Alimentação de sistemas de Telecomunicações. através da energia solar

Transcrição

1 Alimentação de sistemas de Telecomunicações através da energia solar Marcelo I. Ogura e Paulo Guerra Junior Universidade Presbiteriana Mackenzie Rua Itambé, 45 Prédio 6 Higienópolis São Paulo Brasil mogura@uol.com.br RESUMO Este trabalho demonstra como a energia solar pode ser transformada em energia elétrica através da conversão fotovoltaica. Para isso, são mostradas as diversas tecnologias utilizadas, os equipamentos, os princípios de conversão e armazenamento da energia, além dos tipos de sistemas que podem ser implantados e suas restrições. Também demonstra as principais aplicações da energia fotovoltaica em Telecomunicações e suas vantagens em relação aos outros tipos de geração de energia. Além de comentar o papel da energia solar no cenário energético e seu desenvolvimento no mercado global. 1

2 ABSTRACT This work shows as the solar energy can be transformed in electric power through the photovoltaic conversion. For that, the several used technologies are shown, the equipments, the conversion beginnings and storage of the energy, besides of the types of systems that can be implanted and their restrictions. It also demonstrates the main applications of the photovoltaic energy in Telecommunications and their advantages in relation to the other types of generation of energy. Besides of commenting on the role of the solar energy in the energy scenary and his/her development in the global market. 2

3 1 INTRODUÇÃO Em apenas uma hora, o Sol libera sobre a Terra uma quantidade de energia superior ao consumo global de um ano inteiro. A crescente demanda global por energia e a importância do impacto das políticas energéticas sobre a sociedade e o meio ambiente, criaram a necessidade de se optar por fontes de energia que possam abastecer a humanidade de forma inesgotável e que possam servir de base para o desenvolvimento dos países. A energia solar é a solução para levar a eletricidade a locais onde a rede convencional não chegou ou é fornecida de maneira precária. A energia solar é cada vez mais utilizada, principalmente no meio rural, para iluminação, TV, Telecomunicações, bombeamento de água e eletrificação em geral. Postos de saúde remotos também se beneficiam com a energia solar. Com a utilização de painéis solares é possível abastecer refrigeradores para a conservação de vacinas, prover iluminação e comunicação. Graças à explosão da demanda verificada na última década, existem diversas organizações, grupos de usuários e revistas especializadas na geração independente de energia 1. Inicialmente o desenvolvimento da tecnologia apoiou-se na busca por empresas do setor de Telecomunicações e de fontes de energia para sistemas instalados em localidades remotas. O segundo agente impulsionador foi a corrida espacial. A célula solar era, e continua sendo, o meio mais adequado (menor custo e peso) para fornecer a quantidade de energia necessária para longos períodos de permanência no 3

4 espaço. Outro uso espacial que impulsionou o desenvolvimento das células solares foi o fornecimento de energia para satélites 2. A crise energética de 1973 renovou e ampliou o interesse em aplicações terrestres. Porém, para tornar economicamente viável essa forma de conversão de energia, foi necessário naquele momento, reduzir em até 100 vezes o custo de produção das células solares em relação ao das células usadas em explorações espaciais. Modificou-se, também, o perfil das empresas envolvidas no setor. A geração de energia elétrica através da luz solar, se dá através do uso de captadores, chamados painéis fotovoltaicos. Os painéis são compostos por materiais semicondutores que reagem na presença da luz, deslocando elétrons e, por conseguinte geram corrente elétrica. Não há a necessidade de controle humano, pois funcionam automaticamente. Geram energia na presença da luz e não necessitam da incidência direta da luz solar, interrompendo a geração de energia na falta desta. Isto significa que há geração mesmo em dias nublados, variando o rendimento da geração conforme há maior ou menor intensidade luminosa. A condição de ser modular permite que se calcule a quantidade necessária de painéis para o uso presente, podendo posteriormente ser expandido, reduzido ou transferido conforme uma nova necessidade. 4

