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ESTUDO SOBRE A IMPLANTAÇÃO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS ISOLADOS OU CONECTADOS À REDE ELÉTRICA EM RESIDÊNCIAS PARAENSES Jean Chaves Batista – jeanbatista8@gmail.com Universidade Federal do Pará, Instituto de tecnologia, Faculdade de Engenharia Elétrica Rua Augusto Corrêa, 01 - Guamá 66075-110 – Belém – Pará Resumo: O seguinte artigo apresenta um estudo superficial sobre o potencial energético solar brasileiro e sobre a implementação de sistemas fotovoltaicos em residências paraenses, fornecendo bases fundamentais para elaboração de um projeto sustentável de produção de energia elétrica, em residências ou em quaisquer outros estabelecimentos, através da utilização de fontes não convencionais, no caso, a energia solar fotovoltaica. Este artigo ainda leva em consideração os custo/benefícios de realização do projeto, as vantagens e desvantagens de se construir um sistema de produção de energia alternativa tais como as ferramentas necessárias para implantação de um sistema fotovoltaico isolado ou conectado à rede elétrica. Palavras-chave: Sistema Fotovoltaico, Energia Solar Fotovoltaica. 1. INTRODUÇÃO A constante exploração de reservas esgotáveis de combustíveis fósseis tem causado grandes impactos ao meio ambiente, uma situação preocupante no cenário mundial. Nesse aspecto, a busca por fontes alternativas de energias renováveis e não poluentes, como a energia solar, torna-se crucial ao desenvolvimento sustentável do planeta (NASCIMENTO, 2004). Sendo assim, o estudo da viabilidade de implantação da energia solar fotovoltaica é extremamente importante devido à necessidade da utilização de fontes de energias alternativas e renováveis em detrimento das fontes atuais que são baseadas principalmente em combustíveis fósseis, portanto não renováveis em escala terrestre, e que acarreta uma expressiva degradação ambiental (TEIXEIRA, 2011 apud RIBEIRO, 2008). No Brasil, o índice de radiação solar está entre os mais altos do mundo, já que grande parte do território brasileiro está situada próximo à linha do Equador, de forma que se é observado grandes variações de radiação solar durante o dia. A região nordeste é a que possui maior área de radiação solar, pois está mais próxima à linha do equador (BRASIL SOLAIR, 2015). A região norte, mais especificamente a região amazônica, também se adéqua aos padrões de produção de energia solar fotovoltaica, possuindo uma área menor de radiação solar que o nordeste por conta da nebulosidade e das precipitações em determinados períodos do ano, mas que não interfere sobremaneira no desempenho dos sistemas fotovoltaicos (MORAIS JUNIOR et al., 2012) A utilização da energia solar fotovoltaica ainda não se faz tão presente no cotidiano da sociedade brasileira por conta de aspectos técnicos e econômicos que dificultam uma implantação efetiva dessa fonte alternativa nas regiões do Brasil. A falta de informação por parte dos consumidores e de uma política de incentivo adequada à utilização são os maiores obstáculos para a utilização dessa fonte de energia assim como de outras fontes não convencionais (NASCIMENTO, 2004). Tendo em vista tais situações, foi feito um estudo sobre a implantação de sistemas fotovoltaicos em residências ou estabelecimentos comerciais paraenses, a partir de um levantamento sobre o potencial energético solar brasileiro, no caso de interesse específico, o potencial amazônico, para tornar possível a criação de um projeto de geração de energia solar fotovoltaica de custo médio no Pará. 2. ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA A energia solar fotovoltaica é a energia obtida através da conversão direta da luz em eletricidade pelo então chamado Efeito Fotovoltaico, o qual foi relatado por Edmond Becquerel, em 1939. Becquerel constatou o aparecimento de uma diferença de potencial nos extremos de uma estrutura de um material semicondutor quando havia incidência de uma fonte luminosa sobre a mesma. Com base nos avanços da microeletrônica e na descoberta de Becquerel foram construídas as primeiras células fotovoltaicas destinadas às áreas de telecomunicações e indústrias aeroespaciais (CRECESB, 2008). A crise energética de 1973 fez o interesse por fontes alternativas e renováveis aumentar de forma significativa, possibilitando aplicações terrestres. Para isso o custo de produção dessa nova tecnologia teve que ser reduzido em ate 100 vezes para que ela fosse introduzida no mercado. O maior empecilho para a difusão dos sistemas fotovoltaicos em larga escala é o custo de produção das células que ainda hoje é elevado. Entretanto, essa tecnologia vem se tornando cada vez mais competitiva, pois, com o desenvolvimento industrial, o valor das células vem decrescendo e outros fatores, antes ignorados, estão sendo levados em consideração, como a questão dos impactos ambientais e a necessidade de produção de energias limpas (CRECESB, 2008). 2.1. Potencial Energético Solar Brasileiro O Brasil possui uma posição privilegiada quando se trata do potencial energético solar mundial, possuindo a maior parte de seu território localizado próximo á linha do Equador, na qual não possui grandes variações na duração solar do dia (ANEEL, 1998). A radiação solar depende de condições climáticas e atmosféricas, por conta dessas interferências, somente parte da radiação solar atinge a superfície terrestre, devido a absorção e reflexão dos raios solares pela atmosfera, mesmo com esse fatores, estima-se que a energia solar incidente sobre a superfície da Terra seja da ordem de 10 mil vezes o consumo energético mundial, sendo o Brasil um dos países com o maior energético solar do mundo (CRESESB, 2008). A figura 1, logo abaixo, mostra a distribuição da radiação solar no território brasileiro. Figura 1 – distribuição da radiação solar no território brasileiro. Fonte: ANEEL, 1998. O mapa mostra que os maiores índices de radiação são observados na região Nordeste, com destaque para o Vale do São Francisco, mas importante ressaltar que mesmo as regiões com menores índices de radiação apresentam grande potencial de aproveitamento energético e se enquadram nos padrões mundiais de produção de energia solar fotovoltaica (ANEEL, 1998). O Brasil dispõe de um dos maiores potenciais do mundo para o aproveitamento de energias renováveis principalmente a energia solar, e além de ecologicamente correto, é uma fonte inesgotável de energia (NASCIMENTO, 2004). 2.2. Potencial Solar na Região Amazônica O potencial solar na região amazônica é definido pela análise de cartas solarimétricas que indicam o aproveitamento energético solar desta região. O mapeamento feito pela SWERA (The Solar and Wind Energy Resource Assessment) revela elevados índices de fluxo de radiação solar para a Amazônia e também uma baixa variabilidade inter-sazonal, explicitando que, mesmo com interferências climáticas como nebulosidade e a elevada precipitação em determinados períodos do ano, a região se adéqua aos parâmetros técnicos exigidos para a implantação de tecnologias fotovoltaicas (MORAIS JUNIOR et al., 2012). A figura 2, abaixo, mostra uma carta solarimetrica do território brasileiro com ênfase na região amazônica. Figura 2 - distribuição da radiação solar no território brasileiro com ênfase para a região amazônica. Fonte: MORAIS JUNIOR, 2012. A figura 2 deixa explicita a capacidade de produção de energia solar fotovoltaica na região amazônica. A tabela 1, a seguir, mostra dados da irradiação solar