UNIVERSIDADE ANHEMBI MORUMBI RAQUEL BARONE DE MELLO BELLONI ALVES ENERGIA SOLAR COMO FONTE ELÉTRICA E DE AQUECIMENTO NO USO RESIDENCIAL

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1 UNIVERSIDADE ANHEMBI MORUMBI RAQUEL BARONE DE MELLO BELLONI ALVES ENERGIA SOLAR COMO FONTE ELÉTRICA E DE AQUECIMENTO NO USO RESIDENCIAL SÃO PAULO 2009

2 2 RAQUEL BARONE DE MELLO BELLONI ALVES ENERGIA SOLAR COMO FONTE ELÉTRICA E DE AQUECIMENTO NO USO RESIDENCIAL Trabalho de Conclusão de Curso apresentado como exigência parcial para a obtenção do título de Graduação do Curso de Engenharia Civil da Universidade Anhembi Morumbi Orientador: Prof. Msc.Carlos Magno Baptista Lopes SÃO PAULO 2009

3 3 RAQUEL BARONE DE MELLO BELLONI ALVES ENERGIA SOLAR COMO FONTE ELÉTRICA E DE AQUECIMENTO NO USO RESIDENCIAL Trabalho de Conclusão de Curso apresentado como exigência parcial para a obtenção do título de Graduação do Curso de Engenharia Civil da Universidade Anhembi Morumbi Trabalho em: de de Prof. Msc.Carlos Magno Baptista Lopes Prof.Antonio Calafiori Neto Comentários:

4 4 AGRADECIMENTOS Primeiramente agradeço a Deus por me conceder condições físicas e emocionais e por colocar pessoas certas em momentos certos em minha vida me proporcionando conhecimento e experiências gratificantes. Agradeço meu marido Alexandre pela paciência nos momentos de stress de época de provas e entregas de trabalhos. Aos meus pais, amigos e familiares que compreenderam minha ausência, me apoiaram e incentivaram até o presente momento. Agradeço meus professores e orientadores por se dedicarem a lerem minhas anotações e se interessarem pelo tema escolhido. Ao professor Sidney, obrigada pelas orientações do começo do meu trabalho de conclusão de curso e sou grata ao professor Carlos Magno por me ajudar a finalizar minhas idéias e me orientar ao término do meu trabalho.

5 5 RESUMO Este trabalho apresenta um estudo sobre a utilização da energia solar como fonte elétrica com a utilização do sistema fotovoltaico onde há captação de energia através de placas solares, transformando-a em energia elétrica para uso residencial principalmente para regiões afastadas do sistema usual brasileiro (hidrelétricas) e também apresenta a utilização de energia solar para aquecimento de água no uso residencial descrevendo um aquecedor solar de baixo custo e que utiliza materiais recicláveis (aquecedor com garrafas PET). A abordagem dá-se pelo fato de que, apesar do consumo de energia ser indispensável para o desenvolvimento humano, é necessário um desenvolvimento sustentável, com a utilização de energia mais limpa e que seja renovável, é o caso da energia solar, que é abundante e tem um grande potencial de desenvolvimento em escala mundial. Palavras Chave: ENERGIA SOLAR, ENERGIA FOTOVOLTAICA, AQUECEDOR SOLAR, ENERGIA RENOVÁVEL

6 6 ABSTRACT This work presents a study about the use of solar energy as power supply with the use of photovoltaic system where there is uptake of energy through solar panels, turning it into electricity for residential use mainly for remote areas of the usual Brazilian system (hydroelectric) and also present the use of solar energy for water heating in residential solar describing a low cost and using recyclable materials (heater with PET bottles). The approach is given by the fact that, that energy consumption is indispensable for human development, is a need for sustainable development, with the use of cleaner energy that is renewable, is the case that solar energy, that is abundant and has a great potential for development worldwide. Key Worlds: SOLAR ENERGY, ENERGY PHOTOVOLTAIC, SOLAR HEATER, RENEWABLE ENERGY

7 7 LISTA DE FIGURAS Figura 1.1: Consumo de energia elétrica por setor no Brasil em Figura 1.2: Participações de diversas fontes de energia no consuma Figura 5.1 Fluxogramadas das aplicações práticas da energia solar Figura 5.2: Variação da radiação solar no Brasil Figura 5.3: Ilustração de um sistema solar de aquecimento de água Figura 5.4: Vista expandida indicando componentes do coletor solar Figura 5.5: Desenho da orientação geográfica do coletor solar Figura 5.6: Desenho do ângulo de inclinação do coletor solar Figura 5.7: Componentes do reservatório térmico Figura 5.8: Vista expandida indicando componentes do boiler Figura 5.9: Sistema de circulação natural Figura 5.10: Sistema de circulação forçada Figura 5.11: Curva de eficiencia térmica Figura 5.12: Sistema de geração fotovoltaica Figura 5.13: Módulos de células fotovoltaicas Figura 5.14: Intalação sobre painéis fotovoltaicos sobre telhado Figura 5.15: Módulos solares em placas de vidro Figura 5.16: Funcionamento residencial para o inversor de corrente Figura 5.17: Casa como usina solar Figura 6.1: Foto aérea da Pousada Flutuante Uacari Figura 6.2: Confecção dos barramentos e caixas auxiliares Figura 6.3: Montagem das caixas auxiliares Figura 6.4: Posicionamento dos painéis fotovoltaicos Figura 6.5: Etapas da instalação dos módulos fotovoltaicos Figura 6.6: Diagrama esquemático de cada sub-gerador Figura 6.7: Configuração do banco de baterias Figura 6.8: Detalhes do banco de baterias e painel de condicionamento Figura 6.9: Diagrama esquemático dos inversores e quadro de distribuição do circuito 1 e Figura 6.10: Diagrama esquemático dos inversores e quadro de distribuição do circuito 3 e

8 8 Figura 6.11: Quadro de distribuição com chaves auxiliares Figura 6.12: Instalação dos medidores de energia e voltímetro digital Figura 6.13: Garrafa PET com a formatação de utilização Figura 6.14: Cortes e dobras das caixas Tetra Park Figura 6.15: Tubos de distanciamento Figura 6.16: Tubos de distanciamento conectando os tubos das colunas Figura 6.17: Colocação das garrasfas PET Figura 6.18: Colocação das caixas Tetra Park Figura 6.19: Configuração dos módulos do coletor Figura 6.20: Tubo de 40mm e 25 mm Figura 6.21: Dreno para retrolavagem periódica do coletor solar Figura 6.22: Configuração final do coletor Figura 6.23: Instalação final do coletor sobre o telhado Figura 6.24: Percentual de altura das furações conforme a altura da caixa d água.. 64