5 2 TIPOS DE CÉLULAS TABELA 1 Eficiência conforme o material de fabricação. Eficiência dos módulos Material Laboratório Comercial Silício monocristalino 24% 15% Silício policristalino 18% 14% Silício amorfo (a-si) 15% 8 a 9% Telureto de cádmio (CdTe) 16% 7 a 9% Disseleneto de cobre e índio (CuInSe 2 ) 18% 11% Arsenieto de gálio (GaAs) 28% *** Esta diferença de eficiência entre a célula de laboratório e painéis comerciais, é devida a alguns fatores como perdas de interconexão entre células no painel, área ativa do painel e rendimento do processo produtivo. O a-si apresenta uma característica que a princípio se mostrou uma limitação para esta tecnologia. Painéis de a-si sofrem um decréscimo intrínseco, mas reversível, em sua performance que se estabiliza após um declínio em eficiência de aproximadamente 15 a 20%; é o chamado efeito Staebler-Wronski. Em termos práticos, no entanto, esta diminuição de rendimento é assumida pelo fabricante, que já na especificação do painel inclui a margem de degradação. 5

6 Desta forma, logo que adquirido, um painel solar de a-si apresenta uma performance superior à especificada para o produto. Após aproximadamente um ano em operação é que a performance estabiliza nos níveis da garantia do produto 3. 3 VIDA ÚTIL DO SISTEMA FOTOVOLTAICO Testes práticos e de laboratório demonstram que a vida útil dos módulos fotovoltaicos é superior a 20 anos. Os outros componentes do sistema apresentam vida útil variável: baterias entre 5 a 15 anos, e os componentes eletrônicos em torno de 10 anos 4. 4 ENERGIA FOTOVOLTAICA APLICADA ÀS TELECOMUNICAÇÕES As Telecomunicações, em particular as estações repetidoras de microondas, constituem a aplicação mais antiga da tecnologia fotovoltaica no país. Na sua imensa maioria, as instalações têm estado a cargo de organismos públicos 5. Ao fornecer energia para sistemas de Telecomunicações é preciso estar sempre seguro de sua qualidade. As pessoas não podem ficar sem comunicação por falta de energia. Em locais isolados ou de difícil acesso, os cuidados devem ser redobrados. Existem grandes dificuldades em abastecer os equipamentos de forma confiável e com energia de qualidade. Os sistemas fotovoltaicos de energia são amplamente utilizados em aplicações isoladas onde os consumos de energia elétrica não são muito elevados e onde se necessita confiabilidade e baixo nível de manutenção. Estes sistemas, além de evitar 6

7 a construção de linhas de transmissão de energia, melhoram a confiabilidade das estações ao reduzir as interrupções por defeitos e acidentes na linha elétrica e principalmente por ficarem menos sujeitas aos distúrbios elétricos 6. Os sistemas de Telecomunicações alimentados por energia fotovoltaica são encontrados também em telefonia em locais isolados, estações móveis de Telecomunicações, telemetria, pequenas centrais telefônicas, rádio ou TV VHF/UHF. 4.1 ESTAÇÕES FIXAS As estações repetidoras de Telecomunicações são projetadas para locais remotos e elevados, muitas vezes de difícil acesso. Devido suas características exigirem graus elevados de confiabilidade operacional, a única solução é a construção de uma linha de distribuição conectando-a ao sistema elétrico da região. Esta solução, muitas vezes onerosa considerando as distâncias envolvidas e as condições de acesso, representa um risco para o sistema ao conduzir para dentro da estação os distúrbios causados pelas descargas atmosféricas que incidem normalmente em uma linha elétrica principalmente quando ela está mais exposta e elevada. Neste caso o suprimento energético fica debilitado comprometendo a confiabilidade do sistema energético da região e da própria linha elétrica em si 6. 7

