Série Energias Renováveis SOLAR

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1 Série Energias Renováveis SOLAR ISBN

2 Carlos Adriano Rosa Geraldo Lúcio Tiago Filho Série Energias Renováveis SOLAR 1º Edição Organizado por Geraldo Lúcio Tiago Filho Itajubá, 007.

3 Obra publicada com o apoio do Ministério de Minas e Energia e da Fundação de Apoio ao Ensino Pesquisa e Extensão de Itajubá Edição Centro Nacional de Referência em Pequenas Centrais Hidrelétricas Presidente: Ivonice Aires Campos Secretário Executivo: Geraldo Lúcio Tiago Filho Revisão Ângelo Stano Júnior Adriana Barbosa Organização Prof. Dr. Geraldo Lúcio Tiago Filho Colaboração Camila Rocha Galhardo CERPCH - Centro Nacional de Referência em Pequenas Centrais Hidrelétricas Avenida BPS, Bairro Pinheirinho CEP: Itajubá - MG - Brasil Tel: (+55 35) Fax: (+55 35) R710s Ficha catalográfica elaborada pela Biblioteca Mauá - Bibliotecária Margareth Ribeiro - CRB_6/1700 Projeto Gráfico Orange Design Editoração e Arte-Final Adriano Silva Bastos Rosa, Carlos Adriano Solar / Carlos Adriano Rosa e Geraldo Lúcio Tiago Filho ; organizado por Geraldo Lúcio Tiago Filho ; revisão de Ângelo Stano Júnior e Adriana Barbosa ; colaboração Camila Rocha Galhardo ; editoração e arte-final Adriano Silva Bastos. -- Itajubá, MG : FAPEPE, p. : il. -- (Série Energias Renováveis) ISBN: ISBN: Energias renováveis.. Energia solar. I. Título. CDU Sumário 1.0 Introdução.0 Sol, origem de toda a energia.1 Energia hidráulica. Energia de biomassa.3 Energia eólica.4 Energia de origem fóssil 3.0 Aplicações para a energia solar 3.1 Transmissão de calor Condução 3.1. Convecção irradiação 3. Uso direto da energia solar 3.3 Energia termosolar Potencial de energia solar 3.3. Sistema termosolar para aquecimento de água 3.4 Energia solar fotovoltaica Princípio de funcionamento 3.4. Componentes do sistema Tipos de instalação Exemplo de dimensionamento Recomendações de manutenção 4.0 Exemplos de utilização 5.0 Bibliografia

4 Capítulo 1 Capítulo 1 Introdução Durante toda a sua vida, o homem consome energia em tudo o que faz. Seja durante as suas atividades diárias ou mesmo dormindo. Desde o início dos tempos, quando aprendeu a viver em comunidade, o homem tem utilizado os mais diversos tipos de energia para facilitar seu trabalho, tornando-o mais fácil ou mais rápido. Para isto ele se valeu das mais diversas fontes de energia: fogo, água, tração animal, vapor, petróleo, etc. Com o passar do tempo, adquiriu-se conhecimento e técnica e criou-se os mais variados tipos de tecnologia para realizar o trabalho que antes era puramente braçal. Assim, novos inventos e criações surgiram, mas sempre dependentes de algum tipo de energia para o seu funcionamento. Hoje, preocupamo-nos cada vez mais em estudar e descobrir novas fontes de energia, que possam ser utilizadas degradando o mínimo possível o ambiente ao seu redor. Com este tipo de consciência, estudou-se e desenvolveu-se a utilização de energias alternativas dos mais variados tipos, e falar sobre energia sem falar no Sol é o mesmo que falar sobre a Terra sem mencionar nada sobre água. Tudo o que existe no planeta Terra é formado direta ou indiretamente pela energia vinda do Sol. Assim vamos começar nossa conversa falando sobre o astro principal desta história, a estrela do nosso sistema, o astro Sol. Falar sobre o Sol é falar sobre seu lugar no sistema solar. O conjunto de planetas que formam o sistema planetário onde vivemos possui uma estrela, o Sol, e nove planetas que giram, em órbitas diferenciadas entre si, ao seu redor, como mostra a figura 1.1 a seguir. Os nomes dos oito planetas, de acordo com sua proximidade com o Sol, são: Mercúrio, Vênus, Terra, Marte, Júpiter, Saturno, Urano e Netuno. Entre todos os elementos que compõe o sistema solar, o que mais chama a atenção é o Sol, origem de toda a energia existente na Terra. Ele é o ponto central de nosso sistema planetário, e responde por 98% da massa de todo o sistema. Sua camada externa tem uma temperatura de C, e seu aspecto é manchado devido às diversas erupções de energia em sua superfície. Em seu núcleo a temperatura é de C e a pressão é de 340 bilhões de vezes a do ar na Terra ao nível do mar. É neste núcleo que ocorrem as reações de fusão nuclear que dão origem à energia solar. Parte da energia produzida pelo Sol aparece na forma de luz visível. Em função da distância entre o Sol e a Terra, a luz solar demora 8 minutos para alcançar a terra, que fica a cerca de km do sol. 04 Figura 1. Piranômetro Figura Radiômetro Figura 1.1 sistema solar Os cientistas acreditam que o sol deve estar ativo a cerca de 4.6 bilhões de anos, e que ainda deve continuar ativo por mais 5 bilhões de anos. Após este período ele começará a inchar, crescendo tanto que engolirá a Terra e os demais planetas do sistema, se transformando em uma gigante vermelha. Após um bilhão de anos como gigante vermelha, irá subitamente entrar em colapso e se transformará em um tipo de estrela chamada de anã branca. Depois disto poderá levar ainda um trilhão de anos até arrefecer completamente. Enquanto não desaparece, levando todos os planetas do sistema solar consigo, o sol fornece para a terra uma quantidade inesgotável de energia. Em uma hora ele fornece mais energia do que se consome aqui em um ano inteiro. O melhor em tudo isto é que esta energia é gratuita, renovável e não poluente. Para se medir toda esta energia são utilizados aparelhos chamados de solarímetros, piranômetros ou radiômetros, como exibido nas figuras 1. e 1.3. Para medir a potência solar instantânea que incide em um determinado ponto utilizamos à unidade de medida W/m (medida de potência / medida de área). Caso seja necessário medir a energia neste ponto ao longo de um dia uti- 05