9 9 LISTA DE TABELAS E GRÁFICOS Tabela 1.1 Oferta interna de energia elétrica no Brasil Tabela 6.1: Equipamentos do sistema de produção e consumo de eletricidade Tabela 6.2: Capacidade dos painéis Tabela 6.3: Consumo mensal e diário de eletricidade no módulo central Tabela 6.4: Dados do teste de medição no inverno e verão... 66

10 10 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ABRAVA ANEEL ART BEN BIG CATE CEPEL COHAB CRESESB ELETROBRAS EPE IBGE IDSM IEA IEE ISES Mil tep MME PET Associação Brasileira de Refrigeração, Ar Condicionado, Ventilação e Aquecimento Agencia Nacional de Energia Elétrica Anotação de Responsabilidade Técnica Balanço Energético Nacional Banco de Informações de Geração Centro de Aplicação de Tecnologias Eficientes Centro de Pesquisas de Energia Elétrica Companhia Metropolitana de Habitação Centro de Referencia para Energia Solar e Eólica Sergio de Salvo Brito Centrais Elétricas Brasileiras Empresa de Pesquisa Energética Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística Instituto de Desenvolvimento Sustentável Mamirauá International Energy Agency Instituto de Eletrotécnica e Energia da Universidade de São Paulo International Solar Energy Society Milhões de toneladas equivalentes de petróleo Ministério de Minas e Energia Politereftalato de etileno PNE 2030 Plano Nacional de Energia 2030 PROCEL PVC Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica Policoreto de Vinila

11 11 SABESP USP Companhia de Saneamento Básico do Estado de São Paulo Universidade de São Paulo

12 12 LISTA DE SÍMBOLOS Somatório A Ampére FV Fotovoltaico ha Hectar Hz Hertz J Joule kg Quilograma kj Quilojoules kv Quilovolts kw Quilowatt kwh Quilowatts-hora l litros m² Metro quadrado m³ Metro cúbico m³/s Metro cúbico por segundo MJ Megajoules mm² Milímetro quadrado MW Megawatts MWh Megawatts- hora ºC Grau Celsius s segundos TWh Tera Watts-hora U$S Dólares V Volume V volts V CA Volt de Corrente Alternada V CC Volt de Corrente Contínua W Watts Wh Watts-hora

13 13 SUMÁRIO p. 1. INTRODUÇÃO OBJETIVOS Objetivo Geral Objetivo Específico MÉTODO DE TRABALHO JUSTIFICATIVA ENERGIA SOLAR: PERSPECTIVA, EFICIÊNCIA E SUSTENTABILIDADE Energia solar como fonte de aquecimento Componentes do sistema Coletor Solar Reservatório de água quente Outros componentes do sistema Tipos de circulação Etapas para instalação residencial Vantagens e desvantagens do sistema de aquecimento solar Energia solar como fonte elétrica Componentes do sistema Painéis ou módulos de célular fotovoltaicas Suporte para painéis Controlador de carga de bateria... 41

14 Banco de baterias Inversor de corrente Etapas para instalação residencial Vantagens e desvantagens do sistema fotovoltaico Estudo de Caso Localização Coleta de Dados de Campo Características do local instalado Sistema fotovoltáico Pousada Uacari Sistema de aquecimento solar utilizando garrasfa PET Funcionamento do sistema Pousada Uacari Levantamento dos equipamentos existentes na instalação Composição do sistema fotovoltaico na Pousada Uacari Elaboração de caixas auxiliares Montagem dos geradores fotovoltaicos Montagem do banco de baterias Instalação elétrica predial do bloco central da Pousada Uacari Sistema de aquecimento solar com garrafas PET Composição do Sistema de aquecimento solar com garrafas PET Coletores solar... 57

15 Caixa d água ou reservatório ANÁLISE DOS RESULTADOS Energia fotovoltaica Pousada Uacari Aquecedor solar com garrafa PET CONCLUSÕES Painel fotovoltaico Aquecedor Solar RECOMENDAÇÕES REFERÊNCIAS ANEXO A... 1

16 16 1. INTRODUÇÃO Com as constantes crises e preocupações dos recursos energéticos disponíveis de se tornarem cada vez mais escassos e caros, esses recursos tendem a ser compensados pelo surgimento de outro(s), pois a energia elétrica é indispensável à sobrevivência do ser humano, principalmente para sua evolução, com o intuito de se adaptar ao ambiente em que vive e de atender às suas necessidades. Conforme a 2ª edição do atlas de energia elétrica do Brasil da ANEEL (2005), grande parte dos recursos energéticos do Brasil são obtidos a partir do sistema hidrotérmico de grande porte, com predominância de usinas hidrelétricas que se localizam em regiões pouco desenvolvidas, distantes dos grandes centros consumidores e sujeitos a restrições ambientais. Essa distância geográfica necessita de sistemas de transmissão muito extensos e que não atendem por completo todas as regiões. Devido a isso, se tornam fundamentais o conhecimento da disponibilidade de recursos energéticos, de novas tecnologias e sistemas existentes para o seu aproveitamento e suprimento das necessidades energéticas regionais e setoriais do País. A Tabela 1.1 mostra a oferta interna de energia no Brasil. Tabela 1. 1 Oferta interna de energia elétrica no Brasil Fonte: MME (2008) O Brasil é uma dos países tropicais com intensa irradiação solar, praticamente durante o ano todo, devido à maior parte do seu território se localizar próximo a linha

