GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA ATRAVÉS DA LUZ SOLAR PARA RESIDÊNCIAS

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1 UNIVERSIDADE SÃO FRANCISCO Curso de Engenharia Elétrica ANDERSON PEREIRA DA SILVA GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA ATRAVÉS DA LUZ SOLAR PARA RESIDÊNCIAS Campinas 2010

2 ANDERSON PEREIRA DA SILVA R.A GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA ATRAVÉS DA LUZ SOLAR PARA RESIDÊNCIAS Monografia apresentada ao Curso de Engenharia Elétrica Modalidade Elétrica da Universidade São Francisco, como requisito parcial para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Elétrica. Orientador: Prof. D.r. Geraldo Peres Caixeta Campinas 2010 i

3 ANDERSON PEREIRA DA SILVA GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA ATRAVÉS DA LUZ SOLAR PARA RESIDÊNCIAS Monografia apresentada ao Curso de Engenharia Elétrica Modalidade Elétrica da Universidade São Francisco, como requisito parcial para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Elétrica. Data de aprovação: / / Banca examinadora: Prof. Dr. Geraldo Peres Caixeta (Orientador) Universidade São Francisco Prof. MSc Marcos Antônio Benê Sanches (Examinador) Universidade São Francisco Profa. Dra. Natache do Socorro Dias Arrifano (Examinadora) Universidade São Francisco ii

4 Dedico este trabalho ao meu pai Acacio, pessoa com quem cresci observando, aprendendo virtudes essenciais na vida digna de um homem. iii

5 AGRADECIMENTOS Agradeço a Deus por ter completado mais este ciclo profissional e pessoal, pelas conquistas de tantas vitórias presenteadas com esta vida, agradeço a minha família; a minha mãe Maria pelos vários pedidos de silêncio em casa para que eu pudesse estudar nos finais de semana, o que me ajudou muito por isso jamais esquecerei; aos meus irmãos (Leandro, Vanessa, Elaine) pelo apoio e incentivos necessários a continuar quando tudo parecia difícil e o caminho mais fácil era o de desistir. Agradeço a minha namorada Sara pelo incentivo, e a compreensão dos vários momentos distantes aplicados aos estudos, fazendo com que hoje a conclusão de um sonho fosse possível. Obrigado ao Professor Geraldo Peres Caixeta pela orientação deste trabalho e a todos os professores do curso de Engenharia Elétrica da Universidade São Francisco, que foram fundamentais na formação profissional e pessoal dos formandos do ano de Agradeço também aos colegas de classe, colegas da Universidade, indispensáveis na caminhada de cinco anos de estudos, unindo conhecimentos, discutindo temas, formando opiniões, apoiando um ao outro na conquista deste objetivo, construindo uma relação de amizade e companheirismo na hora dos estudos e também nos momentos de diversão extra classe. iv

6 v O que me assusta não é o grito dos violentos, mas o silêncio dos bons. Benjamin Franklin

7 RESUMO O avanço da tecnologia, com o crescimento anual dos países, está gerando um aumento de consumo de energia que é fundamental para este processo de evolução; porém os recursos estão cada vez mais escassos fazendo com que o homem procure meios que possam sanar a defasagem que já acontece em vários países. Nos tempos de hoje a preservação do meio ambiente e o conceito de crescimento sustentável abre portas para geração de energia através de Fontes Renováveis, obtidas de fontes naturais capazes de se regenerar, consideradas virtualmente inesgotáveis, até então pouco exploradas. Dentre as Fontes Renováveis de Energia está o Sol, fonte de luz que pode ser aproveitada para geração de eletricidade em processos variados de transformação. Este trabalho aborda a geração de energia elétrica através da luz solar para residências, através de sistemas fotovoltaicos, como meio de geração descentralizada alternativa para os problemas de fornecimento que o Brasil deve enfrentar em alguns anos, segundo dados do Plano Nacional de Energia 2030, PNE 2030, (MME, 2009); a geração descentralizada pode fazer com que os consumidores de energia possam ser também fornecedores, conectando seus sistemas isolados na rede elétrica de distribuição local, excluindo a necessidade da criação de grandes sistemas de transmisão e distribuição, consequentemente diminuindo as perdas consideráveis que este sistema oferece, pois a geração está proxima ao ponto de consumo, onde há maior demanda de energia a ser utilizada. Palavras chave: Fontes renováveis. Energia solar. Geração fotovaltaica vi

8 ABSTRACT The advancement of technology, with annual growth of countries, is generating an increased consumption of energy is fundamental to this process of evolution, but resources are increasingly scarce making the man look for ways that can remedy the gap that already happening in many countries. Nowadays to preserve the environment and the concept of sustainable growth open the doors for power generation through renewable sources, obtained from natural sources able to regenerate itself, considered virtually inexhaustible, so far little explored. Among the renewable sources of energy is the sun, source of light that can be harnessed to generate electricity in different processes of transformation. This paper addresses the generation of electricity via sunlight to residential homes through photovoltaic systems as a means of generating alternative for decentralized supply problems that Brazil has to face in a few years, according to the National Energy Plan 2030, PNE 2030 (MME, 2009); Decentralized generation could cause consumers of energy may also be suppliers, connecting isolated systems in their local distribution grid, excluding the need for the creation of large means the transmission and distribution systems, thus reducing the losses that this system offers, for the next generation is the point of consumption where there is greater demand for energy to be used. Keywords: Renewable sources. Solar energy. Generation photovoltaic. vii

9 LISTA DE ILUSTRAÇÕES FIGURA 1 Matriz de energia elétrica no Brasil para o ano de 2009 (% e TWh) FIGURA 2 Diferentes segmentos da tecnologia FV FIGURA 3 Protótipo termo-solar do Laboratório Nacional Sandia, EUA FIGURA 4 Central Solar termo-elétrica PS10 localizada em Sevilha, Espanha FIGURA 5 Efeito fotovoltaico em uma célula FIGURA 6 Célula fotovoltaica e Módulo fotovoltaico FIGURA 7 Painel fotovoltaico FIGURA 8 Curvas elétricas de um dispositivo fotovoltaico FIGURA 9 Tensão e Corrente com variação de radiação em um dispositivo Fotovoltaico FIGURA 10 Variação de tensão com aumento da temperatura FIGURA 11 Curva caracteristica de saida I-V de um modulo fotovoltaico FIGURA 12 Curva caracteristica de potência ao longo do dia FIGURA 13 Diagrama esquemático de sistema fotovoltaico isolado FIGURA 14 Estruturação de mini rede isolada FIGURA 15 Mapa com as comunidades isoladas na Ilha do Cardoso FIGURA 16 Modelo de estrutura de instalação utilizada na Elektro, medidas em milímetros FIGURA 17 Instalação de um sistema fotovoltaico isolado na comunidade de Marujá FIGURA 18 Instalação de um sistema fotovoltaico escolar na comunidade de Marujá FIGURA 19 Diagrama esquemático de sistema fotovoltaico conectado à rede Elétrica FIGURA 20 Central Solar Fotovoltaica de Amareleja (Moura), Portugal FIGURA 21 Exemplo de um sistema fotovoltaico distribuído conectado à rede elétrica FIGURA 22 Esquema de um sistema fotovoltaico residencial conectado à rede elétrica viii

10 Convencional FIGURA 23 Potência acumulada instalada de sistemas fotovoltaicos em países no mundo conectados ou não à rede elétrica, em MW ( ) ix