5 lizamos a unidade de medida kwh/m dia (energia/área x dia). A partir destas unidades ou- tras podem ser utilizadas para este tipo de medida, como por exemplo, J/ m, cal/cm. Capítulo Capítulo Sol, Origem de Toda a Energia No caso do Brasil, em média, a energia incidente varia entre 4kWh/m dia e 5kWh/ m dia. Se for necessária uma quantidade maior ou mais detalhada de dados, estes podem ser encontrados na internet em páginas sobre o assunto. Um exemplo de onde encontrar estes dados é a página do Centro de Referência Para a Energia Solar e Eólica Sérgio de Salvo Brito-CRESESB ( www. cresesb.cepel.br), onde é possível encontrar o programa para computadores chamado Sundata que pode ser utilizado para calcular a radiação solar no Brasil. Já a Universidade Federal de Santa Catarina possui a página que disponibiliza um Atlas solarímetro, com dados baseados em leituras de satélites. Um Atlas solarímetro do Brasil também pode ser encontrado na página da Agência Nacional de Energia Elétrica - ANEEL, ( gov.br). Anotações: Aqui na terra nós aproveitamos a energia solar de diferentes modos. Todas as fontes de energia renováveis que utilizamos dependem direta ou indiretamente da energia solar. São elas: Energia solar para aquecimento, Energia solar para geração de energia elétrica Energia hidráulica (depende das chuvas, que dependem do calor do Sol). Energia de biomassa (originada das plantas que precisam da luz do Sol) Energia eólica (originada dos ventos que são formados pelo calor do Sol. Além disso, as principais fontes de energia atuais, que são o petróleo e o carvão, são uma fonte energética que indiretamente depende do sol, pois são formados por restos de plantas e animais que morreram há milhões de anos atrás, mas que, quando viveram, absorveram sua energia da luz do Sol..1 Energia hidráulica A figura.1 mostra de forma esquemática o fenômeno mais importante quando falamos de energia hidráulica: o ciclo da água. A formação de rios e lagos se dá através das chuvas, neves e granizos que tem sua origem no vapor de água resultante da evaporação da água por incidência dos raios solares. A transferência de água da superfície do Globo para a atmosfera, sob a forma de vapor, acontece por evaporação direta, por transpiração das plantas e dos animais e por sublimação (passagem direta da água da fase sólida para a de vapor). A quantidade de água mobilizada pela sublimação no ciclo hidrológico é insignificante perante a que é envolvida na evaporação e na transpiração, cujo processo conjunto chamamos de evapotranspiração. A energia solar é a fonte da energia térmica necessária para a passagem da água das fases líquida e sólida para a fase do vapor, e é também a origem das circulações atmosféricas que transportam vapor de água e deslocam as nuvens. As chuvas resultantes desse processo é que mantêm a água circulando nos rios. Esse movimento da água possui energia, que é a chamada energia hidráulica. Nas centrais hidrelétricas a energia hidráulica é convertida em energia elétrica, através dos chamados hidrogeradores. No Brasil mais de 80% do total de energia elétrica gerada provém das centrais hidrelétricas

6 .3 Energia eólica preciptação CICLO DA ÁGUA transpiração vento A energia eólica é útil de muitos modos. Sua utilização vai alem de seu uso para navegação, como mostrado na figura.3 a seguir. A energia eólica é proveniente dos ventos, e como o sol é diretamente responsável pela produção dos ventos, a energia eólica pode ser considerada como uma das formas de manifestação da energia do Sol. vento respiração e transpiração evaporação Uma estimativa da energia total disponível nos ventos ao redor do planeta pode ser feita a partir da hipótese de que aproximadamente % da energia solar absorvida pela Terra é convertida em energia cinética dos ventos. Este percentual, embora pareça pequeno, representa centena de vezes a potência atual instalada nas centrais elétricas do mundo. Figura.3 Energia eólica na navegação.4 Energia de origem fóssil infiltração A figura.4 ao lado caracteriza bem algumas variedades da biomassa utilizada na formação dos combustíveis fósseis. Existem três grandes tipos de combustíveis fósseis: o carvão, o petróleo e o gás natural. Os três foram formados há milhões de anos atrás, motivo pelo qual recebem esse nome, uma alusão aos fósseis de dinossauros, mortos há milhões de anos. Os combustíveis fósseis são resultado de um processo de decomposição das plantas e dos animais. Figura.1 - Ciclo da água. Energia de biomassa energia solar (fotossíntese) CO O + C C + O Figura. Ciclo simplificado da biomassa 08 A energia de biomassa vem de tudo o que é de origem orgânica. Como mostrado na figura. ao lado, o sol fornece energia para que as plantas possam realizar a fotossíntese e a evapotranspiração, que nada mais é do que a transpiração das plantas. É por meio da fotossíntese que as plantas transformam a energia do sol em energia química. A energia acumulada nas plantas pode ser absorvida por animais e insetos herbívoros, que por sua vez são a fonte de alimento para outros animais e insetos. Esta escala de absorção de energia recebe o nome de cadeia alimentar. Todas as fontes orgânicas que são usadas para produzir energia, e que passam por este processo, são chamadas de biomassa. subsolo rocha impermeável gás petróleo água rocha impermeável Figura.4 Biomassa de energia fóssil e a localização do petróleo no subsolo As plantas armazenam a energia recebida do sol transformando-a no seu próprio alimento. A este processo chama-se fotossíntese. Por sua vez, os animais comem as plantas e a outros animais para adquirirem energia. Quando as plantas, dinossauros e outras criaturas morreram, a terra decompôs os seus corpos enterrados, camada por camada, debaixo da terra. São necessários cerca de dois milhões de anos para que estas camadas de matéria orgânica se transformem em uma pedra preta e dura a que chamamos carvão, num líquido negro, o petróleo, ou ainda no gás natural. A figura.4 mostra a forma que o petróleo é normalmente encontrado na natureza. 09

7 Capítulo 3 Capítulo Transmissão de calor Antes de estudarmos as aplicações da energia solar, é interessante conhecermos como se processa a transferência da energia do Sol para a Terra e tudo o que ela possui. Transmissão de calor é como chamamos a passagem da energia térmica (que durante a transferência recebe o nome de calor) de um corpo para outro ou de uma parte para outra de um mesmo corpo. Essa transferência pode ocorrer de três modos diferentes: condução, convecção e irradiação Condução Aplicações para a Energia Solar Condução é o processo que ocorre quando a energia térmica passa de um local para outro por meio das partículas do meio que os separa. Na condução a passagem da energia de uma região para outra acontece porque, na região mais quente, as partículas têm mais energia térmica, o que significa que elas estão vibrando com mais intensidade. Com esta vibração, cada partícula transmite energia para a partícula vizinha, que passa a vibrar mais intensamente e com isso transmite energia para a partícula seguinte e assim sucessivamente. Uma ilustração que mostra o processo descrito acima se encontra na figura 3.1 a seguir Convecção A convecção acontece quando as massas de um fluido se movimentam, trocando de posição entre si. Um bom exemplo é o de uma sala com um aquecedor ligado. O ar em torno do aquecedor se aquece, tornando-se menos denso (mais leve) que o restante, o que faz com que ele suba. Já o ar localizado em regiões mais afastadas do aquecedor está mais frio, mais denso e pesado, sendo assim ele desce, havendo uma troca de posição entre o ar quente que sobe e o ar frio que desce. A esse movimento de ar quente massas de fluido chamamos convecção, e às correntes de ar formadas neste tipo de movimento chamamos de correntes de convecção. fluxo de ar Irradiação ar frio Figura 3. - Transmissão de calor por convecção Pelo exposto pode-se perceber que não se pode falar em convecção no vácuo ou em um sólido, já que este tipo de transmissão de calor só ocorre em fluidos (líquidos e gases). A figura 3. ao lado ilustra o exemplo dado. Figura 3.1 Transmissão de calor por condução Ao encostarmos o bastão de ferro no fogo, este começa a receber energia vinda do fogo e vai transferindo esta energia ao longo do bastão de ferro até alcançar o outro extremo onde está a mão que segura o bastão. Quem estiver segurando o bastão gradativamente irá sentir seus dedos esquentarem, até que não conseguirá mais segurar o bastão por ele estar quente demais ou ser obrigado a retirá-lo do fogo para que esfrie sem queimar suas mãos. Um fato muito interessante sobre este tipo de transmissão de calor é que a condução de calor é um processo que exige a presença de um meio material e, portanto, não ocorre no vácuo, que é caracterizado pela ausência de qualquer partícula. Irradiação é o processo de transmissão de calor por meio de ondas eletromagnéticas (chamadas de ondas de calor). A energia emitida por um corpo (energia radiante) se propaga até o outro, por meio do espaço que os separa. Sendo que esse tipo de transmissão de calor ocorre por meio de ondas eletromagnéticas, não há mais a necessidade, como no caso da convecção, da presença de um meio material para que ela ocorra. Essa forma de transmissão de calor pode portanto ocorrer tanto no vácuo como em meios materiais. Toda energia radiante, transportada por onda de rádio, infravermelha, ultravioleta, luz visível, raios-x, raios gama, Figura 3.3 Transmissão de calor por irradiação 10 11