17 17 do equador. Assim, o potencial de utilização da irradiação solar como fonte alternativa para a energia elétrica e para o aquecimento de água, torna-se viável e sustentável devido sua renovação constante. A energia solar ainda, no Brasil, tem o seu custo alto em relação à fonte hidráulica, mas o uso em pequena escala com baixo custo é uma possibilidade que deve ser estudada e desenvolvida principalmente no uso residencial. A Figura 1.1 evidencia o consumo setorial no Brasil mostrando que o consumo de energia no setor residencial está entre os maiores, perdendo somente para o industrial. Figura 1. 1 Consumo de energia elétrica por setor no Brasil em 2007 Fonte: BEN (2008) Atualmente, no Brasil e no mundo presencia-se um incentivo significativo na utilização da energia solar devido sua disponibilidade no planeta. O governo Brasileiro neste ano como incentivo, estabeleceu o programa habitacional minha casa, minha vida (amplamente divulgado na mídia e com o sistema de financiamento junto a Caixa Econômica Federal que utiliza a energia solar para o aquecimento de água), e também no mundo como Alemanha e Espanha, há incentivos governamentais em isenção de impostos para residências onde há uso de energia solar. Desta mesma forma, há a necessidade de se aproveitar, ao máximo e ao menor custo, o potencial oferecido por essa fonte, tornando-a cada vez mais competitiva para aplicações mais amplas. A Figura 1.2 apresenta o crescimento do grupo outras

18 18 fontes com um crescimento de mais de 100% o que inclui a energia solar que apesar de inexpressível atualmente, mostra uma tendência de crescimento. Figura 1. 2 Participações de diversas fontes de energia no consumo Fonte: IEA (2008) A abordagem da utilização da energia solar tem como foco principal o fator ambiental que é a não modificação do equilíbrio térmico da Terra. Além disso, não há necessidade de uma grande infra-estrutura para instalação, podendo ser uma alternativa para regiões afastadas do Brasil. Segundo a 3ª edição de atlas de energia elétrica do Brasil da ANEEL (2008), o Brasil é um país com cerca de 184 milhões de habitantes, conforme o IBGE, e se destaca como a 5ª nação mais populosa do mundo. Em 2008, quase 95% da população tinha acesso à rede elétrica. De acordo com os dados divulgados no mês de setembro de 2008 pela ANEEL, o país contava com mais de 61,5 milhões de unidades consumidoras em torno de 99% dos municípios brasileiros. Destas, cerca de 90%, são consumidores residenciais. Com base no assunto exposto, torna-se evidente a importância da utilização da energia solar como fonte elétrica e de aquecimento no uso residencial, pois utiliza parte da irradiação disponível como calor ou como eletricidade útil não ocorrendo o aumento ou diminuição líquida do calor. Além disso, estes sistemas são capazes de contribuir para o suprimento de energia elétrica, sem a emissão de gases de efeito estufa ou de gases ácidos, tendo também a vantagem de dispensar a necessidade

19 19 de transporte de combustível ou materiais. Também há a não formação de lagos, evitando a alteração do equilíbrio ecológico local. O presente trabalho tem como principal objetivo a explicação do funcionamento, utilização e aplicação do sistema de placas solares para aquecimento de água e do sistema fotovoltaico na área elétrica residencial com sua passividade em questão de agressão ambiental.

20 20 2. OBJETIVOS Identificar formas alternativas, eficientes e permanentes para utilização da energia solar como fonte elétrica e de aquecimento em residências, com emprego de técnicas desenvolvidas especialmente para utilização de placas de captação de energia solar em ambientes tropicais. 2.1 Objetivo Geral Apresentar a radiação solar como uma fonte de energia renovável, com o aproveitamento desta energia tanto como fonte de calor quanto de luz, tornando-a uma das alternativas energéticas promissoras para os desafios de escassez de recursos e menor agressão ao meio ambiente. Concentrando-se na utilização da energia solar, esse trabalho identificará tecnologias, benefícios ecológicos e conscientes para o uso residencial de fontes elétricas e de aquecimento. 2.2 Objetivo Específico Descrever o sistema de placas instaladas em telhados como captação da energia solar para aquecimento de água e energia elétrica. Esse trabalho de pesquisa mostrará o aproveitamento da energia solar térmica no aquecimento da água para uso em chuveiros e torneiras, e também a energia fotovoltaica para fonte elétrica em aparelhos residenciais comuns. Também serão abordadas as dificuldades, resistências, benefícios e impactos do uso da energia solar.

21 21 3. MÉTODO DE TRABALHO Para atingir os objetivos propostos, o trabalho foi desenvolvido primeiramente utilizando princípios básicos de pesquisas a artigos e publicações técnico-científicas, dissertações e teses, além de pesquisas na internet referente artigos disponibilizados em sites de associações técnicas e entidades científicas. Após um primeiro contato com o tema e com informações suficientes para elaborar um trabalho conciso e de relevância, as pesquisas se intensificaram em busca da atuação de centros de pesquisas brasileiros na conservação e uso eficiente de energia, fontes renováveis, diagnósticos energéticos, geração, transmissão e distribuição de energia elétrica. A avaliação e organização dos dados pesquisados, juntamente com um professor orientador atuante nos processos de construção e pesquisas vinculadas a menor agressão ao meio ambiente, conduziram o trabalho para identificação de significativo e crescente consumo de energia elétrica em edificações. As soluções que podem ser adaptadas à realidade brasileira para utilização da energia solar, o funcionamento eficaz e benefícios dos equipamentos desenvolvidos e o estudo de caso, atingirão os objetivos propostos. Durante o processo de organização de dados, houve uma constante preocupação de mostrar soluções que incorporem os aspectos de eficiência energética e conforto ambiental, bem como técnicas de combate ao desperdício energético. Para o estudo de caso foram pesquisados locais e centro de pesquisas que utilizam de energia solar térmica e fotovoltaica, com entrevistas e coleta de informações. Concluídas as etapas de pesquisas e estudo de caso foi elaborado o relatório técnico que compõe o trabalho de conclusão de curso.

22 22 4 JUSTIFICATIVA A energia solar é abundante, permanente, renovável, não polui e nem prejudica o ecossistema, não emitindo poluentes ao sistema, reduzindo o aquecimento global e o efeito estufa do nosso planeta. O uso da energia solar em habitações é uma alternativa interessante e apresenta um grande potencial de utilização. A geração de energia em pequena escala e descentralizada pode contribuir consideravelmente para a proteção do clima global e, ao mesmo tempo, da qualidade de vida. A energia solar também se apresenta como solução para áreas afastadas e ainda não eletrificadas, especialmente porque há bons índices de insolação em grande parte do território brasileiro. No Brasil a utilização de grandes usinas hidrelétricas para geração de energia, tende alagar áreas extensas, modificando o comportamento e as características dos rios barrados. Com isso a biota e os ecossistemas podem ser alterados. O novo lago pode afetar o comportamento da bacia hidrográfica, micro e macro clima e outros fatores intervenientes. Outros fatores antrópicos e bióticos podem ocasionar mudanças na qualidade da água. A energia solar possui características positivas para o sistema ambiental, pois o sol irradia na Terra um potencial energético extremamente elevado e incomparável a qualquer outro sistema de energia, sendo fonte básica e indispensável para as formas de vida conhecidas, principalmente para os humanos. A utilização dessa forma de energia implica saber captá-la, armazená-la e utilizá-la com a melhor eficiência, sendo assim, necessários os desenvolvimentos tecnológicos, as pesquisas científicas, a capacitação de laboratórios e técnica.