11 LISTA DE TABELAS TABELA 1 Cargas em corrente contínua TABELA 2 Cargas em corrente alternada TABELA 3 Radiação solar no Brasil em KWh/ m TABELA 3 Radiação solar no Brasil em KWh/ m TABELA 3 Radiação solar no Brasil em KWh/ m TABELA 3 Radiação solar no Brasil em KWh/ m TABELA 3 Radiação solar no Brasil em KWh/ m TABELA 3 Radiação solar no Brasil em KWh/ m TABELA 3 Radiação solar no Brasil em KWh/ m TABELA 4 Demanda em Ah/dia de cada família TABELA 5 Capacidade instalada de sistemas fotovoltaicos e potencial solar na Alemanha, Espanha e Brasil TABELA 6 Tarifas médias de eletricidade no Brasil (2009) TABELA 7 Preço de Kits fotovoltaicos conectados à rede pela Solenerg x

12 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ANEEL Ah Ah/dia CA CC CEPEL CPFL CO 2 CRESESB EFCR ELETROBRAS EPE FRE FV GLD GWp IEA IEA-PVPS INPE KWh/mês KWh/m 2 MJ/m 2 MME MW MWh MWp PNE SFCR SIGFI Agencia Nacional de Energia Eletrica Ampére hora Ampére hora por dia Corrente Alternada Corrente Contínua Centro de Pesquisa de Energia Elétrica Companhia Paulista de Força e Luz Dióxido de Carbono Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental Edificação Fotovoltaica Conectada à Rede Centrais Elétricas Brasileiras S.A Empresa de Pesquisa Energética Fonte Renovável de Energia Fotovoltaico Gerenciamento pelo Lado da Demanda Giga Watt pico International Energy Agency International Energy Agency Photovoltaic Power Systems Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais Kilo Watt hora por mês Kilo Watt hora por metro quadrado Mega Joule por metro quadrado Ministério de Minas e Energia Mega Watt Mega Watt hora Mega Watt pico Plano Nacional de Energia Sistema Fotovoltaico Conectado à Rede Sistemas Individuais de Geração com Fontes Intermitentes xi

13 TWh T&D Vca Vcc Wh Wh/d Wp Tera Watt hora Transmissão e Distribuição Tensão em corrente alternada Tensão em corrente contínua Watt hora Watt hora por dia Watt pico xii

14 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO OBJETIVOS METODOLOGIA A ENERGIA SOLAR A Energia Solar no Brasil PROCESSOS DE CONVERSÃO NA GERAÇÃO DE ELETRICIDADE ATRAVÉS DA ENERGIA SOLAR Conversão Indireta por Concentração de Energia Solar Conversão Direta por Módulos Fotovoltaicos Sistemas Fotovoltaicos Curvas Características dos Módulos Fotovoltaicos Efeito da Intensidade de Radiação Solar no Módulo Fotovoltaico Efeito da Temperatura Interação do Dispositivo Fotovoltaico com a Carga GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA ATRAVÉS DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS ISOLADOS Dados Necessários para Dimensionar um Sistema Isolado Cálculo do Número de Módulos Necessários Cálculo do Banco de Baterias PROGRAMA NACIONAL LUZ PARA TODOS Eletricidade em Comunidades Isoladas Sob Concessão da Elektro S/A Dimensionamento das Instalações GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA ATRAVÉS DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS CONECTADOS À REDE ELETRICA Sistemas Conectados à Rede no Mundo xiii

15 8.2 Sistemas Conectados à Rede no Brasil Preço Médio da Geração Fotovoltaica Conectada à Rede Elétrica Postura da ANEEL Nacionalização de Produtos Fotovoltaicos CONSIDERAÇÕES FINAS REFERÊNCIAS xiv

16 15 1 INTRODUÇÃO Fonte renovável de energia (FRE) são aquelas obtidas de fontes naturais capazes de se regenerar, consideradas virtualmente inesgotáveis, diferentes dos recursos não-renováveis considerados limitados e finitos, as FREs são conhecidas pela imensa quantidade de energia que contêm, podendo ser recuperada facilmente. Dentre elas podemos destacar: A energia Hídrica é aquela que utiliza a força cinética das águas de um rio; a energia Biomassa é proveniente da combustão de produtos e resíduos orgânicos; a energia Eólica é obtida através dos ventos; a energia retirada do Hidrogênio elemento abundante na natureza; a energia Geotérmica proveniente do calor da Terra; a energia Maremotriz e obtida através das ondas de mares e oceanos; a energia Solar adquirida pelo Sol, em sentido amplo, podemos considerar que praticamente toda a energia consumida pelo homem em nosso planeta tem como sua fonte à energia proveniente do sol. Uma das raras exceções a esta regra, são os combustíveis utilizados em fissão e fusão nucleares, bem como parte das energias que podem ser provenientes das marés. O petróleo, bem como o carvão de pedra, o xisto betuminoso, a turfa, a linhita e o gás natural são admitidos como constituídos de resíduos de plantas e animais fossilizados anaerobicamente. Originalmente, portanto, teriam usado a fotossíntese, e consequentemente a energia solar, para se desenvolverem como animais e vegetais vivos, antes de serem acumulados sob a presente forma. As Biomassas, o ciclo Hidrológico, bem como a circulação atmosférica também têm sua principal fonte motora na energia solar. Hoje, somam-se a tudo isso métodos artificiais de sua utilização direta. Destacam-se principalmente os efeitos térmicos e voltaicos da referida energia absorvida por coletores artificiais. Nosso planeta, como absorvedor, permite-nos o aproveitamento contínuo e indireto de várias das formas dessa energia, a exemplo das chuvas que alimentam as barragens, dos ventos em cata ventos, das biomassas nas plantas que garantem nossa sobrevivência, entre outras (SOUZA, 1994). O Brasil detém o terceiro maior potencial hidroelétrico do mundo, explorado até o momento (ANEEL, 2008), ficando atrás apenas da China e da Rússia (CEPEL, 2009). A hidroeletricidade tem peso bem mais significativo na estrutura de oferta de energia elétrica do Brasil do que na estrutura mundial, correspondendo a 77,3% do suprimento energético do país (Figura 1), enquanto que para a média mundial esta parcela é de 16% (MME, 2009; IEA, 2008). Isso faz com que o Brasil apresente uma característica peculiar, que o distingue da