na cidade de Belém em alguns meses do ano de 2008. Tabela 1 – Dados de irradiaçãosolar para a cidade de Belém em 2008. Mês Irradiação Solar Total (KWh/m 2 ) Janeiro 134 Fevereiro 115 Março Abril Maio Junho Julho 129 123 152 152 176 Fonte: BLASQUES, 2012 - adaptada. A tabela 1 mostra valores do potencial energético solar na cidade de Belém, esses dados são importante para realização de cálculos para o rendimento de uma célula ou de um modulo fotovoltaico, fatores de correção entre os artifícios necessários para a implementação de um sistema fotovoltaico. 3. O EFEITO FOTOVOLTAICO O efeito fotovoltaico ocorre em semicondutores, dos quais o mais utilizado é o silício. Seus átomos se caracterizam por possuírem quatro elétrons que fazem ligação com átomos vizinhos, dando origem a uma rede cristalina. Se o fósforo, que possui cinco elétrons dispostos a realizar ligação, for adicionado ao silício, sobrará um elétron desemparelhado e fracamente ligado ao seu átomo de origem. Este elétron quando recebe um estímulo energético se livra da energia de ligação que o prende ao seu átomo de origem e parte para a banda de condução. Este processo é chamado de dopagem do silício, no qual o material possui elétrons livres, ou seja, são portadores de carga negativa, constituindo o silício tipo N (CRESESB, 2008). Se ao invés do fósforo for adicionado o boro com três elétrons de ligação, faltará um elétron para fazer a ligação com o quarto elétron do silício, a dopagem do silício, neste caso é positiva P por conta da falta de um elétron (NASCIMENTO, 2004). Quando se faz a junção PN, é formado um campo elétrico devido aos elétrons livres do silício tipo N que ocupam as lacunas da estrutura do silício tipo P. quando há a incidência de uma fonte luminosa sobre a junção PN os fótons se colidem com os elétrons da estrutura do silício e lhes fornecem energia transformando o silício em um material condutor. Com o campo elétrico formado pela junção PN, os elétrons são ordenados e fluem da camada P para a camada N. quando se conecta um condutor externo às camadas, ligando a camada positiva com a camada negativa é observada uma corrente elétrica. A intensidade da corrente é diretamente proporcional a incidência de luz. Este fenômeno é denominado efeito fotovoltaico (NASCIMENTO, 2004). Figura 3 – ilustração do efeito fotovoltaico. Fonte: ELECTRÓNICA, 2015. 3.1. Células Fotovoltaicas Células fotovoltaicas são dispositivos capazes de transformar a energia luminosa, proveniente do Sol ou de outra fonte de luz, em energia elétrica. A seguir será visto dois tipos básicos de células fotovoltaicas. 3.1.1. Silício Monocristalino A célula de silício monocristalino é a mais utilizada e comercializada como conversor de energia solar em eletricidade. Este tipo de célula possui um grau de pureza próximo de 100 % o que garante uma eficiência maior em relação às demais células. Sua eficiência pode variar de 15% a 18% (CRESESB, 2008). Figura 4 – Célula de silício monocristalino. Fonte: CRESESB, 2008. 3.1.2. Silício Policristalino As células de silício policristalino exigem um processo de preparação menos rigoroso, no entanto a eficiência cai em relação à eficiência do silício monocristalino. Sua eficiência se aproxima dos 12,5 % em escala industrial (CRESESB, 2008). Figura 5 - Célula de silício policristalino Fonte: CRESESB, 2008. Além dessas duas células existem outras como as de filmes finos e de silício amorfo, a diferença entre elas está basicamente na aparência e no rendimento. 