23 23 A energia é fundamental para as atividades econômicas e esta expansão faz com que se busquem eficiências energéticas alternativas exigindo mudança de hábitos para se evitar o esgotamento dos recursos utilizados na produção de energia e impacto no meio ambiente.

24 24 5 ENERGIA SOLAR: PERSPECTIVA, EFICIÊNCIA E SUSTENTABILIDADE A energia solar é uma fonte direta de calor e luz. Uma iluminação solar passiva, somente com uma arquitetura bioclimática, que visa uma construção harmônica de clima, características locais e ocupação, beneficiando-se da luz e do calor solar, já haveria uma considerável redução de utilização de energia elétrica, sem precisar de placas e mecanismos de aproveitamento dessa irradiação incidente e abundante. Conforme a redação do site Ambiente Brasil, para um melhor aproveitamento dessa fonte renovável e tão intensa na Terra, atualmente os processos de utilização se aperfeiçoam para sua melhor eficiência como fonte elétrica e de aquecimento. A Figura 5.1 classifica a utilização da energia solar. Passiva Arquitetura solar Disco Parabólico Heliotérmica Torre central Cilindro parabólico Energia solar Fotovoltaica Geração centralizada autônoma Ativa Conexão a rede elétrica Aquecimento de água Refrigeração Solar térmica Secagem Aquecimento industrial Concentradores Figura 5. 1 Fluxograma das aplicações práticas de energia solar Fonte: PEREIRA et al., modificado (2004) De acordo com a 2ª edição do atlas de energia elétrica do Brasil da ANEEL (2005), entre vários conceitos de eficácia da energia solar, os mais usados atualmente são os de geração fotovoltaica de energia elétrica e de placas térmica para aquecimento de água e ambientes.

25 25 Segundo o primeiro estudo de planejamento integrado dos recursos energéticos efetuado no âmbito do governo brasileiro (PNE 2030, 2007, p.28 apud 3ª edição do atlas de energia elétrica do Brasil, ANEEL, 2008, p.85) reproduz dados do Atlas Solarimétrico do Brasil e mostra que essa radiação varia de 8 a 22 MJ/m² durante o dia, sendo que as menores variações ocorrem nos meses de maio a julho, variando de 8 a 18 MJ/m². Além disso, o Nordeste possui radiação solar equivalente às melhores regiões do mundo nesses parâmetros, como a cidade de Dongola, no deserto do Sudão, e a região de Dagget, no Deserto de Mojave, Califórnia. O que não ocorre com outras localidades afastadas da linha do Equador, como as regiões Sul e Sudeste, onde estão concentradas as maiores indústrias e atividades econômicas do país. A Figura 5.2 ilustra esta variação. Figura 5. 2 Variação da radiação solar no Brasil Fonte: EPE (2007) Vale ressaltar que mesmo as regiões com baixa variação de radiação solar apresentam grandes potenciais de aproveitamento.

26 26 O Brasil é privilegiado em relação à radiação solar, embora a participação do sol na matriz energética nacional seja bem reduzida, o mais utilizado é o de aquecimento de água. De acordo com os dados da ELETROBRÁS/PROCEL atualmente, no Brasil, o aquecimento de água em residências contribui com 1/4 do consumo de energia elétrica e o aquecimento solar destaca-se como uma das alternativas para redução da demanda em horários de pico energético, tendo o seu potencial na substituição da energia elétrica para o aquecimento de água. O Brasil possui hoje uma área instalada de 2 milhões m² de coletores solares, com um mercado que se expande: cerca de 200 mil m² de coletores solares são instalados por ano. Apesar de uma boa mobilização do Brasil para utilização da tecnologia de aquecimento solar de água, principalmente em residências, o custo para aquisição ainda é muito alto tendo um retorno do capital investido somente após alguns anos de utilização do sistema. Porém, se houver uma expansão considerável, que viabilize os desenvolvimentos tecnológicos, além de incentivos fiscais do governo, a tendência é haver uma considerável redução de valores para aquisição. Um exemplo disso, é que recentemente em São Paulo, foi publicado o Decreto , de 21 de janeiro de 2008, que regulamenta a Lei , de 03 de julho de 2007, que dispõe sobre a instalação de sistemas de aquecimento de água por energia solar nas novas edificações do Município de São Paulo. Pelo decreto torna-se obrigatório a instalação do sistema de aquecimento solar de água em novos edifícios residenciais e não-residenciais. Mesmo sendo uma imposição, há uma preocupação em se minimizar o uso de outras energias para fins de aquecimento. Conforme a 2ª edição do atlas de energia elétrica do Brasil da ANEEL (2005), os fatores que têm contribuído para a expansão dessa tecnologia são: investimentos do governo na construção de conjuntos habitacionais e casas populares, como Programa Minha Casa Minha Vida (que prevê a construção de um milhão de casas para famílias com renda de até dez salários mínimos), Projeto Cingapura, Conjuntos Habitacionais SIR e Maria Eugênia (COHAB) em Governador Valadares; financiamentos em bancos para particulares com interesse na instalação de painéis