8 Figura 1. Estação repetidora de microondas, rádio ou TV VHF,UHF Como opção os sistemas poderão ser fornecidos com uma ou mais fontes complementares à fonte solar, podendo ser incluídos motogeradores (diesel, gás, gasolina, óleos vegetais, álcool ou outros combustíveis) e aerogeradores para esta geração complementar. Para o projeto e instalação dos sistemas fotovoltaicos é feita uma análise dos requisitos técnicos e energéticos da estação de telecomunicação através de um estudo técnico e de viabilidade, onde são levados em consideração os requisitos da carga, autonomia, nível de confiabilidade necessária e as condições locais de insolação, vento, disponibilidade e custo do combustível, etc. Nesse estudo são dimensionados os equipamentos e é proposta uma configuração otimizada para o sistema. 8

9 O sistema é composto pelos módulos descritos na figura 2. Os módulos fotovoltaicos e os demais geradores de energia enviam a energia gerada para um centro de controle de geração e carga que armazena esta energia em um banco de baterias. A energia armazenada pode ser usada a qualquer momento tanto em corrente contínua, quanto em corrente alternada, mesmo na ausência de Sol ou com os motogeradores desligados 6. Figura 2. Diagrama de blocos para repetidoras de microondas, rádio ou TV UHF/VHF. 4.2 ESTAÇÕES MÓVEIS Os sistemas fotovoltaicos para estações móveis de Telecomunicações são geralmente instalados em veículos do tipo furgão, trabalhando em conjunto com o motor do veículo, sendo, portanto um sistema híbrido. A partir do momento em que o motor do veículo é desligado e o equipamento de Telecomunicações passa a consumir a energia acumulada nas baterias, o sistema fotovoltaico entra em ação realizando sempre que necessário a recarga das baterias. 9

10 Figura 3. Estação móvel de Telecomunicações. 4.3 SATÉLITES Os sistemas fotovoltaicos utilizados em aplicações espaciais são de tecnologia mais sofisticada, devido à necessidade de uma alta taxa de eficiência das 10

11 células fotovoltaicas. O arsenieto de gálio é muito utilizado para este fim, pois oferece maiores taxas de eficiência em relação ao silício. Entretanto, o arsênio e o gálio são elementos de pouca abundância na natureza e muito caros, fazendo com que os processos de fabricação se tornem inviáveis para sua comercialização 7. Figura 4. Satélite de comunicação, sensoreamento, pesquisa,etc. 4.4 TELEFONIA Nas regiões de difícil acesso e em comunidades isoladas onde não há energia elétrica, torna-se praticamente impossível terem a seu alcance um meio de comunicação. Com a aplicação da energia fotovoltaica, esse fato, tornaria a ser realidade. Existem telefones públicos, já em funcionamento, que utilizam a tecnologia fotovoltaica 8. 11

12 Na figura 5 um telefone público em uma jangada que pode atender comunidades de difícil acesso, só possível por meio de embarcações. Figura 5. Jangada com orelhão celular em Maceió. Figura 6. Cabine telefônica celular fotovoltaica. 12

13 A figura 6 mostra o sistema composto por telefone público (a cartão indutivo), placa de energia solar e transceptor celular fixo. O TCP-F (telefone celular público fotovoltaico) resolve a questão da telefonia pública em locais distantes, que pode ser instalado em 24 horas em locais que haja sinal de telefonia celular. É resistente às intempéries e pode ser usado como orelhão, equipamento de comunicação de segurança e meio de comunicação de emergência em rodovias, entre outros 9. 5 PAPEL DA ENERGIA FOTOVOLTAICA NO QUADRO ENERGÉTICO As aplicações da energia solar podem ser divididas em duas modalidades principais: as térmicas e as fotovoltaicas. No nível de tecnologia e escala de produção atual, pode-se afirmar que, na área urbana, as aplicações térmicas podem representar uma boa economia de energia elétrica para o consumidor final, ao passo que a fotovoltaica pode servir como fonte de energia elétrica de emergência, concorrendo, neste caso, com os geradores portáteis. Uma outra situação possível envolve a utilização de um sistema de geração fotovoltaico como uma fonte local de eletricidade conectada em paralelo com a rede elétrica. O consumidor utiliza primariamente a energia gerada localmente pelos painéis fotovoltaicos. Qualquer diferença entre o consumo e a geração local é fornecida ou consumida pela rede de energia, dispensando o uso de baterias. O sistema de geração fotovoltaica junto à outra forma de geração de energia apresenta vantagens específicas 13