17 16 maioria dos países, que é a de ter os combustíveis fósseis em segunda posição na matriz energética interna. IMPORTAÇÃO 7,8% GÁS INDUSTRIAL 1,4% BIOMASSA 4,7% DERIVADOS DE PETRÓLEO 2,5% CARVÃO MINERAL 1,0% GÁS NATURAL 2,6% NUCLEAR 2,6% HIDRO 77,3% TWh TOTAL 505,8 HIDRO 391,0 GÁS NATURAL 13,3 DER. PETRÓLEO 12,7 NUCLEAR 13,0 CARVÃO 5,2 BIOMASSA 23,9 GÁS INDUSTRIAL 7,1 IMPORTAÇÃO 39,7 Figura 1: Matriz de energia elétrica no Brasil para o ano de 2009 (% e TWh). Em termos mundiais, as fontes de energia primárias mais exploradas são os combustíveis fósseis, como o carvão mineral e o gás, seguidos da hidroeletricidade e das fontes nucleares, num contexto bastante distinto do existente no Brasil. Entretanto, os grandes potenciais hidroelétricos já foram explorados e os restantes nem sempre se viabilizam pela distância aos centros urbanos, um fator que acarreta altos investimentos em linhas de transmissão e distribuição (T&D). Outro fator relevante se deve às questões ambientais associadas à construção das usinas (SALAMONI, 2009). Segundo dados do Plano Nacional de Energia 2030, PNE 2030, (MME, 2009), o consumo de energia elétrica em 2030 poderá se situar entre 950 e TWh/ano, o que exigirá um aumento expressivo na oferta de energia elétrica no Brasil. Mesmo que seja dada prioridade ao uso do potencial hidroelétrico, ainda assim a instalação de 120 mil MW, elevando para 80% o uso desse potencial, poderia não ser suficiente para atender à demanda por energia nesse horizonte (SALAMONI, 2009). Desde o início da sua comercialização, a energia elétrica tem sido fornecida aos consumidores residenciais, comerciais e industriais, através de usinas geradoras centralizadas e complexos sistemas de T&D. Todo o sistema convencional de geração possui inúmeros problemas como impactos ambientais negativos, dependência de combustíveis ou por estarem localizados distantes do ponto de consumo. A estrutura centralizada de geração torna as

18 17 pessoas vulneráveis a blackouts energéticos, além de gerar perdas da T&D por estarem localizadas distantes, aumentando os custos da produção da energia (SALAMONI, 2009). Neste contexto, torna-se fundamental a reestruturação do setor energético e a busca por uma maior diversificação da matriz energética nacional, principalmente através da geração distribuída com base em fontes renováveis de energia. As FRE devem ser analisadas sob um critério de complementação e não de substituição às fontes convencionais. Ou seja, de modo estratégico, elas devem estar entrelaçadas, tentando atender, além do equilíbrio ambiental, a segurança no abastecimento de energia (SALAMONI, 2009). Uma nova estratégia, baseada em dois eixos: geração descentralizada e eficiência energética (desde a geração até o transporte ao usuário final) seria uma alternativa face às dificuldades futuras no suprimento energético do país. Essa estratégia, além de permitir uma maior segurança no abastecimento de energia e de reduzir as perdas na T&D, possibilita uma geração de forma ambientalmente sustentável (SALAMONI, 2009). O Brasil possui uma estrutura energética privilegiada se comparada à de outros países, visto que o seu potencial hidroelétrico e as possibilidades para o uso da biomassa, da energia eólica e da energia solar são bastante grandes. Dada sua localização geográfica, o país é particularmente privilegiado por ter níveis de irradiação solar superiores à maioria das nações desenvolvidas. Essa característica coloca o país em vantagem em relação aos países desenvolvidos, principalmente no que tange à utilização da energia fotovoltaica (FV) (SALAMONI, 2009). Os sistemas FV apresentam duas configurações principais: isolados (ou autônomos) e conectados à rede elétrica. A diferença fundamental entre eles é a existência ou não de um sistema acumulador de energia. Os sistemas autônomos se caracterizam pela necessidade de um banco de acumuladores químicos (baterias), onde a energia gerada pelos módulos solares é armazenada e distribuída aos pontos de consumo. Esse é o tipo de sistema atualmente é competitivo, economicamente, como formas mais convencional de geração, são normalmente utilizados quando o custo de estender a rede elétrica pública for proibitivo, devido à distância ou ao difícil acesso, juntamente à baixa demanda da comunidade a ser atendida. Os sistemas interligados à rede elétrica, por outro lado, dispensam o uso de acumuladores, pois atuam como usinas geradoras de energia elétrica em paralelo às grandes centrais geradoras. Podem ser integrados à edificação sobrepondo ou substituindo elementos de revestimento, portanto, próximos ao ponto de consumo.

19 18 Conforme é observado na Figura 2, os sistemas conectados à rede é a aplicação que mais vêm crescendo nos últimos anos. Essa aplicação, hoje em dia, representa 90% do mercado FV mundial. Figura 2: Diferentes segmentos da tecnologia FV. O sistema integrado junto ao ponto de consumo interliga-se à rede pública, auxiliando na redução do pico de demanda, diminuindo a dependência das fontes convencionais de energia. Além disto, dado o caráter complementar da geração hidroelétrica e solar (chuvas = pouco sol e vice versa) a geração solar FV em grande escala poderia contribuir significativamente para melhor balancear a grande dependência do setor elétrico brasileiro em uma fonte geradora dominante e sazonal como é a geração hidráulica. No Brasil, o uso desta tecnologia de forma integrada à edificação urbana e conectada à rede elétrica ainda é bastante reduzido, havendo até o momento somente algumas aplicações desta modalidade, na sua maioria em campi universitários (SALAMONI, 2009). A energia solar FV revela-se uma fonte promissora, tanto para as áreas distantes e ainda não eletrificadas, como também para os grandes centros urbanos, onde demandas de arcondicionado elevam as curvas de carga, apresentando uma excelente sincronicidade com a geração solar. Quando locados estrategicamente no sistema de distribuição, podem contribuir significativamente para a redução da curva de carga (SALAMONI, 2009). A utilização da energia solar FV interligada à rede elétrica, de forma complementar à hidroeletricidade, pode ser considerada uma grande alternativa para a utilização de medidas de gerenciamento pelo lado da demanda (GLD), principalmente quando alocadas em alimentadores urbanos que estão sobrecarregados. Pequenos geradores solares FV, como

20 19 geração distribuída, podem ser eficientes, confiáveis e simples de implementar. Em algumas áreas, eles podem ser competitivos com a geração convencional e propiciar uma maior confiabilidade no abastecimento de energia, quando comparados com os sistemas convencionais de geração de energia. Em outros casos, ele pode aumentar a capacidade da rede, através da complementaridade de energia, promovendo uma maior performance e eficiência na rede. Dessa forma, a inserção da energia solar FV na matriz energética nacional, de forma complementar, poderia trazer grandes benefícios, tanto ao setor energético, quanto aos setores econômicos e sociais do país (SALAMONI, 2009).

21 20 2 OBJETIVOS O objetivo deste trabalho é demonstrar uma alternativa de geração de energia, com o tema de sustentabilidade muito abordado na atualidade, a Geração de energia elétrica através da luz solar para residências, vem de encontro com essa questão. Muitos países já estão avançados no assunto, como Alemanha, Japão, EUA e Espanha, desenvolvendo programas de incentivo para geração de eletricidade através do sol, conciliando o desenvolvimento com o aproveitamento dos recursos naturais. O Brasil esta começando a seguir os passos dos países bem sucedidos com esse tipo de geração, porém essa é uma questão chave para o desenvolvimento do país, a geração de energia elétrica pela luz solar propõe um sistema novo de geração descentralizado, fazendo com que cada consumidor possa ser um gerador, essa aplicação necessita de uma regulamentação que garanta a qualidade de energia e a segurança na manutenção do setor elétrico. O uso desta tecnologia em casas residenciais deve ser motivado por incentivos fiscais e financeiros, garantindo o acesso a toda população já que o principal entrave é o custo.