27 27 solares; e a conscientização e divulgação dos benefícios do uso da energia solar para a própria economia e o meio ambiente. Segundo a Abrava (2001), outro elemento incentivador dessa tecnologia é a Lei n , de 17 de outubro de 2001, que dispõe sobre a Política Nacional de Conservação e Uso Racional de Energia que visa à alocação eficiente de recursos energéticos e a preservação do meio ambiente e também a divulgação da eficiência nas edificações construídas no País. O crescimento médio no setor, que já conta com aproximadamente 140 fabricantes e possui uma taxa histórica de crescimento anual de aproximadamente 35%, foi acima de 50% em Há expectativa de que o Brasil não só utilize a energia solar como fonte de aquecimento, mas que se instalem e cresçam os números de usinas solares principalmente em regiões rurais que se localizam a grandes distâncias das redes de distribuição energética, como exemplo a conversão direta de luz em eletricidade (Efeito Fotovoltaico), podendo citar, a usina solar PS10 na Espanha com capacidade de produzir 11 megawatts (National Geographic, 2009). De acordo com a 3ª edição do atlas de energia elétrica do Brasil da ANEEL (2008), O Programa Luz para Todos, lançado em 2003 pelo Ministério de Minas e Energia, instalou vários sistemas fotovoltaicos no Estado da Bahia, com o objetivo de levar energia elétrica a uma população de cerca de 10 milhões de pessoas que residem no interior do país, ele visa o atendimento das demandas do meio rural através de três tipos de iniciativas: extensão da rede das distribuidoras, sistemas de geração descentralizada com redes isoladas e sistemas de geração individuais. No Banco de Informações de Geração, da ANEEL (2009), só consta uma usina fotovoltaica Araras, no município de Nova Mamoré, Estado de Rondônia, gerando 20,48 kw. Porém não registra qualquer outra usina fotovoltaica a outorgar ou em construção. O que existe no país são pesquisas e implantação de projetos pilotos da tecnologia, como o Laboratório de Energia Solar, localizado no Campus do Vale da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, na cidade de Porto Alegre, Rio Grande do Sul; projeto Sistemas Fotovoltaicos Domiciliares, da Universidade de São Paulo, que instalou 19 sistemas fotovoltaicos na comunidade de São Francisco de Aiuca,

28 28 na Reserva de Desenvolvimento Sustentável Mamiruá, no Amazonas; Casa Solar Eficiente do CEPEL, parte do segmento residencial do CATE e do CRESESB. 5.1 Energia Solar como fonte de aquecimento O sistema de coletores solares para aquecimento de água em residências pode ser feito com placas planas com a existência ou não de dispositivos de concentração da irradiação solar. Seu funcionamento está baseado na captação do calor da incidência solar sobre as placas coletoras, que são instaladas nos telhados das residências, com uma serpentina de cobre interligada a uma superfície com eficiência de absorção de energia luminosa que aquecerá a água que será mantida em um reservatório termicamente isolado (Boiler) com uma temperatura menor que 100º C. Porém, como o sistema não possui 100% de eficiência, é necessária a instalação de um sistema complementar para aquecimento auxiliar nas interligações hidráulicas até o ponto de consumo, que aquecerá a água quando o sistema de aquecimento solar for ineficiente (quando não receber uma boa irradiação solar) ou durante a noite. A Figura 5.3 ilustra o sistema. Para atendimento de uma única residência a instalação necessária é cerca de 4m² de coletor para suprimento de água quente de uma residência típica (três ou quatro moradores). Figura 5. 3 Ilustração de um Sistema Solar de aquecimento de água Fonte: GREEN, M. A. et al. Solar cell efficiency tables: version 16. Progress in Photovoltaics: Research and Ap-plications, Sydney, v. 8, p , 2000 (modificado). EPE (2007)

29 Componentes do sistema Coletor solar O coletor solar é o dispositivo responsável pela captação de energia do sol e sua conversão em calor utilizável, podendo ser planos ou de concentração. A maior parte é fabricada com materiais nobres como alumínio e cobre. A Figura 5.4 ilustra os componentes do coletor solar (CARDOSO, 2008). Figura 5. 4 Vista expandida indicando componentes do coletor solar Fonte: Cardoso (2008) A instalação dos coletores deve atender as normas abaixo: Orientação geográfica, conforme a NBR (ABNT 1992): voltados para o norte geográfico, com desvio gráfico de 30 desta direção, como mostrado na Figura 5.5. Figura 5. 5 Desenho da orientação geográfica do coletor solar Fonte: Fossa (2008)

30 30 Ângulo de inclinação, conforme a NBR (ABNT 1192): Sugere que o ângulo de inclinação deva ser igual ao da latitude do local acrescido de 10, como mostrado na Figura 5.6. Figura 5. 6 Desenho do ângulo de inclinação do coletor solar Fonte: Fossa (2008) Reservatório de água quente Reservatório isolado termicamente que é responsável pelo armazenamento de toda a água quente para consumo do usuário. Normalmente é fabricado de aço inoxidável com uma cobertura de alumínio. A Figura 5.7 mostra os componentes do reservatório e a Figura 5.8 os componentes do Boiler (TÉCHNE, 2008). Figura 5. 7 Componentes do reservatório térmico Fonte: Cardoso (2008)

31 31 Figura 5. 8 Vista expandida indicando componentes boiler Fonte: Cardoso (2008) Outros componentes do sistema Como outros componentes utilizam-se uma fonte auxiliar de energia que em situação decorrente de vários dias sem insolação ou com insolação ineficiente, o aquecedor auxiliar, que utiliza outras fontes de energia, entra em ação para suprir eventuais necessidades. Usualmente são utilizados equipamentos a gás ou elétricos. Para um bom funcionamento e melhor custo é possível a utilização de um sistema híbrido de chuveiro elétrico e aquecedor solar. Neste caso os próprios moradores acionam o chuveiro elétrico quando não há água aquecida e não precisam ter gastos com aquecedores térmicos instalados diretamente no reservatório térmico do aquecedor solar. Há também dispositivos que são sensores controladores de temperatura que impedem a mistura de água fria da caixa d água com a já aquecida no reservatório em dias nublados ou durante a noite e também fazem o acionamento do sistema auxiliar ou não, dependendo da necessidade.

32 Tipos de circulação A circulação pode ser natural ou forçada. Circulação natural (Termosifão), onde a circulação ocorre devido à diferença entre a água fria e a água quente. A água fria, sendo mais densa, acaba empurrando a água quente que é menos densa, realizando a circulação. A Figura 5.9 ilustra o sistema e seus componentes. Figura 5. 9 Sistema de circulação natural Fonte: Fossa (2008) Circulação forçada, onde a circulação da água ocorre com auxilio de uma motobomba instalada no circuito. Esse sistema é adotado de um termosensor, responsável pelo acionamento da bomba. A Figura 5.10 ilustra essa circulação.