14 tanto para o consumidor como para o próprio sistema de energia elétrica, além dos ganhos ambientais associados à fonte de energia renováveis. Do ponto de vista do sistema de energia, as vantagens são a liberação de capacidade de geração e transmissão de energia, o nivelamento da curva de carga, a redução de custos e a descentralização da geração, entre outros. Os sistemas de geração fotovoltaica junto à outra forma de geração de energia vêm recebendo grande atenção em vários países. Projetos como Niewland (complexo residencial de 5000 casas, 1 MW de capacidade de geração fotovoltaica), na Holanda, bem como outros projetos igualmente expressivos nos EUA, Japão e Alemanha, são indicativos da determinação destes países em promover a utilização da energia fotovoltaica em centros urbanos. Nestes países a geração de energia elétrica é essencialmente realizada a partir de usinas termelétricas a carvão, o que aumenta o interesse na energia solar sob o ponto de vista ambiental. No caso do Brasil, a extensão territorial e os níveis elevados de irradiação solar durante todo o ano e em praticamente todo o território nacional, estão entre os principais fatores que justificariam uma política de apoio à geração fotovoltaica com outra fonte de geração de energia

15 Figura 7. Gráfico de comparação do uso da energia Brasil x mundo. Devemos levar em conta se é mais vantajoso estender linhas de transmissão até o local do consumidor ou instalar um sistema fotovoltaico. Além disso, é de grande importância considerar os impactos ambientais causados na geração de energia elétrica convencional. Vários países perceberam que além do custo da energia produzida, principalmente por usinas termelétricas, está em questão a emissão de CO 2 na atmosfera, que provoca uma enorme gama de doenças na população, fazendo com que o governo tenha que investir no tratamento médico da população. No Brasil não ocorre tanto essa preocupação com emissão de poluentes à atmosfera por possuir sua matriz energética baseada em recursos hídricos, conforme mostra a figura 7. Porém não devemos esquecer do impacto ambiental causado pelas regiões de alagamento causados por esse tipo de geração de energia. 15

16 A energia fotovoltaica chega a evitar 0,6 Kg/KWh de CO 2 conectado à rede e 1 Kg/KWh substituindo diesel Figura 8. Emissão de CO 2 no Brasil por setores de consumo de energia em Com o crescimento da demanda de energia, dentre as várias fontes de energia, a nuclear é a única que permanece estável com tendência a decréscimo e as energias renováveis têm tido um crescimento constante. Contudo algumas conseqüências tornaram-se importantes fatores a serem analisadas: Esgotamento, a médio prazo, dos recursos energéticos não renováveis; Impactos ambientais, tanto em termos de emissão de CO 2 com potencial de alteração do equilíbrio do balanço energético do sistema global em relação à mudanças climáticas quanto em termos de resíduos sólidos de difícil absorção pelos mecanismos de regeneração da natureza, ambos com potencial de afetar seriamente as condições de vida no planeta. 16

