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AÇAILÂNDIA-MA 2020 SERVIÇO NACIONAL DE APRENDIZAGEM INDUSTRIAL CENTRO DE EDUCAÇÃO PROFISSIONAL E TECNOLÓGICA DE AÇAILÂNDIA RAFAEL ESMERALDO LUCCHESI RAMACCIOTTI TÉCNICO EM ELETROMECÂNICA CARLOS DANIEL EDUARDO GONÇALVES DA SILVA GUILHERME VICTOR LOPES JEFFERSON DA SILVA SANTOS JOÃO CARLOS DA SILVA LIMA CÉLULAS FOTOVOLTAICAS E SUA VIABILIDADE ECONÔMICA NO FUTURO DA ENERGIA ALTERNATIVA CENTRO DE EDUCAÇÃO PROFISSIONAL E TECNOLÓGICA DE AÇAILÂNDIA RAFAEL ESMERALDO LUCCHESI RAMACCIOTTI TÉCNICO EM ELETROMECÂNICA CARLOS DANIEL EDUARDO GONÇALVES DA SILVA GUILHERME VICTOR LOPES JEFFERSON DA SILVA SANTOS JOÃO CARLOS DA SILVA LIMA CÉLULAS FOTOVOLTAICAS SUA VIABILIDADE ECONÔMICA NO FUTURO DA ENERGIA ALTERNATIVA Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Coordenação do Curso de Eletromecânica da Instituição de Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial (SENAI), como requisito parcial para obtenção do diploma a nível técnico. Orientador: Caio Cabral de Araújo Ribeiro AÇAILÂNDIA-MA 2020 CARLOS DANIEL EDUARDO GONÇALVES DA SILVA GUILHERME VICTOR LOPES JEFFERSON DA SILVA SANTOS JOÃO CARLOS DA SILVA LIMA CÉLULAS FOTOVOLTAICAS SUA VIABILIDADE ECONÔMICA NO FUTURO DA ENERGIA ALTERNATIVA Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Coordenação do Curso de Eletromecânica da Instituição de Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial (SENAI), como requisito parcial para obtenção do diploma a nível técnico. Açailândia, ___ de ____________ de _______. Banca Examinadora _________________________________________ Instrutor: Caio Cabral de Araújo Ribeiro ________________________________________ Assinatura do supervisor(a) Técnico do SENAI _________________________________________ Assinatura do supervisor(a) Pedagógico NOTA: _______________________________________ RESUMO Considerando que todo o território brasileiro possui boa incidência solar ao longo do ano, o Brasil possui grande potencial no uso da energia solar fotovoltaica. Inicialmente, esse sistema era usado para fornecer energia aos satélites, mas com a crise do petróleo na década de 1970, as pessoas começaram a buscar formas sustentáveis de energia para atender às necessidades das pessoas. O objetivo deste trabalho é apresentar uma visão concisa sobe a geração de energia elétrica através, estabelecendo uma proposta de implantação de um sistema On Gridd em uma residência unifamiliar, englobando a história da energia fotovoltaica no Brasil, sua fabricação, seu modo de funcionamento, ainda que o investimento inicial seja elevado, principalmente para famílias de baixa renda, o sistema se paga em 8 anos, apresentando uma boa rentabilidade após esse período. A necessidade de se encontrar fontes alternativas de energia já é sabida e vem sendo sanada por meio da pesquisa e desenvolvimento de tecnologias que permitam aproveitar energia de fontes renováveis e não poluentes. A geração de energia elétrica através da conversão fotovoltaica da irradiação solar vem se mostrando uma das alternativas com melhor relação entre custo e benefício e já se tornou uma fonte de energia significativa da matriz energética de países como a Alemanha, Espanha, Portugal e Suíça. Palavras-chaves: Energia fotovoltaica, sustentável, fonte de energia alternativa, On gridd. “Uma pessoa que nunca cometeu um erro nunca tentou nada novo”. (EINSTEIN, 2020) 5 ABSTRACT Considered that the entire Brazilian territory has good solar incidence throughout the year, Brazil has great potential in the use of photovoltaic solar energy. Initially, this system was used to supply energy to satellites, but with the oil crisis in the 1970s, how people developed sustainable forms of energy to meet people's needs. The objective of this work is to present a concise view on the generation of electric energy through, establishing a proposal for the implantation of an On Gridd system in a single family home, covering the history of photovoltaic energy in Brazil, its manufacture, its mode of operation, still if the initial investment is high, especially for low-income families, the system pays for itself in 8 years, changing a good profitability after that period. The need to find alternative sources of energy is already known and has been addressed through research and development of technologies that use energy from renewable and non-polluting sources. The generation of electric energy through the photovoltaic conversion of solar irradiation has proven to be one of the alternatives with the best cost-benefit ratio and has already become a source of electric energy, reducing the matrix of countries such as Germany, Spain, Portugal and Switzerland. Keywords: Photovoltaic, sustainable energy, alternative energy source, On gridd. 6 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO........................................................................................................8 2 OBJETIVOS............................................................................................................9 2.1 OBJETIVOS GERAIS......................................................................................9 2.