33 33 Figura Sistema de circulação forçada Fonte: Fossa (2008) Etapas para instalação residencial Segundo o site da consultora de instalação de aquecedores solares, Agência Energia (2009), a primeira medida para instalação deste tipo de sistema é o anteprojeto, cujo o objetivo é fazer o levantamento das informações do uso da água quente, o local onde o sistema será implantado, os pontos de consumo, demanda de utilização, perfil de consumo, entre outras. Esta etapa é primordial, pois nela é onde o desempenho do sistema será definido e também serão verificadas as condições para instalação e o espaço disponível. O segundo passo será efetuar o projeto executivo, onde será desenvolvido um projeto completo de engenharia contendo todos os detalhes importantes para instalação adequada, operação e futura manutenção do sistema. Nesta etapa será imprescindível a solicitação da ART (Anotação de Responsabilidade Técnica) do responsável pelo projeto. Nessa fase será feito o dimensionamento do aquecedor, calculando-se o volume de água quente necessária através da equação (1) (CARDOSO, 2008):

34 34 Equação (1) Onde: V consumo é o volume do consumo diário em m³; Vu corresponde à vazão do ponto de utilização em m³/s; t é tempo de utilização em segundos; fr é a frequência de uso da peça de consumo De acordo com Cardoso (2008) em matéria publicada à revista TÉCHNE (2008) a partir dessa equação será quantificado o volume de água quente a ser consumido diariamente, sendo que esse volume total corresponde à quantidade de água quente para temperatura de um banho, que está em torno de 36º C e 40º C. Que corresponde a uma parte de água aquecida pelo sol e outra parte proveniente da água fria. Usualmente trabalha-se com os seguintes princípios (CARDOSO, 2008): Duchas: 40l a 60l/ banho; Cozinha: 10l a 15l/ pessoa; Lavatório e ducha higiênica: 3l a 5l/ pessoa; Lavanderia: 10l e 15l/ kg de roupa seca; Após desse dimensionamento, encontra-se ao volume final do reservatório. E em seguida será dimensionada a área necessária para o coletor. Nesse ponto será feito um balanço da energia necessária para o aquecimento do volume dimensionado e a produção específica do coletor. Na equação (2) segue o cálculo apresentado de demanda (CARDOSO, 2008): Equação (2) A demanda energética mensal pode ser definida pela equação (3) (CARDOSO, 2008):

35 35 Equação (3) Onde: DE é a demanda energética mensal, em kwh; V o volume de água quente em m³; p é o peso específico da água, considerando kg/m³; cp é o calor específico da água, 4,18 kj/kgºc; Tp é a temperatura de armazenagem da água quente, em ºC; Tl é a temperatura de água fria, em ºC; A produção específica de energia do coletor pode ser calculada para qualquer condição de clima, desde que atenda as dimensões do coletor solar e a curva de eficiência térmica. A Figura 5.11 apresenta a curva de eficiência. Figura Curva de eficiência térmica Fonte: Cardoso (2008) Após essa etapa será necessário a compra do sistema junto a uma empresa confiável e uma supervisão completa e precisa dos vários itens que compõe a instalação do sistema de aquecimento solar (AGÊNCIA ENERGIA, 2009).

36 Vantagens e desvantagens do sistema de aquecimento solar A maior vantagem deste sistema é que não polui durante o uso e seus componentes para serem fabricados e instalados, não necessitam de constantes manutenções, desta forma evitando gasto de outros produtos. Torna-se economicamente viavel para toda região brasileira, sendo um grande aliado para a economia de energia elétrica especialmente no uso de chuveiros elétricos. Mesmo sendo um sistema que trás benefícios além dos economicos, há desvantagens, como utilização em regiões onde haja variação de incidencia solar, como locais em latitudes média e altas, ou que sofrem com nebulosidade por muitos dias e épocas do ano, fazendo com que percam sua funcionalidade. Também não há rendimento durante a noite, sendo necessário um sistema híbrido (elétrico mais solar) para garantir coonforto aos usuários suprindo uma possivel ineficiencia dos painéis. Mas devido os combustíveis fósseis (carvão, petróleo e gás), e a energia hidrelétrica (água), serem recursos finitos, precisa-se investir em melhores tecnologias e menores custos para uma perfeita eficiencia para utilização das placas solares. 5.2 Energia solar como fonte elétrica O sistema de energia solar fotovoltaico é obtido através da conversão direta de luz em eletricidade (efeito fotovoltaico). Relatado por Edmond Becquerel, em 1839, o sistema fotovoltaico não utiliza calor para produzir eletricidade, mas é o aparecimento de uma diferença de potencial que produz eletricidade diretamente dos elétrons liberados pela interação da luz do sol com certos materiais semicondutores nos extremos de sua estrutura, tal como o silício cristalino na forma de monocristal ou policristal. A célula fotovoltaica é a unidade principal do processo de conversão e o movimento dos elétrons forma eletricidade de corrente direta (NOGUEIRA JR., 2009 e CRESESB, 2000).

37 37 A expansão e aprimoramento desta tecnologia deu-se com o início da corrida espacial, em meados da década de 50, que buscava uma forma alternativa de geração de energia, capaz de suprir os instrumentos de navegação e operação de satélites. No lançamento do satélite Vanguard 1, instalou-se pequenos painéis para testar a conversão da luz solar em energia elétrica. Com isso, em vez de alguns meses de operação, como era previsto, o satélite operou por seis anos (KISS, 2009). Há dois sistemas de utilização. Segundo Dias (2004) há os sistemas que são conectados à rede elétrica que se constituem por dois elementos principais: um deles é o módulo fotovoltaico, ou painel solar, que converte a luz em energia elétrica de corrente contínua (12v) e o outro é o inversor eletrônico que converte a energia em corrente alternada, que é compatível com a rede elétrica da concessionária, que no Brasil opera em freqüência de 60 Hz (todos os componentes são modulares); o outro se pode utilizar baterias para prover um sistema totalmente independente da rede elétrica "off grid" ou de "emergência" para o caso da rede elétrica interromper o serviço de energia elétrica por algum motivo. A Figura 5.12 ilustra o sistema completo de geração fotovoltaica de energia elétrica. Figura Sistema de geração fotovoltaica. Fonte: CRESESB, adaptado (2000)