17 Em termos relativos ao crescimento do Produto Interno Bruto mundial a demanda por energia tem diminuído, indicando um crescimento econômico menos intensivo em energia, mas ainda assim não suficiente para reverter a tendência de crescimento absoluto de consumo. Atualmente existe uma busca de soluções para os problemas energéticos, como fontes renováveis menos agressivas ao meio ambiente, melhores equipamentos transformadores de energia e combate ao desperdício de energia. Todos envolvem um maior conhecimento por parte do utilizador final, dos recursos energéticos e mudanças de comportamento da sociedade. O Brasil é particularmente bem dotado de recursos energéticos renováveis. Além de atualmente ter cerca de 85% de suas necessidades de energia elétrica supridas por hidrelétricas, tem grande potencial de utilização de energia solar (térmica e fotovoltaica), eólica e biomassa CONCLUSÃO A energia solar se mostra uma grande alternativa para geração de energia elétrica, pois nos dias atuais, em que os problemas ambientais se agravam e as matériasprimas se esgotam, torna-se arriscada, a exploração continuada dos combustíveis fósseis e nucleares para sustentar a crescente demanda a que nossa sociedade está habituada. A energia solar é a solução para levar a eletricidade a locais onde a rede convencional não chegou ou é fornecida de maneira precária. Ao longo dos últimos anos, os preços têm se mantido no mesmo patamar e continuam sendo um dos fatores que mais limitam uma difusão mais rápida dessa 17

18 tecnologia. Entretanto, o desenvolvimento dessa tecnologia está melhorando aos poucos a eficiência dos materiais utilizados. As principais aplicações da tecnologia fotovoltaica no Brasil são relativas às Telecomunicações, à eletrificação rural e ao bombeamento de água. As Telecomunicações, em particular as estações repetidoras de microondas, constituem a aplicação mais antiga da tecnologia fotovoltaica no país. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. HELIODINÂMICA, Tecnologia Solar Brasileira, Disponível em:< heliodinamica.com.br/energ.htm>. Acesso em 20 mar CENTRO DE REFERÊNCIA PARA ENERGIA SOLAR E EÓLICA SÉRGIO DE SALVO BRITO CRESESB. Energia SolarFotovoltaica. Palestra realizada na Fundação Getúlio Vargas, Rio de Janeiro, Disponível em: < Acesso em: 25 mar RÜTHER, Ricardo. Panorama atual da utilização da energia solar fotovoltaica e o trabalho do Labsolar nesta áera Trabalho Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, ALDABÓ, Ricardo. Energia Solar. São Paulo: Artliber, FRAIDENRAICH, Naum. Tecnologia Solar no Brasil. Os próximos 20 anos. Pernambuco, [ca. 2000]. Disponível em: < energia2020/papers/paper_ Fraidenraich.pdf>. Acesso em: 20 mar

19 6. CLAMPER SISTEMAS ENERGÉTICOS. SISTEMAS FOTOVOLTAICOS Produtos. [S. l.,199-]. Disponível em: < energetico/fotovol/solartele. htm>. Acesso em: 2 mai PALZ, Wolfgang. Energia solar e fontes alternativas. São Paulo: Hemus, FARIAS, Renato. Energia elétrica para telecomunicações a partir de células fotovoltaicas. Trabalho de conclusão de Curso (Graduação em Engenharia elétrica) Universidade Presbiteriana Mackenzie, São Paulo, OLIVEIRA, Adriana Amâncio de Almeida; GUSMÃO, Claudia de Souza Soares. PRODEEM BENIFICIA COMUNIDADES COM O USO DA ENERGIA SOLAR, edição nº 2, março de [S.l.] Disponível em: < eng.br/boletins/edicao02.htm>. Acesso em: 20 mar SILVA, Selênio Rocha; FILHO, Braz J. Cardoso. O Estado da Arte em Fontes de Energia Alternativa. Revista Planilha, Minas Gerais, ano I, n. 1, p. 7-10, jun Disponível em: < Acesso em: 6 abr SOUZA, Hamilton Moss de; LIMA, Jorge. Usos múltiplos da energia solar no Brasil. São Paulo, Disponível em: < abertura.htm>. Acesso em: 25 mar