22 21 3 METODOLOGIA Esta pesquisa baseou-se em trabalhos, livros e sites abordando um tema atual de sustentabilidade onde países estão enxergando que o crescimento de cada um deve ser respeitando os limites do planeta. Muitos trabalhos acadêmicos estão sendo realizados com o assunto de geração de energia elétrica através do sol. Existem aplicações desta tecnologia que estão sendo utilizadas em diversos países. No Brasil a geração de energia elétrica através do sol figura em aplicações de campos universitários, recursos técnicos e em sistemas individuais de geração de comunidades isoladas, incentivadas pelo programa do governo Luz para Todos, executado pelas concessionárias de distribuição do país.

23 22 4 A ENERGIA SOLAR 4.1 Energia Solar no Brasil A energia solar é uma das alternativas energéticas mais promissoras, pois o sol é fonte de energia renovável, permanente e abundante. Para as áreas afastadas e não eletrificadas, a energia solar é a solução ideal, especialmente no Brasil onde há bons índices de insolação em toda parte do território (PORTAL BRASILEIRO DE ENERGIAS RENOVAVEIS, 2010). Anualmente, o Sol irradia o equivalente a vezes a energia consumida pela população mundial neste mesmo período. O Sol produz continuamente cerca de 390 sextilhões de quilowatts de potência. Para cada metro quadrado de coletor solar instalado evita-se a inundação de 56 metros quadrados de terras férteis, na construção de novas usinas hidrelétricas (PORTAL BRASILEIRO DE ENERGIAS RENOVAVEIS, 2010). Conforme o Atlas Brasileiro de Energia Solar, publicado pelo Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) em 2008, o país recebe mais de horas de insolação por ano, um potencial equivalente a 15 trilhões de MWh. Isso corresponde a 50 mil vezes o consumo nacional de eletricidade. O Brasil é privilegiado em termos de radiação solar. O Plano Nacional de Energia 2030 reproduz dados do Atlas Solarimétrico do Brasil e registra que essa radiação varia de 8 a 22 MJ/m 2 durante o dia, sendo que as menores variações ocorrem nos meses de maio a julho, variando de 8 a 18 MJ/m 2. Além disso, o Nordeste possui irradiação comparável às melhores regiões do mundo nessa variável, como a cidade de Dongola, no deserto do Sudão, e a região de Dagget, no Deserto de Mojave, Califórnia (SALAMONI, 2009). Quanto à geração de energia fotovoltaica há como fazer comparações com outras fontes localizadas, como a Usina de Itaipu, por exemplo. Esta, que por décadas foi a maior usina hidrelétrica do mundo, contribui com cerca de 25% da energia consumida no Brasil, tendo uma potência instalada de 12,6 GW, conforme o Balanço Energético 2002 disponibilizado pela Eletrobrás; segundo o professor da Universidade Federal de Santa Catarina, Ricardo Rüther, PhD em energia solar, se uma área equivalente em tamanho ao lago de Itaipu (1350 km 2 ) fosse coberta com sistema solar fotovoltaico, a potência instalada seria de 94,5 GW. O entrave ainda são os custos. Enquanto, os últimos leilões de energia nova têm

24 23 registrado um valor médio de R$ 130 MW/h nas chamadas fontes convencionais: hidro e térmicas, para as energias renováveis esse valor é bem mais alto (CARBONO BRASIL, 2010).

25 24 5 PROCESSOS DE CONVERSÃO NA GERAÇÃO DE ELETRICIDADE ATRAVÉS DA ENERGIA SOLAR Existem duas técnicas básicas para converter a radiação do sol em energia elétrica útil; conversão direta por transferência de energia radiante aos elétrons de um sólido; e conversão de radiação em calor e, posteriormente, em eletricidade, num processo termodinâmico (PALZ, 2002). A conversão direta da radiação solar é melhor conseguida por fotocélulas que, em resultado de sua importância como fonte principal de energia para os engenhos especiais, já existem como dispositivos de alto desempenho. A conversão indireta de radiação solar pelo calor pode ser conseguida combinando-se qualquer dos dispositivos coletores de calor solar com qualquer dos processos de conversão termodinâmica (PALZ, 2002). 5.1 Conversão Indireta por Concentração de Energia Solar Uma maneira de produzir energia elétrica a partir da energia solar é utilizando a tecnologia de concentração solar, também chamada termossolar. Embora os raios diretos e difusos possam ser coletados por módulos solares e utilizados para aquecer uma residência ou suprir as necessidades de água quente, essa radiação não tem intensidade suficiente para gerar energia. A principal diferença entre a tecnologia fotovoltaica e termossolar é que nesta, a energia do sol é concentrada por meio de dispositivos reflexivos (geralmente painéis de espelhos) que concentram grande quantidade de radiação solar sobre uma pequena área. Essa energia aquece um líquido de trabalho que é usado para alimentar uma turbina convencional para produzir eletricidade (PALZ, 2002), (FIGURA 3).

26 25 Figura 3: Protótipo termo-solar do Laboratório Nacional Sandia, EUA. Estes sistemas de concentração de energia solar a muito tempo vêm sendo usados, principalmente por meio da concentração, com espelhos e lentes, que por sua vez, constituem muitos dos coletores solares concentradores. Tais coletores são normalmente montados em superfícies refletivas, curvas que concentram os raios solares em um foco. Essas superfícies refletoras convergem a radiação solar, incrementando a densidade de energia da área de captação. A depender do tipo de foco que se deseja obter, seja linear ou pontual, recorre-se a superfícies cilindro-parabólicas, ou superfícies semi-esféricas, e parabolóides, respectivamente (PALZ, 2002). Existem ainda os espelhos planos orientados para refletir os raios solares incidentes para um foco estabelecido numa torre captora central, onde o aquecimento de fluido térmico necessário à geração de calor é processado de forma a ser usado na geração termoelétrica; tais espelhos são denominados heliostatos, que são dotados de mecanismo de acompanhamento do Sol, e é provido de movimento em dois eixos de rotação, o que aumenta o grau de liberdade de movimento, propiciando melhor desempenho no posicionamento (PALZ, 2002), (FIGURA 4).

27 26 Figura 4: Central Solar termo-elétrica PS10 localizada em Sevilha, Espanha. A primeira central termo-elétrica PS10, tem capacidade para produzir 23 Gigawatts de eletricidade por ano, quantidade suficiente para abastecer uma localidade de até 10 mil residências. Com essa produção de energia solar, a União Européia deixa de emitir anualmente quase 16 mil toneladas de CO 2 (MARCHIORI, 2010). Uma das principais vantagens do sistema de concentração solar é que sua tecnologia é similar à utilizada nas usinas térmicas convencionais, substituindo o combustível fóssil por energia solar concentrada. Dessa forma, a integração e/ou adaptação dessa tecnologia com sistemas convencionais é muito fácil, tornando-a a alternativa com melhor relação custobenefício (PALZ, 2002). 5.2 Conversão Direta por Módulos Fotovoltaicos Sistemas Fotovoltaicos Em uma básica definição, sistema fotovoltaico é um conjunto integrado de módulos fotovoltaicos e outros componentes, projetado para converter a energia solar em eletricidade (VARELLA, 2009). O princípio físico de funcionamento dos módulos fotovoltaicos é denominado efeito fotovoltaico (foto= luz; volt= eletricidade). Transformando fótons (energia solar) em um fluxo ordenado de elétrons (VARELLA, 2009), (FIGURA 5).