38 Componentes do sistema Painéis ou módulos de células fotovoltaicas Conforme Dias (2004) os módulos são construídos com materiais resistentes às intempéries e que em sua aparência não sofrem envelhecimento com o decorrer dos anos. Podem ser fabricados com algum aspecto construtivo diferenciado, como a laminação entre vidros; e também há a opção por módulos solares flexíveis, que são fabricados com elementos fotossensíveis depositados sob substratos flexíveis metálicos ou plásticos. A eficiência de conversão é menor que aos módulos rígidos de silício mono ou policristalino (cerca de 8% contra 15%), porém é uma alternativa extremamente interessante para instalações em telhados que não suportariam o peso de módulos rígidos. De acordo com Kiss (2009) diversos semicondutores são utilizados para produção de células fotovoltaicas. O mais tradicional é o silício cristalino como um monocristal ou policristal. Os painéis de silício se encontram geralmente com células da ordem de 300 mícrons, mas há células mais modernas que são fabricadas com apenas 1 mícron, que é o caso das células de silício amorfo hidrogenado, que hoje em dia é o mais viável comercialmente. Há também películas de telureto de cádmio ou disseleneto de cobre e índio que são os mais indicados para fabricação de peças para revestimento de telhas ou entre duas placas de vidros. Conforme a Solarterra (2009) para se obter um condutor com elétrons livres, acrescentam-se porcentagens de outros elementos. Este processo denomina-se dopagem. Mediante a dopagem obtém-se um material com elétrons livres ou materiais com portadores de carga negativa (N). Realizando o mesmo processo, mas acrescentando outro elemento obtém-se um material com características inversas, ou seja, material com cargas positivas livres (P). Cada célula solar compõe-se de uma camada fina de material tipo N e outra com maior espessura de material tipo P, conforme ilustrado na Figura 5.13.

39 39 Figura Módulos de células fotovoltaicas. Fonte: SOLARTERRA (2009) As placas são eletricamente neutras quando separadas, mas ao serem unidas (P-N), gera-se um campo elétrico devido aos elétrons tipo N que ocupam os vazios da estrutura do tipo P. Por meio de um condutor externo, conecta-se a camada negativa à positiva, gerando uma corrente elétrica na conexão, que enquanto a luz continuar a incidir na célula, o fluxo de elétrons se manterá. A intensidade da corrente gerada variará proporcionalmente conforme a intensidade da luz incidente (SOLARTERRA, 2009). Cada módulo fotovoltaico é formado por uma determinada quantidade de células conectadas em série. Este fluxo repete-se até chegar à última célula do módulo, da qual fluem para o acumulador ou a bateria e cada elétron que abandona o módulo é substituído por outro que regressa do acumulador ou da bateria (SOLARTERRA, 2009) Suporte para painéis Segundo Nogueira Jr. (2009), a instalação poderá ser feita com estrutura fixa ou rastreadora "tipo tracking" que segue o movimento do sol. Com a utilização de módulos incorporados à arquitetura o suporte para o painel será de acordo com a sua utilização. Se uso for em fachadas será necessário o emprego de caixilharia especial, com elementos de fixação próprios que devem ser definidos na fase de projeto. Se a opção for colocar os módulos em estruturas de fixação

40 40 sobre os telhados, podem-se utilizar modelos padronizados de fixação de alumínio ao aço galvanizado que será instalado conforme citado na instalação das placas solares para aquecimento de água. A Figura 5.14 ilustra a utilização desses painéis sobre telhado. Figura Instalação de painéis fotovoltaicos sobre telhado. Fonte: Dias (2004) Conforme Dias (2004) a utilização de módulos fotovoltaicos incorporados à arquitetura é uma das áreas que mais crescem no mundo inteiro, inclusive, criou-se, a denominação BIPV (Building Integrated Photovoltaics) para as técnicas desenvolvidas que utilizam a energia solar em projetos de arquitetura com os painéis solares, que além de gerarem energia elétrica, incorporam beleza à construção. A Figura 5.15 ilustra essa utilização.

41 41 Figura Módulos solares em placas de vidro. Fonte: Dias (2004) Controlador de carga de bateria O controlador de carga e descarga interrompe o fornecimento de energia aos painéis fotovoltaicos. É responsável principalmente pela vida útil da bateria evitando sua sobrecarga ou descarga completa. Sua função é monitorar o nível de tensão da bateria e deste principio conectá-la ou não ao módulo solar e habilitar ou não o inversor. De acordo com a Solarterra (2009), existem vários tipos de controladores de carga. O tipo mais simples é onde se envolve uma só etapa de controle, que é onde o controlador monitora constantemente a tensão da bateria de acumuladores, verificando a tensão até alcançar um valor para o qual a bateria se encontre carregada (aproximadamente 14.1 Volts para bateria de chumbo ácido de 12 Volts nominais) o controlado interrompe o processo de carga. Isto pode ser conseguido abrindo o circuito entre os módulos fotovoltaicos e a bateria (controle tipo série) ou curto-circuitando os módulos fotovoltaicos (controle tipo shunt). Quando o há muito consumo e a bateria começa a descarregar-se, o controlador reconecta o gerador à bateria e o ciclo recomeça Banco de baterias As baterias podem ser um componente de um sistema fotovoltaico autônomo (remotos) ou para reserva elétrica de um sistema interligado a rede.

42 42 O bom funcionamento do sistema fotovoltaico também depende do dimensionamento do banco de bateria, pois o sistema pode ser composto por uma ou mais baterias, onde será armazenada de energia eléctrica para uso durante a noite ou em períodos de nebulosidade, quando não há baixa radiação solar. Segundo a Solarterra (2009), uma bateria tem sua tensão determinada pelo seu estado de carga, temperatura, tempo de uso, regime de carga e descarga, entre outros. Esta tensão é imposta a todos os outros elementos que estão ligados a ela, incluindo o módulo fotovoltaico Inversor de corrente O inversor de corrente converte a corrente contínua (12 volts) das baterias em corrente alternada (110 ou 220 volts) que nos parâmetros residenciais servem para utilização em eletrodomésticos que só utilizem a corrente alternada. A Figura 5.16 exemplifica a utilização do inversor de corrente. Figura Funcionamento residencial para o inversor de corrente. Fonte: SOLARTERRA (2009) Conforme Dias (2004) os inversores são dispositivos eletrônicos sofisticados. Possuem a característica de aproveitar o máximo da energia proveniente dos