8 etc, pode converter-se em energia térmica por absorção. Só as radiações infravermelhas, no entanto, são chamadas de ondas de calor, como por exemplo aquelas que o sol emite em direção a terra e que a aquecem, conforme mostra a figura 3.3 apresentada. Outro bom exemplo é o calor liberado pelo fogo de uma fogueira, como mostrado na figura 3.4 a seguir. 3. USO DIRETO DA ENERGIA SOLAR Com tudo o que já foi descrito, fica evidente que a energia solar é realmente muito útil a todos nós. Quase todas as fontes energéticas disponíveis ao homem vêm da energia irradiada pelo sol. A utilização direta desta energia irradiada ocorre por meio de diversos mecanismos, variando de região para região e de acordo com a estrutura econômica de cada local. Entre as aplicações possíveis para a energia solar direta, está a utilização da energia solar para geração de energia elétrica destinada ao acionamento de bombas hidráulicas, como mostram as figuras 3.6 e 3.7 a seguir. Figura Irradiação de calor OBSERVAÇÃO: Um corpo de cor escura é bom absorvente de calor e é um mau refletor. Um corpo de cor clara é bom refletor de calor e é um mau absorvente. Todo bom absorvente é bom emissor de calor. Todo bom refletor é mau emissor. Exemplo: Corpos negros são bons absorventes e corpos claros são bons refletores de calor. Observando a figura 3.5 abaixo se pode ter uma noção mais significativa do tópico descrito acima Figura 3.5 Transmissão de calor por irradiação Figura 3.6 Painel fotovoltáico para acionamento de bomba d'água Figura 3.7 Conjunto para bombeamento de água em rios, lagos, etc., acionado por painel fotovoltaico. Outra utilização bastante comum é a secagem e/ou desidratação de alimentos como frutas, carnes e peixes. Este processo ocorre com a utilização de estufas de secagem como mostra a figura 3.8. Outra possibilidade, a de secagem ao ar livre, ainda é um dos processos mais utilizados, além de se mostrar bastante útil em culturas como café, chás e tabaco. A figura 3.9 mostra um exemplo deste tipo de secagem. O Brasil é um dos países que mais desenvolveu a tecnologia de secadores solares. Estes mecanismos são utilizados quando a temperatura necessária é relativamente baixa, cerca de 150 ºC. Quando se necessita de exposição direta, os 1 13

9 Figura Energia solar para a desidratação de alimentos Um dos usos diretos da energia solar mais difundidos no Brasil é para aquecimento de água. Muitas residências utilizam esse processo para aquecimento de toda a água necessária para banheiros e cozinhas. Além disso são também utilizados para o aquecimento de grandes quantidades de água para abastecimento de piscinas em residências, hotéis e clubes. A figura 3.14 a seguir mostra um esquema simalimentos são acondicionados em caixas com fundo preto e recobertos por plástico transparente, formando um efeito estufa em seu interior. Caso os alimentos não possam ser expostos diretamente ao sol, é utilizado um mecanismo de circulação forçada do ar. Neste tipo de equipamento, coletores planos aquecem o ar que circula através do local onde os alimentos estão armazenados. A circulação do ar no interior do local de armazenagem pode ser forçada ou natural, por convecção. Caso seja necessária uma temperatura maior são utilizados concentradores. Estes concentradores são equipamentos Figura 3.9 Energia solar para secagem de alimentos dotados de lentes, refletores cônicos, cilíndricos, conjuntos de espelhos, etc., que concentram os raios solares em uma área definida, permitindo que no local onde é fixado o foco se obtenha temperatura acima de 000 ºC. Nestes casos é necessário que o equipamento possua um sistema eletrônico, para fazer com que os concentradores possam estar sempre alinhados com a posição adequada do sol. Em regiões onde existe a escassez de água, podem ser utilizados destiladores solares por efeito térmico. Estes destiladores servem para obtenção e tratamento de água com alto teor salino, convertendo-a em água potável. Outra utilização bastante difundida é o aquecimento de água e a geração de energia elétrica, processos que serão descritos mais adiante. Em muitos países, a população menos favorecida economicamente utiliza a energia solar para cozinhar alimentos. Isto é feito com um equipamento bastante simples, o fogão solar, que pode utilizar tanto o efeito estufa quanto os concentradores. Como este aparelho utiliza a energia direta do sol, somente pode ser utilizado durante o dia e em dias de céu limpo e com boa insola- ção. As figuras 3.10 e 3.11 mostram exemplos de fogões solares para cocção. Figura Fogão solar para cocção Churrasqueira solar Figura 3.11 Família utilizando o fogão solar parabólico Figura 3.1 Esquema simplificado de fogão solar parabólico O fogão solar parabólico, mostrado na figura 3.11, ao lado, funciona a partir da concentração direta da luz do sol em uma panela que é colocada com o seu fundo no foco do refletor que forma o fogão. Os raios solares incidem na superfície refletora do refletor e convergem para um foco central. Neste ponto, a temperatura alcançará valores altos o suficiente para cozinhar o alimento dentro da panela. A figura 3.1 a seguir explica melhor o funcionamento do fogão solar parabólico. Outra possibilidade é utilizar caixas revestidas internamente com um isolante térmico e recobertas com espelhos ou uma superfície reflexiva. Os raios solares refletidos para o interior da caixa aquecem o ar e o utensílio utilizado para cocção dos alimentos. A figura 3.13 a seguir mostra um esquema simplificado de um fogão solar feito em uma caixa

10 Figura 3.13 Esquema simplificado de fogão solar em caixa com espelhos Figura 3.14 Esquema simplificado de painéis termo solares para aquecimento de água em piscinas Figura Secadora de roupas soletrol para ambientes fechados Figura 3.16 Satélite com painéis fotovoltaicos Figura 3.17 Nômade carregando bateria com painéis fotovoltaicos durante travessia pelo deserto ples de funcionamento de painéis termo solares para aquecimento de água para piscinas. Outra aplicação, utilizada em residências, é a secadora de roupas termo solar, mostrada na fi