28 27 Figura 5: Efeito fotovoltaico em uma célula. Os módulos são compostos por células fotovoltaicas ligadas em série, conforme a Figura 6, e a conversão da radiação solar em energia elétrica é obtida utilizando-se material semicondutor como elemento transformador, conhecido como célula solar ou célula fotovoltaica (SOLARTERRA, 2010). A tensão nominal do módulo será igual ao produto do número de células que o compõem pela tensão de cada célula (aprox. 0,5 Volt). Geralmente produzem-se módulos formados por 30, 32, 33 e 36 células em série, conforme a aplicação requerida (SOLARTERRA, 2010). Figura 6: Célula fotovoltaica e Módulo fotovoltaico. Procura-se dar ao módulo rigidez na sua estrutura, isolamento elétrico e resistência aos fatores climáticos. Por isso, as células conectadas em série são encapsuladas num plástico elástico (Etilvinilacetato-EVA) que faz também o papel de isolante elétrico, um vidro temperado com baixo conteúdo de ferro, na face voltada para o sol, e uma lamina plástica

29 28 multicamada (Poliéster) na face posterior. Em alguns casos o vidro é substituído por uma lâmina de material plástico transparente (SOLARTERRA, 2010). O módulo tem uma moldura composta de alumínio ou poliuretano e caixas de conexões às quais chegam os terminais positivo e negativo da série de células. Nos bornes das caixas conectam-se os cabos que ligam o módulo ao sistema (SOLARTERRA, 2010). O conjunto de módulos fotovoltaicos ligados em série e/ou paralelo é chamado de painel fotovoltaico, (FIGURA 7). Figura 7: Painel fotovoltaico Normalmente têm garantia de fábrica em torno de 20 a 25 anos quanto à produção de energia elétrica e de 2 anos quanto a defeitos de fabricação (SOLENERG; 2008). Sua vida útil é estimada em 30 anos (ALDABÓ, 2002). A manutenção dos módulos requer basicamente verificar se não há projeção de sombras de objetos próximos em nenhuma parte dos módulos fotovoltaicos, verificação de sujeira em sua superfície e se as ligações elétricas estão bem ajustadas e sem sinais de oxidação (VARELLA, 2009) Curvas Características dos Módulos Fotovoltaicos A representação típica da característica de saída de um dispositivo fotovoltaico (célula, módulo, sistema) denomina-se curva corrente tensão, a corrente de saída mantém-se praticamente constante dentro da amplitude de tensão de funcionamento e, portanto, o dispositivo pode ser considerado uma fonte de corrente constante neste âmbito. A corrente e

30 29 a tensão em que opera o dispositivo fotovoltaico são determinadas pela radiação solar incidente, pela temperatura ambiente, e pelas características da carga conectadas ao mesmo, (SOLARTERRA, 2010), (FIGURA 8). Figura 8: Curvas elétricas de um dispositivo fotovoltaico. Os valores desta curva são, (SOLARTERRA, 2010): Corrente de curto-circuito (Icc): Máxima corrente que pode entregar um dispositivo sob condições determinadas de radiação e temperatura correspondendo a tensão nula e conseqüentemente a potência nula. Tensão de circuito aberto (Vca): Máxima tensão que pode entregar um dispositivo sob condições determinadas de radiação e temperatura correspondendo à circulação de corrente nula e conseqüentemente à potência nula. Potência Pico (Pmp): É o valor máximo de potência que pode entregar o dispositivo. Corresponde ao ponto da curva no qual o produto V x I é máximo. Corrente a máxima potência (Imp): Corrente que entrega o dispositivo a potência máxima sob condições determinadas de radiação e temperatura. É utilizada como corrente nominal do mesmo. Tensão a máxima potência (Vmp): tensão que entrega o dispositivo a potência máxima sob condições determinadas de radiação e temperatura. É utilizada como tensão nominal do mesmo.

31 Efeito da Intensidade de Radiação Solar no Módulo Fotovoltaico O resultado de uma mudança na intensidade de radiação é uma variação na corrente de saída para qualquer valor de tensão. A corrente varia com a radiação de forma diretamente proporcional. A tensão mantém-se praticamente constante, (SOLARTERRA, 2010), (FIGURA 9). Figura 9: Tensão e corrente com variação de radiação em um dispositivo fotovoltaico Efeito da Temperatura O principal efeito provocado pelo aumento da temperatura do módulo é uma redução da tensão de forma diretamente proporcional. Existe um efeito secundário dado por um pequeno incremento da corrente para valores baixos de tensão. Tudo isto está indicado na Figura 10, (SOLARTERRA, 2010).

32 31 Figura 10: Variação de tensão com aumento da temperatura. É por isso que para locais com temperaturas ambientes muito elevadas são adequados módulos que possuam maior quantidade de células em série a fim de que as mesmas tenham suficiente tensão de saída para carregar as baterias (SOLARTERRA, 2010) Interação do Dispositivo Fotovoltaico com a Carga A curva I-V (Corrente Tensão) corrigida para as condições ambientais é só uma parte da informação necessária para saber qual será a característica de saída de um módulo. Outra informação imprescindível é a característica de operação da carga a conectar. É a carga que determina o ponto de funcionamento na curva I-V (SOLARTERRA, 2010). A característica I-V do módulo varia com as condições ambientais (radiação, temperatura). Isto quer dizer que haverá uma família de curvas I-V que nos mostrará as características de saída do módulo durante o dia numa época do ano,como mostrado na figura 11, (SOLARTERRA, 2010).

33 32 Figura 11: Curva caracteristica de saida I-V de um modulo fotovoltaico. A curva de potência máxima de um módulo em função da hora do dia tem a forma indicada no diagrama de carga, mostrado na figura 12. Figura 12: Curva caracteristica de potência ao longo do dia. Existem duas principais categorias de sistemas fotovoltaicos: os sistemas isolados, e os sistemas conectados à rede elétrica. A diferença fundamental entre esses dois tipos de configuração é a existência ou não de um sistema acumulador de energia, ou seja, as baterias (VARELLA, 2009).

34 33 6 GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA ATRAVÉS DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS ISOLADOS Os elementos fundamentais que constituem um sistema fotovoltaico isolado são os módulos fotovoltaicos, bateria, controlador de carga e inversor de corrente elétrica. Esta aplicação hoje se destina à instalações técnicas onde a economia e/ou o acesso ao sistema de transmissão e distribuição é inviável, e está mostrado na figura 13. Figura 13: Diagrama esquemático de sistema fotovoltaico isolado. Basicamente podemos nos deparar com este tipo de projeto em aplicações conforme apresentadas a seguir: Eletrificação de residências rurais ou temporárias; Eletrificação de postos de saúde (conservação de medicamentos e energia para aparelhos médicos); Eletrificação de escolas rurais (iluminação de salas de aula, refrigeração de alimentos e energia para aparelhos de televisão); Bombeamento de água para gado e residências; Telecomunicações (transmissores e repetidores); Telefonia pública e telefones de emergência;

35 34 Satélites; Telemetria; Cercas elétricas; Plataformas de petróleo; Proteção catódica; Sinalização (de estradas, ferrovias, torres); Oxigenação da água de tanques (piscicultura); Purificadores de água; Radares; Quadros de propaganda; Iluminação pública e de pontos de ônibus; Sistemas de alarme; Sensores (de movimento, vazão, etc); Comunicação portátil (militar e civil); Ventilação de estufas; Irrigação; Instrumentação eletrônica; Manutenção de carga de bateria (automóveis, celulares e outros); Eletrificação de veículos de recreio (traillers e motor homes); Campismo; Eletrificação de embarcações; Ventilação de ambientes 6.1 Dados Necessários para Dimensionar um Sistema Isolado O dimensionamento de um sistema isolado leva em consideração o exemplo do Curso de Energia Solar Fotovoltaica (SOLARTERRA, 2010), com as seguintes características. Tensão nominal do sistema: Refere-se à tensão típica em que operam as cargas a conectar. Deve-se, além disso, distinguir se a referida tensão é alternada ou contínua.