43 43 módulos solares e podem vir acompanhados de sistemas de monitoração e controle, que fazem as leituras de funcionamento e operação do conjunto de fotovoltaico, podendo saber com exatidão a energia que está sendo gerada no momento ou acumulada num período. Pode-se, ainda, detectar eventuais defeitos ou falhas de operação, sendo tudo é feito de forma automática Etapas para instalação residencial Segundo a apostila do curso de energia solar fotovoltaica da consultoria Solarterra (2009), a primeira medida para instalação é verificar a tensão nominal do sistema, onde se verificará a tensão típica em que operam as cargas para conexão e, além disso, determinar se a referida tensão é alternada ou contínua. Outro dado essencial é a verificação da potencia máxima exigida pela carga e sua variância ao longo do dia, juntamente com seu perfil de utilização. A localização geográfica do sistema é um dos fatores que irão determinar o ângulo de inclinação dos painéis para instalação e seu nível de radiação. Com isso será previsto o número de dias em que diminuirá ou não haverá geração de energia para isso se fazer um adequado dimensionamento das baterias de acumuladores. Para assegurar uma operação correta das cargas deve-se efetuar a escolha e posição de instalação adequada dos condutores e cabos de ligação, tanto daqueles que ligam o gerador solar às baterias como aqueles que interligam com as cargas Vantagens e desvantagens do sistema fotovoltaico A principal vantagem é que o sistema fotovoltaico além de não poluente, a fonte que se utiliza para produção da energia é "inesgotável", que é tudo o que é necessário hoje em dia e para as próximas décadas. Além disto, é gerado energia elétrica (e não térmica), podendo alimentar diretamente os equipamentos.

44 44 Um fator interessante da energia fotovoltaica interligada a rede elétrica é que há alternativa de que a energia não utilizada pode ser vendida a concessionária, transformando as residências em usinas. Conforme Dias (2004) a geração de energia pelos módulos fotovoltaicos faz com que o medidor de energia gire ao contrário, contabilizando ao final do mês quanto efetivamente o usuário terá que pagar de energia elétrica à concessionária. De acordo com Dias (2004) adicionalmente ao fator financeiro de se gerar eletricidade, e compartilhá-la com a concessionária, há o aspecto visual que pode ser explorado incorporando os painéis às fachadas. Um forte aliado ao sistema é que a manutenção é praticamente inexistente. Segundo Dias (2004) os componentes usados são projetados para uma vida longa e útil e não possui peças móveis, o que gera confiabilidade de funcionamento. Também os módulos incorporados em fachadas podem ser limpos como quaisquer vidros utilizados em fachadas. Segundo Kiss (2009) a grande desvantagem no sistema ainda está no custo de implantação de centrais fotovoltaicas, que exige investimentos muito altos, o que resulta numa energia bem mais cara ao consumidor final do que a praticada no Brasil (hidrelétrica), porém evita-se a inundação de cerca de 56 m2 de terra na instalação de hidrelétricas segunda a Abrava (2001). Porém a principal vantagem para o Brasil e que compensaria o alto custo é a de acordo com Dias (2004) poder gerar energia elétrica em locais remotos e de difícil acesso, principalmente em projetos de telecomunicação, eletrificação rural em comunidades afastadas e bombeamento d'água. Há índices que no Brasil existam cerca de 12 milhões de pessoas vivendo sem luz nos mais distantes locais e em centros urbanos que seria ideal a utilização de uma geração de energia elétrica descentralizada como a fotovoltaica. A geração de eletricidade durante a noite pode ser um desafio. De acordo com a reportagem na revista National Geographic, o pesquisador Daniel Nocera, apresenta

45 45 um catalizador que é autorrenovável podendo permitir o uso da água como armazenamento. A casa vira uma usina, diz NOCERA. A Figura 5.17 ilustra o funcionamento desta usina. Figura Casa como usina solar Fonte: Nocera, National Geographic (2009)

46 46 6 ESTUDO DE CASO Para realização do estudo de caso foi estabelecido duas frentes de pesquisa: para o sistema elétrico foi efetuado um estudo a partir de uma comunidade Amazonense que possui dificuldades para acesso a energia elétrica tradicional, e outra para o conhecimento do sistema de aquecimento solar que possui o entrave de custo, para isso foi verificado um estudo de caso com aquecedor solar feito com garrafa PET. 6.1 Localização Para instalação do sistema fotovoltaico: Pousada de Uacari, localizada na reserva Mamirauá, Amazonas, Brasil. Para instalação do sistema de aquecimento solar com garrafa PET: residência do comerciante José Alcino Alano, Tubarão, Santa Catarina, Brasil. 6.2 Coleta de Dados de Campo Características do local instalado Sistema fotovoltaico Pousada Uacari A pousada Uacari é composta por um conjunto de sete estruturas de madeira cobertas com palha, construídas sobre toras de madeira flutuantes no rio. No estudo de caso serão detalhadas as instalações existentes no módulo central da pousada flutuante Uacari. O Amazonas possui clima equatorial, sendo quente e úmido. As temperaturas médias variam entre 26 a 27. Com radiação em média de 16 a 18 MJ/m²/dia. A Pousada foi projetada com mínimo de impacto ambiental possível ao meioambiente com instalações sustentáveis, inclusive com aproveitamento da energia

47 47 solar para eletricidade. É possível verificar o complexo e o bloco central através da Figura 6.1. Figura 6. 1 Foto aérea da Pousada Flutuante Uacari Fonte: IDSM (2008) Sistema de aquecimento solar com garrafa PET Para instalação do sistema de aquecimento solar utilizando garrafas PET na residência do Sr. José Alano, utilizou-se um sistema básico para o aquecimento de água em dois banheiros, com um consumo médio para quatro pessoas em banhos que não ultrapassem 8 minutos que consome em torno de 200 litros d água. A região de Tubarão possui invernos rigorosos e compromete o isolamento térmico, com temperaturas de 22 a 25 C no verão e 13 a 16 C no inverno. Em consequência dessas diferenças entre as estações do ano e a redução da radiação solar no inverno há queda de rendimento do sistema, porém utiliza-se chuveiros elétricos para compensação ou aumento de reservatório térmico para armazenamento e maior quantidade de água para utilização.