11 3.3 - ENERGIA TERMO SOLAR Agora que já foram explicados os princípios básicos sobre o sol e sua energia, fica mais simples falar sobre a sua aplicação na geração de energia térmica para aquecimento de água e/ou para a geração de energia elétrica, duas fontes renováveis, gratuitas e benéficas ao ambiente Potencial de energia solar Como a Terra recebe a energia do sol com intensidades diferentes em cada região do globo terrestre, classifica-se cada região de acordo com o seu potencial de energia solar. Conforme mostra a ilustração 3.18 a seguir, as regiões localizadas acima do Circulo Polar Ártico e abaixo do Circulo Polar antártico são consideradas de baixo potencial de energia solar. As regiões localizadas entre os círculos polares e os trópicos são consideradas de médio potencial e as localizadas entre as linhas tropicais são consideradas de alto potencial de energia solar. Círculo Polar Ártico Trópico de Câncer Equador Trópico de Capricórnio Círculo Polar Antártico Pólo Norte Pólo Sul O Brasil é um país que possui a maior parte de seu território localizada em uma região de alto potencial de aproveitamento de energia solar. Assim, podemos considerar que é possível utilizar sistemas de captação de energia solar em qualquer região do país Sistema termo solar para aquecimento de água. Alto Potencial de Energia Solar Médio Potencial de Energia Solar Baixo Potencial de Energia Solar Figura 3.18 Potencial de energia solar global Considerando todo este potencial do nosso país, fica clara a necessidade de se aproveitar ao 75% 50% 5% 0% máximo a energia que o sol oferece para ser utilizada em todo território nacional. A primeira forma de aplicação que discutiremos é o sistema de aquecimento de fluidos através da energia solar direta, mais conhecido como sistema termo solar. Esse sistema possui diversas vantagens, entre as quais se pode citar: 100% Figura 3.19 Custo comparativo de aquecimento de água -a energia que ele utiliza é abundante e gratuita -é aplicável em quaisquer circunstâncias. Como fonte térmica ele pode ser utilizado para o aquecimento de água, aquecimento de ar para ambientes e para secagem de produtos agrícolas. -manutenção simples. -a vida útil do painel termo solar é longa (por volta de 5 anos). -o custo das instalações é diluído ao longo de sua vida útil. A desvantagem principal deste sistema é a diminuição da eficiência em dias nublados e chuvosos, devido à diminuição da radiação solar. Ainda assim, seu custo comparativo para aquecimento de água é vantajoso, como mostra a figura 3.19 acima. Os sistemas termo solares atuais, embora possam apresentar pequenas diferenças construtivas, possuem os componentes principais apresentados na figura 3.0 ao lado e descritos a seguir. Figura 3.0 Conjunto para aquecimento de água por energia solar aquecedor solar gás GLP aquecedor elétrico

12 A) Reservatório de água fria. O reservatório de água fria é o responsável pelo fornecimento de água para ser aquecida. Normalmente, em residências, pode-se usar a própria caixa de água da casa. Para isto, a tomada de água (saída da caixa de água fria) deve estar em um nível superior ao do sistema de aquecimento. Assim a água será conduzida ao painel por gravidade. B) Reservatório térmico ou Boiler O reservatório térmico conhecido também como Boiler, é o recipiente onde a água aquecida será armazenada para ser consumida. Ele é formado por dois cilindros, um interno e outro externo, com o espaço entre eles preenchido por um material que seja um bom isolante térmico (lã de vidro, lã de rocha, espuma de poliuretano). A função desse preenchimento é diminuir as perdas de calor da água aquecida para o ambiente. Os reservatórios são classificados em reservatórios de baixa e de alta pressão, de acordo com a pressão exercida pela água em seu interior. Esta pressão normalmente é medida em m.c.a. (me- tros de coluna de água 1 mca = 0,1 kgf/cm ). Os reservatórios de baixa pressão suportam até 10 m.c.a, ou seja, o desnível máximo entre a parte superior do reservatório de água e a parte baixa do boiler deve ser de no máximo 10 m. Os reservatórios de alta pressão suportam até 40 m.c.a. Quando o reservatório térmico for de baixa pressão ele deve conter um respiro, ou seja, um tubo de cobre que interliga o interior do reservatório com o ambiente externo. Assim, caso ocorram pressões maiores do que as admissíveis ou caso haja formação de vácuo dentro do boiler, o respiro impedirá a expansão ou o estrangulamento do reservatório térmico. No caso dos reservatórios de alta pressão o respiro é substituído por uma válvula de segurança compatível com a pressão admissível para o boiler. A figura 3.1 a seguir mostra aspectos de boilers normalmente utilizados em sistemas termo solares. C) Coletor solar A função do coletor solar é captar a energia solar, fornecida em forma de radiação solar, e convertê-la em energia térmica. Quando a luz do Sol atinge o coletor ela aquece placas absorvedoras pintadas de preto que por sua vez aquecem a água que circula dentro de tubulações de cobre. O painel é fechado na parte superior com uma lâmina de vidro transparente que permite a passagem da radiação e dificulta a perda de calor das placas absorvedoras (efeito estufa). Entre a placa absorvedora e o fundo do coletor solar existe uma camada de material isolante. Esta camada isolante tem o papel de dificultar a troca de calor entre a parte inferior das placas coletoras e o ambiente, melhorando a eficiência do coletor. As tubulações que levam a água aquecida para o consumo deverão ser de cobre ou de PVC especial para água quente, e devem ser termicamente isoladas para diminuir a perda de calor. É normal a utilização de um sistema auxiliar de aquecimento elétrico, que permitirá que a água seja aquecida nos dias nublados ou de chuva Para que o sistema funcione adequadamente deve haver um desnível mínimo de 30 cm e máximo de 50 cm entre a parte inferior do reservatório térmico e a parte superior do coletor solar. Isso é necessário para garantir que se estabeleça uma corrente de convecção que fará com que a água circule entre a placa coletora e o reservatório de água quente. Falando de forma simplificada, esse fenômeno, que recebe o nome de termosifão, ocorre devido às diferenças de temperatura da água no sistema. Se a água do boiller estiver em uma temperatura menor que a das placas, e portanto mais pesada, ela irá empurrar a água do coletor solar, que será obrigada a subir para o interior do reservatório térmico se misturando com a água existente ali, fazendo subir um pouco a temperatura da água. Essa circulação só cessará quando as temperaturas da água no boiler e nas placasse igualar. A - Cobertura transparente B - Tubulação condutora de água C - Chapa absorvedora de calor D - Caixa externa E - Isolamento térmico F - Chapa de fundo Figura Boiler Figura 3. Coletor solar para aquecimento de água 0 1