3.2. Módulos fotovoltaicos Devido à baixa tensão e corrente de saída de uma célula fotovoltaica, agrupam-se varias células, formando um módulo. A disposição das células pode ser em serie ou em paralelo. A conexão em paralelo garante uma corrente maior pela soma das correntes de cada célula, porém a tensão do modulo permanece a mesma tensão de uma única célula. Por isso a conexão mais utilizada é em serie, mantendo a corrente e somando as tensões das células até que o módulo possua um somatório de tensões igual a 12 V, isso possibilita o armazenamento da energia elétrica gerada em baterias (CRESESB, 2008). As figuras 6 e 7 mostram, respectivamente, os arranjos em paralelo e em serie. Figura 6 – Módulos em paralelo. Fonte: CRESESB, 2008. Figura 7 – Módulos em série. Fonte: CRESESB, 2008. 4. SISTEMAS FOTOVOLTAICOS Um sistema fotovoltaico pode ser classificado em três categorias distintas: sistemas isolados, conectados a rede, e sistemas híbridos. Aqui serão visto somente os dois primeiros. Os sistemas basicamente devem ter uma unidade de controle de potencia e uma unidade de armazenamento (CRESESB, 2008). 4.1. Sistemas Isolados Os sistemas isolados geralmente necessitam de uma forma de armazenamento de energia. São utilizados em locais remotos, onde a energia elétrica convencional não é fornecida, ou em localidades onde o proprietário escolhe não conectar seu sistema à rede elétrica. A energia armazenada nas baterias e do tipo contínua, sendo necessário um inversor para transformar a corrente contínua em corrente alternada, possibilitando, por conseguinte a alimentação dos dispositivos de uma residência que funcionam normalmente em regime de corrente alternada (CRESESB, 2008). 4.2. Sistemas Conectados à Rede Elétrica Estes sistemas utilizam grandes números de painéis fotovoltaicos, e não utilizam armazenamento de energia, pois toda a geração é entregue diretamente na rede. Este sistema representa uma fonte complementar ao sistema elétrico de grande porte ao qual esta conectada. Todo o arranjo é conectado em inversores e logo em seguida guiado diretamente à rede. Estes inversores devem satisfazer as exigências de qualidade e segurança para que a rede não seja afetada. Este tipo de sistema é mais utilizado em áreas urbanas, conjuntos residenciais e edifícios comerciais (CRESESB, 2008). A figura 8, a seguir, mostra um esquema básico de um sistema conectado à rede elétrica. Figura 8 – Sistema conectado à rede elétrica. Fonte: CRESESB, 2008. 4.3.Analise de Custos de um Sistema Fotovoltaico De acordo com a Associação Brasileira da Indústria Elétrica e Eletrônica (ABAINEE), a referência de valor de implantação da energia solar fotovoltaica no Brasil em 2011 era de 12,00 R$/Wp. No caso de os equipamentos serem comprados no mercado internacional esse valor poderia ser reduzido em ate 50% (FONTENELE, 2015). Com esses dados foi estimado os custos finais da instalação de um sistema fotovoltaico no Brasil, obtendo os valores mostrados na tabela 2 a seguir. Tabela 2 – Valores de referencia para o mercado brasileiro. Aplicação Residencial Comercial Usina Capacidade (kWp) 3 30 30.000 Custos dos módulos e inversores (R$) 11.605,00 116.047,00 116.047.414,00 Custos de cabos de proteção (R$) 2.250,00 18.000,00 13.100.000,00 Custo do sistema de fixação (R$) 3.750,00 24.000,00 14.000.000,00 Demais custos (R$) 3.750,00 30.000,00 18.000.000,00 Total (R$) 21.359,00 188.047,00 161.147.414,00 Total (R$/Wp) 7,12 6,27 5,37 Fonte: FONTELE, 2015 – adaptada. De acordo com aos dados da tabela anterior, os gastos giram em torno dos módulos, inversores, cabos de proteção, sistemas de fixação e outros custos como os de regulamentação do projeto e os gastos com dispositivos de proteção do circuito. Com estes dados foi possível fazer o levantamento do custo de implantação de um sistema fotovoltaico em residências, e outros. Deduz-se que os custos de implantação dessesistema em uma residência paraense sejam aproximados ao custo médio nacional. 