36 35 Potência exigida pela carga: A potência que cada carga exige é um dado essencial. Os equipamentos de comunicações requerem potências elevadas quando funcionam em transmissão e isto, muitas vezes, ocorre só durante alguns minutos por dia. Durante o resto do tempo requerem uma pequena potência de manutenção (stand by). Esta diferenciação deve ser levada em conta no dimensionamento do sistema. Horas de utilização das cargas Perfil de Carga: Juntamente com a potência requerida pela carga deverão especificar-se as horas diárias de utilização da referida potência. Multiplicando potência por horas de utilização serão obtidos os Watts hora requeridos pela carga ao fim de um dia. Localização geográfica do sistema (Latitude, Longitude e a altura relação ao nível do mar do sítio da instalação): Dados são necessários para determinar o ângulo de inclinação adequado para o módulo fotovoltaico e o nível de radiação (médio mensal) do lugar. Autonomia prevista: Isto se refere ao número de dias em que se prevê que diminuirá ou não haverá geração e que deverão ser tidos em conta no dimensionamento das baterias de acumuladores. Para sistemas rurais domésticos tomam-se de 3 a 5 dias e para sistemas de comunicações remotos de 7 a 10 dias de autonomia. Logo abaixo o exemplo demonstra o dimensionamento de uma aplicação de um sistema isolado, conforme as Tabelas 1 e 2, mostra-se uma planilha de cálculo para determinar os Watts/hora diários (Wh/dia) de todas as cargas de corrente contínua e alternada que se pretenda alimentar. Tabela 1: Cargas em corrente contínua.

37 36 Tabela 2: Cargas em corrente alternada. Total de Energia em Watts-hora/dia (1 + 2) = 278,5 Wh/d 1) Identificar cada carga de corrente contínua, seu consumo em Watts e a quantidade de horas por dia que deve operar. No exemplo consideraram-se lâmpadas de baixo consumo de 7 e 9W que, com os seus reatores, consomem respectivamente 8,5 e 10W. Considerou-se também um equipamento de rádio onde se identificou seu consumo em transmissão e recepção e também em stand-by. 2) Multiplicar a coluna (A) pela (B) pela (C) para obter os Watts hora / dia de consumo de cada aparelho (coluna [A x B x C]). 3) Somar os Watts hora/dia de cada aparelho para obter os Watts hora/dia totais das cargas em corrente contínua (Subtotal 1). 4) Proceder de igual forma com as cargas em corrente alternada com o acréscimo de 15% de energia adicional para ter em conta o rendimento do inversor (Subtotal 2 ). Para poder escolher o inversor adequado, deve-se ter claro quais são os níveis de tensão do sistema tanto em termos de corrente alternada como de contínua. Por exemplo, se numa habitação rural for instalado um gerador solar em 12 Vcc e se deseja alimentar um televisor a cores que funciona em 110 Vca e que consume 60 W, o inversor será de 12 Vcc a 110 Vca e gerenciará no mínimo 60 W. Se existirem outras cargas de corrente alternada devese somar todas aquelas que se desejarem alimentar de forma simultânea. O resultado da referida soma, mais uma margem de segurança de aproximadamente 15%, determinará a potência do inversor. 5) Obter o valor total de energia = Subtotal 1 + Subtotal 2. 6) Toma-se o valor obtido no ítem anterior e divide-se pela tensão nominal do sistema. Sendo a tensão 12 Vcc então o consumo total será: Consumo Total = / 12 = Ah/dia

38 Cálculo do Número de Módulos Necessários Devem-se conhecer os níveis de radiação solar típicos da região, conforme a Tabela 3 demonstrada a seguir, com as principais cidades do Brasil, as localidades estão em ordem crescente de Latitude. Como já se viu a capacidade de produção dos módulos varia com a radiação. A tabela indica qual é a radiação média em kwh/m 2 dia para cada um dos meses do ano (SOLARTERRA, 2010). Tabela 3: Radiação solar no Brasil em KWh/m 2.

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44 43 Para realizar um cálculo aproximado da quantidade de módulos necessários para uma instalação pode-se proceder da seguinte forma: 1) Calcular o Consumo Total da instalação em Ah.

45 44 2) Determinar em que local se realizará a instalação. 3) Com base nos valores da tabela de radiação identificar qual das cidades mais se aproxima do local de sua instalação. Identificar qual é a radiação média anual desta localidade em kwh/m 2 dia. 4) Multiplicar o valor encontrado pela corrente nominal do módulo solar escolhido. Para isto recorrer à tabela do fabricante do módulo solar. 5) Supondo que a localidade da instalação seja em Teresina e o módulo solar escolhido seja o modelo com corrente nominal de 4.4A, teremos: Geração do Módulo = Radiação x Corrente Nominal = 5.49 x 4.4 = Ah/dia 6) O número de módulos solares para este sistema será: Número de módulos = Consumo Total / Geração Módulo = / = 0.96 = 1 7) Arredonda-se o valor encontrado para um múltiplo inteiro. Portanto um módulo de 4.4 A de corrente nominal é suficiente para esta instalação. 6.3 Cálculo do Banco de Baterias A capacidade do banco de baterias é obtida com a fórmula: Cap.= 1,66 x Dtot x Aut. Onde: 1,66: fator de correção de bateria de acumuladores que leva em conta a profundidade de descarga admitida, o envelhecimento e um fator de temperatura. Dtot: Consumo total de energia da instalação em Ah/dia. Aut: dias de autonomia. No exemplo adotado será: Cap. Bat. = 1.66 x x 5 dias = 192 Ah

46 45 Escolhe-se o modelo de bateria com valor normalizado imediatamente superior ao que resulte deste cálculo. Caso a capacidade encontrada seja superior ao maior modelo comercial disponível então o banco de baterias deverá ser montado com elementos múltiplos ligados em paralelo. Recomenda-se nestes casos que o número de baterias conectadas em paralelo não exceda 6 elementos (SOLARTERRA, 2010).