13 D) Válvula anticongelamento Nas localidades onde, mesmo que em apenas algumas ocasiões, a temperatura for muito baixa, recomenda-se a instalação de uma válvula anticongelamento. Cada vez que a água atingir a o temperatura de 6 C, esta válvula se abrirá e irá drenar a água do coletor para fora do sistema. Isto reduz bastante as possibilidades de danos físicos ao sistema, que pode se romper com o congelamento da água em seu interior. Cada um destes componentes possui seu lugar dentro das instalações do sistema de aquecimento termo solar. Na seqüência serão exibidas as características de instalação do sistema Recomendações para instalação. A) Posicionamento dos coletores Figura 3.4 Instalação do sistema do coletor solar para a situação 1 nadas geográficas de º ' 30'' latitude sul, a inclinação do coletor para se obter o máximo de aproveitamento no período de inverno deverá ser: X= Latitude local + 15 Para a cidade de Itajubá X= º + 15º = 37º C) Arranjos normalmente utilizados. Existem basicamente 5 arranjos diferentes que podem ser utilizados para instalação do sistema solar de aquecimento de água para uso residencial, conforme será mostrado a seguir: Primeira situação Para posicionamento dos coletores devemos considerar a localização geográfica da residência. No hemisfério sul os coletores devem ser instalados com as faces viradas para o norte geográfico. No hemisfério norte eles devem ser instalados com as faces voltadas para o sul geográfico. Isto possibilita uma maior insolação e consequentemente maior captação de energia ao lono go do dia. Aceita-se uma variação de 15 para esquerda ou para a direita com relação ao norte geográfico. NORTE Coletor Solar X (inclinação do coletor solar) X= Latitude local (graus) Figura 3.3 Inclinação do coletor B) Inclinação dos coletores A inclinação do painel depende da latitude do local onde ele será instalado, conforme mostrado na figura 3.3. A latitude do local de instalação do painel poderá ser obtida através de consulta a mapas, ao IBGE ou ainda a sites de informações geográficas como o site da EMBRAPA O ângulo de incidência da luz do sol muda em função das estações do ano, de forma que seria ideal se a inclinação do coletor mudasse acompanhando essa variação, o que raramente é viável. No verão, além da insolação ser de maior intensidade e de maior duração, a temperatura ambiente da água é maior que no inverno. Sugere-se portanto que a inclinação das placas seja ajustada para se conseguir um desempenho máximo do aquecedor no período de inverno. Para isso deve-se ajustar o ângulo de inclinação das placas o em um valor igual à latitude local No caso de Itajubá, cidade brasileira situada no sul do estado de Minas Gerais, e com coorde- Figura 3.5 Instalação do sistema do coletor solar para a situação Figura 3.6 Instalação do sistema do coletor solar para a situação 3 Figura 3.7 válvula de desnível negativo Nesta primeira situação, mostrada na figura 3.4, tanto o boiler como o reservatório de água fria ficam embaixo do telhado e com desnível positivo entre eles. Este arranjo é o mais simples, porém deve haver espaço suficiente sob o telhado para acomodação de todos os componentes. Segunda situação A figura 3.5 mostra o arranjo que deve ser utilizado nos casos em que não há espaço nem desnível suficiente para instalação do reservatório de água fria sob o telhado, o que obriga sua instalação na parte externa do telhado. Terceira situação O arranjo mostrado na figura 3.6 é utilizado no caso de telhados com pequena inclinação, onde o desnível se torna negativo, ou seja, o boiler fica abaixo da linha do topo do coletor solar. Nestes casos é necessário que se instale um dispositivo que impeça a água quente, que entra no boiler, de retornar aos painéis por efeito da gravidade. Para esta finalidade existe uma válvula chamada de válvula solar de des- 3

14 Figura 3.8 Instalação do sistema do coletor solar para a situação 4 Figura 3.9 Instalação do sistema do coletor solar para a situação 5 Quinta situação: nível negativo, exibida na figura 3.7 ao lado. Esta válvula irá bloquear o fluxo reverso da água no sistema termosifão, evitando assim a recirculação em períodos sem insolação e à noite. Por desnível negativo deve-se entender um desnível entre o topo do coletor solar e o fundo do boiler, menor do que os 30 cm mínimos exigidos para uma correta instalação do sistema termosolar. Conforme vimos, para que o sistema funcione corretamente, é necessário que o desnível entre o fundo do reservatório e o topo do coletor termosolar fique entre 30 cm e 50 cm. Quarta situação O quarto arranjo corresponde ao mostrado na figura 3.8. Neste caso o reservatório de água e o boiler estão instalados em uma torre sobre o telhado, construída para esta finalidade. Esta montagem possibilita aumentar o desnível entre os dois reservatórios mantendo-o positivo. Este arranjo é adequado para casos onde todo o sistema está instalado fora da residência, conforme mostrado na figura 3.9. Chuveiro 04 pessoas 01 chuveiro 01 torneira de água quente na cozinha Considerando que cada morador tomará um banho por dia, teremos: 1 banho litros de água quente 4 banhos x banhos Tabela 3.1 Consumo de água em uma residência DESCRIÇÃO Banheira convencional (1 pessoa) Banheira dupla ( pessoas) Torneira de água quente na cozinha Máquina de lavar pratos Máquina de lavar roupas Tabela 3. Estimativa de consumo de água ATIVIDADE QUANTIDADE DE ÁGUA QUENTE POR DIA CONSUMO 50 litros por banho (1 pessoa) 100 litros por banho 00 litros por banho 50 litros por dia (uso moderado) 150 litros por dia 150 litros por dia 01 máquina de lavar roupa = 00 litros água quente por dia Lavar roupa = 150 litros por dia Torneira da cozinha = 50 litros por dia Exemplo de dimensionamento. Agora que já foram discutidas as características de um sistema de aquecimento de água utilizando energia solar, pode ser realizado seu dimensionamento, conforme mostrado nos itens a seguir. O primeiro passo é o levantamento das necessidades diárias de água quente no local de instalação do sistema termosolar, que é a chamada demanda diária de água. 1) Cálculo da demanda diária: A tabela 3.1, mostra a lista dos itens mais comuns utilizados em conjunto com o painel termo solar. Como exemplo será calculado o sistema para uma residência com as características abaixo: Somando todos os consumos teremos os valores mostrados na tabela Banho Lavar roupa Torneira da cozinha Total 00 litros 150 litros 50 litros 400 litros / dia

15 Escolha do reservatório Os reservatórios são fabricados com volumes padronizados, e portanto, deve ser escolhido aquele com volume mais próximo do volume diário calculado. Para isso pode-se consultar tabelas de fabricantes, similares à que apresentamos a seguir. Tabela 3.3 Dimensões de um Boiler comercial Capacidade (Litros) A-diâmetro Dimensões (cm) A 60 - B 90 A 60 - B 140,1 A 60 - B 174,0 A 60 - B 14 A 60 - B 49, B-comprimento De acordo com o calculado, necessitamos de 400 litros de água, logo o reservatório deverá poder armazenar no mínimo 400 litros de água. De acordo com a tabela acima, ou a escolha irá recair sobre um reservatório e 400 litros ou, admitindo-se uma margem de segurança, 500 litros, para eventuais gastos além do que foi calculado. Sabendo quais as dimensões do sistema, o próximo passo é a escolha do arranjo, que será feita de acordo com as características do equipamento escolhido e do telhado. Disposição de instalação: Horizontal, podendo ser instalado ao lado ou embaixo da caixa d'água, o que na maioria dos casos evita a construção de torres sobre o telhado. Pressão de trabalho: m.c.a (metros de coluna d'água) para cobre e 5 m.c.a para inox. O próximo passo é a escolha do painel coletor, que é feita com base no volume de água que se quer aquecer. De forma geral em um dia ensolarado, quase sem nuvens, uma área coletora de 1 [m] é capaz de aquecer 60 litros de água a uma temperatura de 60o C. Com esses dados podese calcular a área total de coletores necessária, conforme mostrado a seguir. 1m Litros Xm Litros Espaço Necessário para instalação (cm) A 90 - B 160 A 90 - B 10,1 A 90 - B 44 A 90 - B 84 A 90 - B 319, Pés de sustentação Será necessária, portanto, uma área coletora de 6,67 m ou mais. Logo, se forem utilizados pa- inéis de 1,0 m, serão necessários 7 painéis. No caso de painéis de,0 m, seriam necessários 4 painéis Peso cheio (kg) COBRE:13 - INOX:17 COBRE:317 - INOX:3 COBRE:4 - INOX:49 COBRE:58 - INOX:536 COBRE:634 - INOX: Energia solar fotovoltáica Outra forma de utilização da energia solar que é bastante difundida são os painéis fotovoltaicos, que convertem diretamente a luz solar em energia elétrica. Estes sistemas possuem algumas características interessantes conforme listado a seguir. - Ideal para fornecimento de energia elétrica em locais onde o acesso à rede convencional é difícil, como, por exemplo, postos de saúde em locais isolados, estações de medição e de bombeamento de água. - Fácil instalação, aplicável em qualquer situação graças a sua modularidade e por ser portátil. - Geração de energia elétrica para uso residencial, estações remotas de rádio e TV, iluminação pública, etc. - Forma limpa de geração de energia. - Pode ser utilizada em diversos tipos de atividade como por exemplo: camping, barcos de passeio, dessalinização de água, sinalização marítima, etc. - Simples instalação e manutenção (limpeza simples). - Permite sua auto-suficiência energética. Quando bem dimensionados e bem instalados permitem a auto-suficiência do sistema de fornecimento de energia elétrica, mesmo em dias nublados. - O sol pode ser utilizado por todos sem discriminação (exceto nas regiões geladas, além dos círculos polares onde o sol tem baixo potencial de energia). - Simples instalação. - Longa vida útil que permite a diluição do custo inicial Princípio de funcionamento. De toda a radiação solar que chega às camadas superiores da atmosfera terrestre, apenas uma parte alcança a superfície terrestre, o que é resultado da reflexão e absorção dos raios solares pela atmosfera. A parte que consegue alcançar o solo é constituída por uma componente direta e por uma componente difusa. A figura 3.30 ilustra este processo. As modificações que ocorrem com a luz dependem da espessura da camada atmosférica, da distância Terra-Sol e das condições atmosféricas e meteorológicas. Devido a variáveis como alternância entre dia e noite, estações do ano e períodos de passagem de nuvens e chuvosos, o recurso energético solar apresenta grande variabilidade. Isto oca- 6 7