5. CONSIDERAÇÕES FINAIS Com base neste estudo sobre a implantação de sistemas fotovoltaicos em residências paraenses é possível elaborar um projeto mais aprofundado para tornar real o objeto de estudo aqui apresentado. É necessário ressaltar a importância deste estudo quando o mundo busca por fontes alternativas e renováveis que não poluam o meio ambiente, alem do impacto econômico que a produção autônoma de energia tem no cotidiano de uma família brasileira, pois ela produzindo sua própria energia, diminuiria os gatos com os serviços públicos de fornecimento Antes da realização deste projeto, deve ser levado em consideração o custo/benefício da implantação de um sistema fotovoltaico em uma residência, mas desde já, na maioria dos casos, mesmo com os custos de implantação ainda elevados, os benefícios compensam os custos, pois a duração da vida útil de um módulo é de cerca de 25 anos, a manutenção é relativamente simples, portanto um modulo produzira por muito tempo energia elétrica, e assim compensará, a longo prazo, os custos realizados no projetos e o consumo de energia caso o individuo permanecesse somente consumindo energia do sistema convencional. de energia, podendo ainda obter lucro com a venda do excedente de energia para a concessionária local, no caso dos sistemas conectados à rede. Outro fator deve ser levado em consideração, o sistema sendo isolado ou conectado à rede elétrica, é que a produção autônoma de energia diminui a sobrecarga de geração, produção e distribuição de energia elétrica no Brasil, contribuindo com a diversificação da matriz energética brasileira. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AGENCIA NACIONAL DE ENGENHARIA ELÉTRICA – ANEEL. Energia solar. Disponível em: <http://www.aneel.gov.br>. Acesso em: 29 dez. 2015. BRASIL SOLAIR. Potencial solar e eólico. Disponível em: <http://www.brasilsolair.com.br/potencial-solar-e-eolico> Acesso em: 25 dez. 2015. CENTRO DE PESQUISAS DE ENERGIA ELÉTRICA. Centro de referência para energia solar e eólica Sérgio de Salvo Brito. Grupo de trabalho de energia solar – CRESESB. Manual de engenharia para sistemas fotovoltaicos. Rio de Janeiro: CRESESB, 1999. Disponível em:<http://www.cresesb.cepel.br/publicacoes/download/Manual_de_Engenharia_FV_2004.p df >. Acesso em: 28 dez. 2015. CRESESB - Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio de Salvo Brito, Disponível em: <http://www.cresesb.cepel.br>. Acesso em: 27 dez. 2015. CRESESB - Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio de Salvo Brito, disponível em: <http://www.cresesb.cepel.br/download/tutorial/tutorial_solar_2006.pdf> Acesso em 27 dez. 2015. FONTENELE, L.F.A.; GOUVEIA, H.T.V. ; ARAÚJO, R.G.; INACIO, C.O.;FERREIRA, P.H.F. comparação de tecnologias de módulos fotovoltaicos e estruturas de montagem na usina fotovoltaica Alto do Rodrigues. Anais: XXIII – Seminário Nacional de Produção e Transmissão de Energia Elétrica. Foz do Iguaçu: CEPEL, 2015. MORAIS JUNIOR, Hélio de Souza; CAVALCANTE, Renato Luz; GALHARDO, Marcos André Barros; MACEDO, Wilson Negrão; Aplicação de Energia Solar Fotovoltaica – um Estudo de Caso na Região Amazônica, 2012. REVISTA GEONORTE, Edição Especial, V.2, N.4, p.1303 – 1309, 2012. NASCIMENTO, Cássio Araújo do; UNIVERSIDADE FEDERAL DE LAVRAS, Departamento de Engenharia. Princípio de Funcionamento da Célula Fotovoltaica, 2004. 21p, il. Monografia (Especialização). TEIXEIRA, Alexandre de Almeida; CARVALHO, Matheus Costa; LEITE, Leonardo Henrique de Melo; Analise de variabilidade para a implantação do sistema de energia solar residencial, 2011. E-XACTA, Belo Horizonte, v. 4, n. 3, p. 117-136. (2011). Disponível em: <www.unibh.br/revistas/exacta/>. Acesso em: 28 dez. 2015.
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