47 46 7 PROGRAMA NACIONAL LUZ PARA TODOS Com a criação do Programa Nacional de Universalização do Acesso e Uso da Energia Elétrica (Luz Para Todos) foi lançado pelo governo em novembro de 2003 com o desafio de acabar com a exclusão elétrica no país. A meta era levar energia elétrica para mais de 10 milhões de pessoas do meio rural até o ano de 2008, tendo sido atingida em maio de O Programa é coordenado pelo Ministério de Minas e Energia, operacionalizado pela Eletrobrás e executada pelas concessionárias de energia elétrica e cooperativas de eletrificação rural. Dessa forma cada distribuidora de energia deve em sua área de concessão providenciar técnicas para levar eletricidade a comunidades isoladas (ELEKTRO, 2010). O decreto nº 4.873, de 11/11/03, institui LUZ PARA TODOS. (Art 6º prevê sistemas descentralizados onde necessário; prevê também atendimento por meio de micro e mini redes (ELEKTRO, 2010), (FIGURA 14). Figura 14: Estruturação de mini rede isolada A ANEEL editou Resolução Normativa Nº 83 de 20 de setembro de 2004, que estabelece procedimentos e as condições de fornecimento por Sistemas de Geração de Energia com Fontes Intermitentes especificando basicamente: Fornecimento em tensão alternada; 13kWh/mês para cada atendimento (casas isoladas); 30kWh/mês para atendimento a escolas (poder publico);

48 47 2 dias de autonomia; 350W de potência mínima disponibilizada para Sistemas Individuais de Geração de Energia Elétrica com Fontes Intermitentes SIGFI 13 e 600 W para SIGFI 30; Medidor a partir de SIGFI Eletricidade em Comunidades Isoladas Sob Concessão da Elektro S/A A ELEKTRO Eletricidade e Serviços S/A, dentre os planos de expansão dos sistemas de transmissão e distribuição de sua rede elétrica, está à aplicação de sistemas SIGFI (Sistemas Individuais de Geração de Energia Elétrica com Fontes Intermitentes) na região de Itanhaém. Este plano tem por objetivo levar eletricidade para comunidades distantes através da geração fotovoltaica, a Figura 15 representa o deslocamento até duas comunidades de sua área de concessão localizada na Ilha do Cardoso (ELEKTRO, 2010). Figura 15: Mapa com as comunidades isoladas na Ilha do Cardoso.

49 48 Diante do deslocamento da costa continental até a comunidade Cambriú, são aproximadamente 22 km, e da comunidade Cambriú até a comunidade Marujá mais 6 km, dentre essas comunidades estão também a Itacuruça, Foles e Ipanema atendidas pelo programa, todas as comunidades são pertencentes ao município de Cananéia (ELEKTRO, 2010). 7.2 Dimensionamento das Instalações Os sistemas foram dimensionados em função dos dados contidos no edital de licitação, especificações técnicas. A empresa vencedora utilizou como critério de dimensionamento dos sistemas os dados fornecidos no edital para o pior mês, procedimento muito estendido entre as empresas instaladoras que conduz invariavelmente ao sobredimensionamento dos módulos fotovoltaicos. O valor utilizado foi de 2,86 kwh/m 2 dia, para a irradiação diária média mensal no mês de junho em superfície horizontal. De acordo com o edital mencionado, a empresa deveria fornecer um sistema capaz suprir a seguinte demanda, mostrado na tabela 4 (ELEKTRO, 2010). Tabela 4: Demanda em Ah/dia de cada família. A empresa ofertou 3 módulos de 65 Wp, corrente de trabalho de 8,5 A para a associação em paralelo. Considerando o dimensionamento pelo pior mês, isto é, irradiação de 2,86 kwh/m 2 dia em superfície horizontal e, que os módulos estão orientados ao norte com inclinação igual a 30º, obtemos 3,12 kwh/m 2 dia. Tal situação conduz a uma geração, para o pior mês, de 26,52 Ah/dia (ELEKTRO, 2010). Os sistemas de acumulação estão constituídos por uma bateria de 175 Ah. A empresa vencedora utilizou como critério de autonomia, 2 dias consecutivos, isto é, a descarga máxima permitida seria de 35,90 Ah (ELEKTRO, 2010).

50 49 Total (Equipamentos) 3 x módulos solares de 65 Wp. 1 x Controlador de carga de 10 A e 12 Vcc. 1 x Inversor de 350W, 12 Vcc / 120 Vac. 1 x bateria chumbo ácida com capacidade de 175Ah. 1 x estrutura para fixação de 3 módulos fotovoltaicos em poste. 1 x kit de instalação do sistema SIGFI 13. Preço estimado do sistema SIGFI 13(instalado): R$ 5.200,00 ou US$ 2549 (1 US$=R$2,04) Figura 16: Modelo de estrutura de instalação utilizada na Elektro, medidas em milímetros. Figura 17: Instalação de um sistema fotovoltaico isolado na comunidade de Marujá.

51 50 Foi instalado no local dois kits fotovoltaico SIGFI 30, atendendo a necessidade das escolas de Cambriu e Marujá, composto de: 6 x módulos solares de 65 Wp. 1 x Controlador de carga de 20 A e 12 Vcc. 1 x Inversor de 700W, 24 Vcc / 120 Vac. 2 x baterias chumbo ácida com capacidade de 220Ah. 1 x estrutura para fixação de 6 módulos fotovoltaicos em poste. 1 x kit de instalação do sistema SIGFI 30. Preço estimado do sistema SIGFI 30(instalado): R$ ,00 ou US$ 5049 (1 US$=R$2,04) Figura 18: Instalação de um sistema fotovoltaico escolar na comunidade de Marujá. Com esses projetos a Elektro conseguiu atender as necessidades do programa Luz para todos, levando energia elétrica às comunidades isoladas em sua área de concessão.

52 51 8 GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA ATRAVÉS DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS CONECTADOS À REDE ELETRICA A produção de energia elétrica utilizando a energia solar através dos módulos fotovoltaicos, e a sua conexão com a rede elétrica de distribuição, é uma realidade em diversos países e vem crescendo e se consolidando como uma forma limpa de se produzir eletricidade. Os sistemas fotovoltaicos conectados à rede apresentam duas configurações distintas: os sistemas fotovoltaicos distribuídos e os sistemas fotovoltaicos centralizados (VARELLA, 2009). A Figura 19 apresenta um esquema simplificado da configuração de um sistema fotovoltaico conectado à rede elétrica. Os dois principais equipamentos pertencentes ao sistema mencionado são o gerador fotovoltaico e o inversor conectado à rede elétrica que converte a energia elétrica gerada em CC para CA, adequada à conexão na rede de distribuição de energia (VARELLA, 2009). Figura 19: Diagrama esquemático de sistema fotovoltaico conectado à rede elétrica. Os sistemas fotovoltaicos distribuídos, conforme a figura 21, podem ser instalados de forma integrada a uma edificação, no telhado ou na fachada de um prédio e, portanto, junto ao

53 52 ponto de consumo; já os sistemas fotovoltaicos centralizados, mostrado na figura 20, funciona como em uma usina central geradora convencional, normalmente se localizam a certa distância do ponto de consumo. Neste último caso, existe, como na geração centralizada convencional, a necessidade dos complexos sistemas de transmissão e distribuição tradicionais, (VARELLA, 2009). Figura 20: Central Solar Fotovoltaica de Amareleja (Moura), Portugal. No caso dos sistemas distribuídos, algumas vantagens deste tipo de instalação podem ser destacadas, a saber: não requer área extra e pode, portanto, ser utilizada no meio urbano, próximo ao ponto de consumo, o que leva a eliminar perdas por T&D da energia elétrica, como ocorre com usinas geradoras centralizadas, além de não requerer instalações de infraestrutura adicionais; os módulos fotovoltaicos podem ser também considerados como um material de revestimento arquitetônico no caso de instalações em prédios e casas, reduzindo os custos, dando à edificação uma aparência estética inovadora, (VARELLA, 2009).