16 Absorção Irradiação Solar Direta Reflexão Figura Componente da radiação solar ao nível do solo siona a necessidade da seleção de um sistema adequado de armazenagem da energia convertida pelo sistema fotovoltáico. A energia solar fotovoltaica é o nome dado à energia obtida com a conversão direta da luz solar em eletricidade. A esta conversão damos o nome de efeito fotovoltáico. Este efeito foi relatado pela primeira vez no ano de 1839 por Edmond Becquerel. Este fenômeno se refere ao surgimento de uma diferença de potencial, ocasionada pela absorção da luz, nos extremos de uma estrutura de material semicondutor. Esta conversão é realizada por uma célula fotovoltaica que é o nome dado à unidade fundamental do sistema de conversão fotovoltáica. Estas células são formadas por pastilhas confeccionadas de material semicondutor, entre os quais os mais utilizados são o Germânio e o Silício. O efeito fotovoltaico citado acima ocorre nos chamados semicondutores, que são caracterizados por possuírem bandas de energia onde é permitida a presença de elétrons, também conhecidas por bandas de valência e outra banda totalmente vazia, ou cheia de lacunas, chamada de banda de condução. Figura 3.31 Estrutura do cristal de silício O semicondutor mais utilizado é o silício. Seus átomos se caracterizam por possuírem quatro elétrons que se ligam aos elétrons vizinhos, formando assim uma rede cristalina. Esta estrutura cristalina molecular é formada por uma repetição angular em três dimensões da sua unidade fundamental, ou seja, seu átomo, apresentando assim a forma de um tetraedro com um átomo localizado em cada vértice, conforme mostrado na figura 3.31 ao lado. Ao se adicionar a este componente um elemento como o fósforo, que possui cinco elétrons de ligação, haverá um elétron em excesso que não poderá ser emparelhado e que ficará "sobrando" nesta rede cristalina. Como este elétron está fracamente ligado a seu átomo de origem, com o fornecimento de pouca energia térmica este elétron se torna livre, e migra para a banda de condução. Neste caso, o fósforo é chamado de material dopante doador de elétrons ou dopante tipo N. Se, durante o processo de construção da célula de silício, for adicionado o elemento químico Boro, que possui três elétrons de ligação e não cinco como o Fósforo, haverá a falta de um elétron para satisfazer as ligações com os átomos de silício da rede cristalina. Esta ausência de elétrons recebe o nome de lacuna. Como o elétron está com pouca energia, ocorre que um elétron da outra camada (tipo N) pode agora passar para esta banda e ocupar uma lacuna. Neste caso o Boro recebe o nome de dopante tipo P. Cada célula solar fotovoltaica compõe-se de uma camada fina de material tipo N e outra, com maior espessura, de material tipo P. Quando separadas, as camadas são eletricamente neutras, porém ao formar o conjunto (junção P-N), aparece um campo elétrico porque os elétrons do silício tipo N preenchem as lacunas do silício tipo P. As figuras 3.3 e 3.33 mostram esquemas simplificados deste processo. Silício tipo N Dopado com Fósforo luz solar incidente Pólo Negativo - e Silício tipo P Dopado com Bóro Pólo Positivo Figura 3.3 Conversão fotovoltáica célula solar material condutor corrente raios solares elétrons A luz solar é constituída de diversos tipos de partículas elementares denominadas fótons. Quando os fótons atingem as pastilhas de silício que compõem o painel fotovoltaico, os elétrons livres que formam este material ficam sensibilizados pela energia. Ao receberem a energia solar, através dos fótons, e dependendo do fluxo de radiação solar, os elétrons aceleram seu movimento e se separam da camada onde se encontravam (N) e são coletados pela outra camada (P). Assim uma camada ficará com excesso de carga positiva e a outra com excesso de carga negativa. Logo, se as duas superfícies forem adequadamente conectadas, os elétrons seguirão um fluxo, um caminho por meio do material condutor, surgindo com isso o que chamamos de corrente elétrica. O processo alcança um equilíbrio quando o campo elétrico forma uma barreira capaz de barrar os elétrons livres remanescentes no lado N. Se uma junção PN for exposta a fótons com energia maior que a barreira elétrica formada, ocorrerá a geração do par elétron-lacuna; se isto acontecer na região onde o campo elétrico é di- carga Figura 3.33 Formação de corrente elétrica fotovoltáica 8 9

