécie
de bateria infinita, armazenando a produção energética extra e garantindo o
fornecimento de energia à propriedade quando não há incidência de raios solares e
nos períodos noturnos.
Segundo Pinto (2010), assim, caso seu sistema pare de gerar eletricidade por
uma razão ou por outra, obtendo acesso à eletricidade disponível na rede padrão, que
funciona como um “backup”. Ao mesmo tempo, auxilia na mitigação da carga máxima
da rede pública. Como resultado, a eficiência do sistema elétrico como um todo
aumenta.
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5. CONSIDERAÇÕES FINAIS
O trabalho de conclusão de curso abordou a geração de energia elétrica
utilizando células fotovoltaicas, assim como descreveu-se a importância da energia solar como fonte renovável para geração de energia elétrica nas residências, discorreu-se a utilização do painel solar fotovoltaico residencial e compreendeu-se o sistema fotovoltaico melhor utilizado em residências.
A energia solar, não necessita ser extraída e nem transportada para o local da geração, próximo à carga, evitando os custos com a transmissão em alta tensão por utilizar células solares, responsáveis pela geração de energia, e um inversor para transformar a tensão e frequência, sem emissão de gases poluentes ou ruídos e com necessidade mínima de manutenção.
Sabe-se que as residências produzindo sua própria energia, o consumidor, faz com que a concessionária não sobrecarregue seu sistema de distribuição elétrica. Isto diminui a demanda sem que haja quedas na distribuição, pois no sistema interligado a rede possuem diversas características dentre elas, não possui a necessidade de armazenamento de energia elétrica. Todo a configuração e circuito elétrico de geração é interligado a inversores, e logo após ligado à rede de distribuição da concessionária, de modo que esse sistema é um complemento ao fornecido pela rede pública.
Além dos benefícios da redução no consumo de energia elétrica e a redução na demanda no horário de ponta do sistema, um indício de que o uso de células fotovoltaicas para geração de energia elétrica é eficiente e uma ótima alternativa é de que em residências e estabelecimentos que possuem tal sistema, a energia elétrica gerado excedente é injetada na rede elétrica e os responsáveis por ele são bonificados com descontos ou créditos.
A economia na conta de energia é um dos principais benefícios da energia solar fotovoltaica, além da valorização do imóvel e a praticamente inexistente manutenção dos painéis solares compõem a série de vantagens e benefícios do uso da energia solar fotovoltaica.
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REFERÊNCIAS
ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica, Atlas de Energia Elétrica do Brasil, 2002. BEZERRA, Arnaldo Moura. Aplicações Térmicas da Energia Solar. João Pessoa: Editora universitária/UFPB, 1979. BRAGA, Benedito. Introdução à engenharia ambiental: O desafio do desenvolvimento sustentável. 2. ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2005. BRONZATTI, Fabricio Luiz: XXVIII ENCONTRO NACIONAL DE ENGENHARIA DE PRODUÇÃO. 2008 CABRAL, Claudia.; Modelagem e simulação de gerador fotovoltaico. 2004, Campinas. CEMIG - COMPANHIA ENERGÉTICA DE MINAS GERAIS. Alternativas Energéticas: uma visão Cemig. Belo Horizonte: CEMIG, 2012. CEPEL – CENTRO DE PESQUISAS DE ENERGIA ELÉTRICA; CRESESB – CENTRO DE REFERÊNCIA PARA ENERGIA SOLAR E EÓLICA SÉRGIO BRITO. Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos. Rio de Janeiro, RJ: Especial 2014. CRESESB. Energia Solar: princípios e aplicações. Rio de Janeiro, 2006. Disponível em:<http://www.cresesb.cepel.br/index.php?link=/tutorial/tutorial_solar.htm>. Acesso em 17 jan. 2019. COMETTA, Emilio. Energia Solar: utilização e empregos práticos. Tradução: Norberto de Paula Lima. São Paulo: Hemus Livraria Editora Limitada, 1978. DIEGUES, Antônio Carlos. Sociedades e comunidades sustentáveis. São Paulo, p. 1, 2003. EPE Empresa de Pesquisa Energética, Nota Técnica DEA 03/11 – Projeção da Demanda de Energia Elétrica, 2011. GUIMARÃES, Alberto; Manual para Engenharia de Sistemas Fotovoltaicos, Ed. Especial, Rio de Janeiro, 2004. HURLEY S. E ARMSTRONG W., Investigating the Effectiveness of Maximum Power Point Tracking for a Solar System, Power Electronics Specialists, 2005. HINRICHS, Roger A.; KLEINBACH, Merlin; DOS REIS, Lineu Belico. Energia e Meio Ambiente. Tradução técnica: Lineu Belico dos Reis, Flávio Maron Vichi, Leonardo Freire Mello. São Paulo: Cengage Learning, 2010.
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FRAIDENRAICH, Naum; LYRA, Francisco. Energia Solar. Fundamentos e tecnologias de conversão heliotermoelétrica e fotovoltaica. Pernambuco: Universitária da UFPE, 1995. GOLDEMBERG, José; VILLANUEVA, Luz Dondero. Energia, Meio ambiente & Desenvolvimento. 2. ed. São Paulo: Edusp, 2003. LORENZO, E., Electricidade Solar: Ingeniaria de los Sistemas Fotovoltaicos. Madri: Editora Artes Gráficas Gala, 1994. OLIVEIRA, SÉRGIO H.F. Geração distribuída de eletricidade: Inserção de edificações fotovoltaicas conectadas à rede no estado de São Paulo. São Paulo, 2002. PINTO, Z. R; Descrição de seguidores solares e sua aplicação em centras fotovoltaicas conectadas à rede, III Congresso Brasileiro de Energia Solar, Belém-PA, 2010. REIS, Edmilson Pedreira dos. Análise do desempenho térmico de um sistema de aquecimento solar utilizando coletor com superfície absorvedora em chapas de forro de PVC. 2009. RÜTHER, Ricardo. Edifícios Solares Fotovoltaicos. Florianópolis, 2004. SCHUCH, L. Sistemas Autônomo de Iluminação Pública de Alta Eficiência Baseado em Energia Solar e Leds. Eletrôn Potên. Campinas, vol. 16, n. 1, p.17-27, fev. 2011. SHAYANI Rafael Amaral. Comparação do Custo entre Energia Solar Fotovoltaica e Fontes Convencionais. V Congresso Brasileiro do Planejamento Energético. Brasília, 2006. URBANETZ, Jair J.; Sistemas fotovoltaicos conectados a redes de distribuição urbana: sua influência na qualidade da energia elétrico e análise dos parâmetros que possam afetar a conectividade; Tese de Doutorado; Programa de Pós graduação em Engenharia Civil, UFSC, Florianópolis, 2010. VILLALVA, Marcelo Gradella, GAZOLI, Jonas Rafael. Energia solar fotovoltaica: conceitos e aplicação. São Paulo: Érica, 2013. WALISIEWICZ, Marek. Energia Alternativa. São Paulo: Publifolha, 2008.