54 53 Figura 21: Exemplo de um sistema fotovoltaico distribuído conectado à rede elétrica. As edificações fotovoltaicas conectadas à rede (EFCR) são uma das aplicações da tecnologia fotovoltaica. Nesse caso, a faixada ou o teto de uma edificação é utilizada como suporte aos geradores fotovoltaicos. Com a ajuda de um inversor, a energia produzida inicialmente sob tensão e corrente contínuas passa a ser disponibilizada em tensão e corrente alternada, podendo ser diretamente inserida na rede de distribuição de eletricidade ou utilizada em qualquer um dos equipamentos elétricos instalados na edificação. O fato desses sistemas serem conectados à rede elétrica possibilita a não utilização de armazenadores eletroquímicos de energia, diminuindo significativamente o custo financeiro dos sistemas (OLIVEIRA & ZILLES, 2008), (FIGURA 22). Figura 22: Esquema de um sistema fotovoltaico residencial conectado à rede elétrica convencional As edificações fotovoltaicas passam portanto a ser produtoras independentes de energia. Assim, se houver consumo elétrico durante um dia de sol, a edificação passa a utilizar a energia produzida por seu próprio sistema. Se não houver consumo diurno ou este

55 54 for inferior à geração solar fotovoltaica naquele dia, a energia produzida em excesso passa a ser disponibilizada para a companhia distribuidora de eletricidade. Durante a noite, período onde não há geração fotovoltaica de energia, toda a demanda é suprida pela rede elétrica. Dessa forma, o usuário compra uma menor quantidade de energia da rede, diminuindo a carga energética da concessionária. Esses sistemas fornecem, portanto, uma ferramenta a mais para que as concessionárias de energia possam gerir a disponibilidade de energia da cidade (OLIVEIRA & ZILLES, 2008). Existem, no entanto, uma série de dificuldades que as EFCRs terão de enfrentar. Em primeiro lugar, não se tem dados sistemáticos sobre o seu comportamento quando expostos ao clima tropical brasileiro. Em segundo lugar, apesar da legislação do país prever a figura do gerador independente de energia, as relações de compra e venda do produto energia ainda não estão bem definidas. Em terceiro lugar, a energia fotogerada por esses sistemas ainda é cara quando comparada aos valores praticados pelas concessionárias produtoras de eletricidade (OLIVEIRA & ZILLES, 2008). Dificuldades dessa ordem impedem que as edificações fotovoltaicas conectadas à rede sejam consideradas como uma forma complementar de produção de eletricidade. Apesar das dificuldades existentes na implementação de edificações fotovoltaicas, seu uso massivo, em um futuro próximo, requer o estabelecimento de uma regulamentação. Esta regulamentação deverá garantir que o sistema fotovoltaico instalado na edificação não represente um risco para a rede de distribuição de eletricidade ou para quem ocupe o edifício. Além disso, deverá estabelecer os requisitos de qualidade da energia gerada por esses sistemas referentes a, por exemplo, fator de potência, distorções harmônicas etc (OLIVEIRA & ZILLES, 2008). Como a utilização desses sistemas é fato relativamente novo dentro do contexto energético brasileiro, há uma carência de discussões e reflexões que procurem estabelecer parâmetros e condições para a difusão desta tecnologia, particularmente na aplicação em questão (OLIVEIRA & ZILLES, 2008).

56 Sistemas Conectados à Rede no Mundo A década de 90 experimentou um grande crescimento da aplicação de sistemas fotovoltaicos no mundo. A capacidade instalada saltou de 110 MWp em 1993 para 20,4 GWp em 2009 (IEA-PVPS, 2009), mostrado na figura 23, sendo que 93% da capacidade instalada atual concentra-se em quatro países: Alemanha, Japão, EUA e Espanha (JANUZZI, 2009). Os custos em 2006, quando comparados com 1975, são oito vezes menores. Passaram de US$ 30/Wp para US$ 3,75/Wp. Estes custos cairão ainda mais a ponto de tornar a energia gerada pelos Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede (SFCR) competitiva em relação às tarifas praticadas aos consumidores e aos sistemas convencionais de geração de eletricidade. De acordo com a Plataforma Tecnológica Fotovoltaica Européia (European Union, 2007), a energia gerada através de sistemas fotovoltaicos conectados à rede deverá se tornar competitiva na Europa com a tarifa praticada para o consumidor (paridade com a rede) entre 2010 e 2020, e com os custos médios de geração depois de 2030 (JANUZZI, 2009). Dessa forma, os avanços da indústria fotovoltaica e seu crescimento vertiginoso a partir da década de 90 devem-se a políticas públicas implementadas por vários países. Em 2009, os SFRCs foram responsáveis por 94% do total instalado, ou seja, os 6% restantes corresponderam aos sistemas não conectados à rede (JANUZZI, 2009). Figura 23: Potência acumulada instalada de sistemas fotovoltaicos em países no mundo conectados ou não à rede elétrica, em MW ( ).

57 Sistemas Conectados à Rede no Brasil No Brasil, os SFCRs são poucos e de caráter experimental. As principais aplicações da tecnologia solar fotovoltaica no país são relativas à telecomunicação, à eletrificação rural, aos serviços públicos e ao bombeamento de água (JANUZZI, 2009). Estima-se uma potência total instalada de sistemas fotovoltaicos autônomos de cerca de 20 MW, dos quais 70% estão localizados nas Regiões Norte, Nordeste e Centro-Oeste (ZILLES, 2008), e de sistemas conectados à rede de 0,153 MWp (VARELLA, 2009). No entanto, o Brasil possui um grande potencial de irradiação solar, maior do que duas vezes o potencial da Alemanha, país líder de sistemas fotovoltaicos em capacidade instalada, (JANUZZI, 2009), (TABELA 5). Tabela 5: Capacidade instalada de sistemas fotovoltaicos e potencial solar na Alemanha, Espanha e Brasil. Nota: * sistemas fotovoltaicos conectados à rede O custo de geração de sistemas fotovoltaicos conectados à rede no Brasil ainda é bastante elevado se comparado com o custo marginal de expansão do setor elétrico e com as tarifas de eletricidade praticadas aos consumidores. O custo dos SFCRs no Brasil varia de 800 a 900 R$/MWh (Zilles, 2008). Já o custo marginal de expansão do setor elétrico nacional é de US$ 57/MWh (R$ 125,40/MWh) de acordo com o Plano Nacional de Energia 2030 (EPE, 2009). As tarifas médias para os consumidores são apresentadas na Tabela 6 (JANUZZI, 2009). Portanto, o custo dos SFCR s no Brasil é de seis a sete vezes maior do que o custo marginal de expansão e de três a quatro vezes maior do que as tarifas médias de eletricidade (JANUZZI, 2009).

58 57 Tabela 6: Tarifas médias de eletricidade no Brasil (2009) Preço Médio da Geração Fotovoltaica Conectada à Rede Elétrica No mercado atual existem empresas que comercializam kits de geração fotovoltaicos, incluindo os equipamentos que compõem o sistema, logo abaixo é representado na Tabela 7, o valor de uma instalação conforme a potência pré definida pela empresa Solenerg. Tabela 7: Preço de Kits fotovoltaicos conectados à rede pela Solenerg. (1) Estimativa de geração de energia considerando instalação em local sem sombras com painel fotovoltaico voltado para o norte verdadeiro e inclinação otimizada, considerando uma taxa de desempenho total de 75%; (2) Preço apenas do inversor e dos módulos fotovoltaicos - não incluídos os acessórios tais como suportes, fiação e a instalação; (3) Características elétricas medidas nas condições padrão: irradiação de 1 kw/m² e temperatura de 25ºC;