17 ferente de zero, as cargas serão aceleradas, criando, assim, uma corrente através da junção; este deslocamento de cargas dá origem a uma diferença de potencial (ddp) á qual chamamos de Efeito Fotovoltaico. Se as duas extremidades deste "pedaço" de silício forem conectadas por um fio, haverá o surgimento de um fluxo de elétrons, ou corrente elétrica. Esta é a base do funcionamento das células fotovoltáicas. Além do Fósforo e do Boro podem ser utilizados outros elementos químicos, assim como silício de diferentes tipos, o que dá origem a mais de um tipo de célula fotovoltáica. Os tipos existentes são classificados de acordo com o seu método de fabricação, conforme descrito a seguir. Silício monocristalino: Este tipo de célula é obtido a partir de barras cilíndricas de silício mono cristalino produzidas em fornos especiais. As células são obtidas por corte das barras em forma de pastilhas quadradas finas da ordem de 0,4 mm a 0,5 mm de espessura. A eficiência de conversão de luz solar em eletricidade, deste tipo de célula, é da ordem de 1%. Silício policristinalino: Estas células são produzidas a partir de blocos de silício obtidos por um processo onde quantidades de silício puro são colocadas em moldes especiais. Uma vez nos moldes, o silício arrefece lentamente e solidifica-se. Neste processo, os átomos não se organizam num único cristal. Forma-se uma estrutura policristalina com superfícies de separação entre os cristais. Sua eficiência na conversão de luz solar em eletricidade é um pouco menor do que nas de silício monocristalino. Silício amorfo: Estas células são obtidas por meio da deposição de camadas muito finas de silício sobre superfícies de vidro ou metal. Sua eficiência na conversão de luz solar em eletricidade varia entre 5% e 7%. O rendimento elétrico atribuído a cada tipo de célula fotovoltaica é mostrado na tabela 3.4. Tipo de célula fotovoltaica Mono-cristalina Poli-cristalina Silício amorfo Tabela Rendimento elétrico de células fotovoltáicas Rendimento típico 1-15% 11-14% 6-7% Rendimento máximo registrado em aplicações,7% 15,3% 10,% Rendimento máximo registrado em laboratório 4,0% 18,6% 1,7% Um módulo fotovoltáico é composto por células individuais conectadas em série, o que permite elevar a tensão gerada, já que a tensão resultante será a soma das tensões de cada célula. A tensão nominal do módulo será igual ao produto do número de células que o compõem pela tensão de cada célula que é de aproximadamente 0,5 volts. Normalmente os módulos fotovoltaicos são formados por 30, 3, 33 ou 36 células em série, dependendo do tipo de aplicação exigida pelo módulo. Pra que o módulo tenha rigidez, isolamento elétrico e resista a fatores climáticos, as células fotovoltaicas são encapsuladas em um material plástico de Etilvinilacelato, existindo ainda um vidro colocado na face do módulo voltada para o Sol. Uma moldura em alumínio é acrescentada para aumentar a rigidez do conjunto além de uma caixa com as conexões para os terminais positivo e negativo. Nos conectores da caixa conectam-se os cabos que ligam o módulo ao sistema. A corrente elétrica fotovoltaica poderá ser utilizada para acionar as cargas diretamente ou ainda poderá ser armazenada em baterias para ser utilizada posteriormente. A quantidade de energia elétrica gerada pelo painel, chamada de energia fotovoltáica, dependerá da área coletora do painel utilizado e da intensidade da luz solar existente no local onde o painel for instalado. Sendo um sistema de energia elétrica, ele pode ou não ser utilizado em conjunto com a rede elétrica das empresas de energia elétrica existentes no mercado de energia. Entre os tipos de sistemas fotovoltáicos existentes temos: 1) Sistemas isolados: São sistemas não ligados à rede convencional de energia elétrica. Em geral, estes sistemas utilizam alguma forma de armazenagem de energia. ) Sistemas híbridos: São sistemas que, quando desconectados da rede convencional de energia, possuem outras fontes de alimentação para suprir suas necessidades energéticas. Como exemplo de fontes alternativas de energia, temos a energia eólica, geração de energia elétrica a diesel, geração de energia elétrica por meio da força das marés, geração de energia elétrica com biogás. Como são utilizadas várias fontes de energia, é necessário um controle mais rigoroso sobre as mesmas para que se consiga uma otimização do processo de captação e utilização da energia gerada. 3) Sistemas interligados à rede: Neste tipo de sistema, toda a geração é entregue diretamente á rede de energia elétrica. Sendo assim, o sistema interligado funciona como um complemento ao sistema elétrico de maior porte onde está conectado Componentes do sistema. 1) Painel solar O painel é constituído por uma ou mais placas solares, formadas por células fotovoltáicas que são as responsáveis por converter a energia do sol em energia elétrica. De acordo com a potência a ser utilizada tem-se uma área de painel a ser adquirida. O que se faz é agrupar mais de um painel para formar um conjunto com área suficiente para a tensão e potência desejadas. O painel é utilizado para acionar as cargas ou para carregar as baterias. Quanto maior for a área do painel, mais energia poderemos utilizar ou armazenar. Esta quantidade de energia de

18 pende também da intensidade do brilho do sol. Uma placa solar de 0,4 m fornece uma tensão máxima de 14,5 Volts e uma corrente contínua em torno de,5 Ampéres. Uma placa desse tipo terá uma potência de pico de 36 watts, que resulta em uma capacidade de fornecimento de energia de 150 Wh por dia, quando se considera o tempo de funcionamento e as variações de insolação. As placas podem ser ligadas de diversas formas, quer seja em série, em paralelo ou ligação mista. A ligação série permite um aumento do valor da tensão, enquanto a conexão em paralelo permite um aumento da corrente possível de ser fornecida. A instalação do painel deve ser feita de maneira que ele receba o máximo de sol ao longo do dia. Como um sistema onde o painel pudesse acompanhar o deslocamento do sol ao longo do dia encarece o conjunto, o mais simples é fazer a instalação em uma posição intermediária, fixa, e que proporcione um maior aproveitamento de energia. Os momentos de menor aproveitamento ocorrem no início da manhã e ao final da tarde. Em contrapartida o horário de maior aproveitamento fica entre 11 horas e 14 horas. Da mesma forma que nos painéis termosolares instala-se o painel fotovoltaico com uma inclinação igual à da latitude local e com a face do painel voltada para a direção norte quando ele estiver sendo instalado no hemisfério sul e voltado para o sul quando ele estiver instalado no hemisfério norte. A capacidade real de geração de energia dos módulos fotovoltaicos é medida em determinadas condições que seguem um padrão de normas de controle e que são utilizadas por todos os fabricantes deste tipo de painel. A potência produzida pelo painel fotovoltaico nestas condições é expressa em uma unidade denominada Wp (Watts pico). Como a energia solar varia ao longo do dia, fica claro que a produção de energia dos módulos ao longo do dia não é constante, ou seja, não é fixa neste valor máximo de pico de produção de energia, ela varia de acordo com a intensidade de incidência dos raios solares. Figura 3.34 Poste com iluminação fotovoltaica em detalhe mostrando o painel, bateria de armazenagem de energia e lâmpadas. O painel deve ser instalado em local limpo, de fácil acesso e sem a presença de obstáculos que possam projetar sombras sobre ele ao longo do dia. O painel deve, também, ficar o mais próximo possível do local onde as cargas elétricas serão instaladas, ficando essa distância limitada a 10 metros. O painel pode ser instalado diretamente sobre o telhado ou ainda fixado em mastros, como mostra a figura Para facilitar a colocação do painel pode-se construir um gabarito (figura 3.35) e com a ajuda da tabela 3.5, posicionar a inclinação do painel adequadamente. N A ) Baterias. As baterias servem para acumular energia que será utilizada nos equipamentos em horários sem a presença do sol ou quando a energia captada pelo painel e fornecida ao sistema for menor do que a necessária. O número de baterias a ser utilizado depende da carga instalada. O recomendado é a utiliza- ção de uma bateria de 100 Ampéres-hora para cada placa de 0,4 m de área instalada no painel solar, o que garante operação confiável para o sistema. Recomenda-se ainda a utilização de baterias seladas para se evitar a verificação e possível complementação do nível da solução eletrolítica. Podem ser utilizadas as baterias seladas automotivas, porém seu tempo de vida útil é pequeno, por volta de anos. O recomendável é a utilização de baterias estacionárias de ciclo profundo, que possuem uma vida útil de 4 a 5 anos. 3)Condutores. Os sistemas alimentados por painéis fotovoltaicos utilizam condutores nos mesmos padrões dos sistemas de energia elétrica de baixa tensão, que devem ser de cobre e com isolamento termoplástico. A tabela 3.6, a seguir mostra algumas medidas de bitola para fios de instalações de sistemas fotovoltaicos. 4) Fusíveis. B C Figura 3.35 Gabarito para inclinação dos painéis Tabela Medidas para o gabarito de instalação de painéis fotovoltaicos Latitude (Graus) Os fusíveis são dispositivos utilizados para proteção de circuitos elétricos contra ocorrência de curto-circuitos. Normalmente são utilizados em equipamentos e circuitos domésticos e industriais. Seu funcionamento tem como base o princípio segundo o qual toda corrente elétrica que circula por um condutor gera neste um calor proporcional ao quadrado da sua intensidade. Se a corrente ultrapassa a intensidade máxima aceitável para o fusível, este se rompe desligando o circuito. Existem diversos tipos de fusíveis, cada um deles adequado a uma determinada aplicação. Independentemente do tipo utilizado, eles devem ser sempre instalados no condutor positivo e Lado A (cm) Lado B (cm) Lado C (cm)

19 Bitola mm 1,5, Ampères dimensionados de acordo com acorrente absorvida pelo circuito e pela capacidade de condução de corrente do condutor. A capacidade nominal do fusível deve ser sempre maior do que a corrente absorvida pelo circuito e menor do que a capacidade de condução do condutor. 5) Controladores de carga Tabela 3.6 Bitola de fios para sistemas fotovoltaicos Figura 3.36 controlador de carga Distância em metros O controlador de carga, mostrado na figura 3.36, é um componente eletrônico utilizado para controlar o fluxo de energia dos sistemas que utilizam a bateria. O controlador possui 3 pares de terminais de saída, sendo um par para conexão do painel solar, outro para conexão da bateria e o último para os condutores que vão alimentar as cargas. Deve-se atentar para a correta conexão das polaridades, sempre positivo com positivo e negativo com negativo. A função do controlador de carga é impedir que a bateria se descarregue por completo durante a utilização do sistema. Quando a bateria atinge um nível de carga próximo de 30% de sua carga total, o controlador desconecta as cargas ligadas a ela e começa a carregá-la. Assim que a bateria estiver com 80% de sua car- ga total o controlador volta a conectar as cargas à bateria. Neste ponto a bateria está com cerca de 13,5 Volts. Quando a bateria atingir 14,5 Volts, ou seja, estiver com sua carga máxima, o controlador interrompe o carregamento da bateria. Estes procedimentos aumentam a vida útil da bateria e, em conseqüência, de todo o sistema. Para escolher o controlador devemos utilizar os valores de tensão de alimentação e corrente que o painel irá fornecer. A tabela 3.7 ao lado, mostra alguns exemplos de modelos de controlador. Tabela modelos de controlador de carga 7) Inversores Especificação 06 Ampéres 1 Ampéres 0 Ampéres 30 Ampéres Os inversores (figura 3.37) são dispositivos eletrônicos utilizados para conversão da corrente contínua, produzida pelos painéis, em corrente alternada, que é aquela utilizda pela maioria dos equipamentos elétricos e eletrônicos. O inversor é instalado após o controlador de carga da bateria. Ao ser alimentado com tensão Figura 3.37 Inversor contínua, ele fornece na saída uma tensão alternada nas tensões de 110 Volts ou 0 Volts. Nesse processo de conversão existe uma perda de energia de aproximadamente 10%. A escolha do inversor deve levar em conta a potência elétrica fornecida pelo painel solar. Como exemplo temos inversores alimentados em corrente contínua, 1V ou 4 V, que fornecem na saída corrente alternada em 110 V ou 0 V, fabricados para 15 W, 50 W, 300 W, 600W, 800W e 1500W Tipos de instalação. Existem basicamente quatro maneiras de se instalar os sistemas de fornecimento de energia fotovoltaica para alimentar as cargas. A seguir faremos uma breve descrição das características de cada uma destas formas de conexão. A) Conexão painel - carga Recomendado para painéis formados por: Uma ou duas placas solares Três ou quatro placas solares Cinco ou seis placas solares Sete ou oito placas solares Este é a forma de conexão mais simples e barata de todas. As cargas são acionadas somente quando há a presença de sol, já que estão ligadas diretamente ao painel. Se for necessário, pode

20 Figura 3.38 Sistema fotovoltaico painel carga lâmpada painel bateria Figura 3.39 Sistema fotovoltaico painel - bateria - carga Figura 3.40 Conjunto painel, controlador, bateria, carga se instalar um interruptor para ligar e desligar as cargas. Um exemplo, citado anteriormente, é a utilização de bombas d'água com painéis fotovoltaicos, como mostra a figura B) Conexão painel bateria carga Neste sistema, o painel é utilizado par carregar a bateria, que por sua vez alimenta as cargas. Com este sistema parte da energia gerada é utilizada para carregar a bateria e outra parte para acionar a carga durante o dia. Durante a noite utiliza-se a bateria para alimentar as cargas. Este sistema é também utilizado quando, mesmo em presença do sol, a energia fornecida pelo painel não é suficiente para alimentar todas as cargas; nesta situação são as baterias que fornecem a energia adicional necessária. A desvantagem deste sistema é a falta de controle sobre a carga da bateria, o que pode ocasionar descargas muito intensas ou excesso de carga, o que reduz a vida útil e compromete o uso do sistema. A figura 3.39 é um exemplo deste tipo de montagem. C) Conexão painel controlador bateria carga. Este sistema é mais utilizado para alimentar cargas em corrente contínua, sendo o controlador o responsável por coordenar a utilização da carga da bateria durante o uso. Este arranjo pode garantir uma autonomia de pelo menos 5 dias de funcionamento sem a presença de sol. A figura 3.40, mostra um esquema de instalação como o descrito acima. D) Conexão painel controlador bateria inversor carga. Este é o sistema mais versátil de todos, porém, em contrapartida, é o mais caro. Ele permite a alimentação tanto de equipamentos de tensão contínua quanto de tensão alternada, que correspondem à grande maioria dos equipamentos elétricos e eletrônicos. A figura 3.41 a seguir apresenta um exemplo clássico de instalação de painéis fotovoltaicos com essa forma de conexão. Figura 3.41 sistema de geração de energia fotovoltaica completo Exemplo de dimensionamento. Para fixar bem o conteúdo aprendido até agora, apresentamos a seguir um exemplo de dimensionamento de um sistema de fornecimento de energia com painéis fotovoltaicos e demais componentes. o 1 Passo - Levantamento da carga. Será considerado nesse exemplo que a casa possui os equipamentos listados a seguir e mostrados na figura 3.4. Figura 3.4 Planta da casa para implantação do sistema de geração fotovoltaica -Nos cômodos maiores (sala e cozinha), lâmpadas compactas de 11 Watts; -Nos demais cômodos lâmpadas compactas de 9 Watts; -Na sala duas tomadas, uma para TV e receptor da antena parabólica (90W) e outra para o aparelho de som (5W); -Na cozinha uma tomada de 00 Watts para o liquidificador; -Todas as lâmpadas serão em tensão contínua, 1 Volts -As tomadas (TV e receptor, liquidificador e aparelho de som) serão em tensão alternada, 110 Volts. Conhecendo-se as cargas previstas, pode-se agora construir um quadro de cargas incluindo 36 37