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS ..........................................................................9 3 JUSTIFICATIVA....................................................................................................10 4 A ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA.................................................................11 4.1 RADIAÇÃO SOLAR.......................................................................................13 4.2 ENERGIA FOTOVOLTAICA DENTRO DA INDÚSTRIA NO BRASIL............14 4.3 A CÉLULA FOTOVOLTAICA.........................................................................15 4.3.1 Silício Amorfo..........................................................................................16 4.3.2 Silício Monocristalino..............................................................................16 4.3.3 Silício Policristalino.................................................................................16 4.4 Módulo Fotovoltaico.......................................................................................17 4.4.1 COMO FUNCIONA UM MÓDULO FOTOVOLTAICO.............................18 4.5 Sistema Fotovoltaico......................................................................................19 4.5.1 ASSOCIAÇÃO EM PARALELO E SERIE ..............................................20 4.6 KIT ENERGIA SOLAR ..................................................................................20 4.7 BATERIA SOLAR ..........................................................................................21 4.8 VANTAGENS E DESVANTAGENS...............................................................22 4.9 Custo beneficio...............................................................................................24 5 ENERGIA FOTOVOLTAICA NO BRASIL.............................................................24 5.1 ENERGIA SOLAR RESIDENCIAL.................................................................25 5.2 ENERGIA SOLAR RURAL.............................................................................27 5.3 AS DIFICULDADES ENCONTRADAS ..........................................................28 5.4 O Brasil em relação a corrida pela produção de energia alternativa.............29 6 CONCLUSÃO........................................................................................................30REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................................31 7 LISTA DE FIGURAS Figura 1: Placas de silício amorfo..............................................................................16 Figura 2: Placas de Monocristalino............................................................................17 Figura 3: Policristalina................................................................................................17 Figura 4: Módulo Fotovoltaico....................................................................................18 Figura 5: PowerWall testa..........................................................................................22 Figura 6: diferença no bolso do brasileiro...................................................................23 Figura 7: Painéis solares para geração direta de energia..........................................24 Figura 8: a maioria dos sistemas serão instalados em unidades residenciais, cerca de 91% do total nacional contra somente 9% de sistemas comerciais em números absolutos....................................................................................................................25 Figura 9: Residência exemplificando o uso de sistemas solares...............................26 Figura 10: Residência rural com placas fotovoltaicas................................................27 Figura 11: ranking a nível global de capacidade fotovoltaica.....................................29 8 1 INTRODUÇÃO Desde o início, os humanos perceberam que o sol é uma fonte inesgotável, existem muitos estudos sobre sua energia. Como é sabido, principalmente no setor de energia desde as primeiras crises fonte de energia nos anos setenta do século XX, quando o gás e a gasolina eram escassos, mesmo para aquecimento no meio do inverno, o mundo começou a se preocupar com uma possível escassez combustíveis para atender às suas necessidades futuras de energia. No mesmo período surgiram questões sobre o impacto ambiental dos resultados do uso indevido do homem na natureza, que tem afetado o equilíbrio ambiental em nosso planeta. Dentre os diversos aspectos ambientais em questão, a geração de resíduos, Emissões de gases da combustão de combustível fóssil, efeito estufa, chuva ácida, Aquecimento global e destruição do ecossistema. Ambos os fatos nos levaram a pesquisar fontes que não são apenas limpas, mas também renováveis para evitar novas crises energético Novas fontes de energias alternativas têm sido amplamente investigadas nas últimas décadas, como solução complementar a matriz energética atual, que baseia majoritariamente em hidráulica e biomassa. Estudos mais recentes apontam que uma energia que começou a ser utilizada em 1950 tem ganhado espaço e atenção no cenário nacional. A conversão de energia solar em energia elétrica a partir do princípio do elemento fotovoltaico é uma das formas mais promissoras de energia alternativa, sabe-se que painéis fotovoltaicos podem ser os grandes responsáveis pelo aumento da produção de energia limpa em grandes centros, seja para demandas residenciais ou empresariais, ganham cada vez mais adeptos. Muitos autores acreditam que adotar geração própria de energia solar é uma decisão acertada e que garante eficiência à produção e redução de custos em médio e longo prazo (ZANESCO et al., 2011). Não é difícil ver que nossa dependência de combustíveis fósseis tem problema, e à medida que nos aproximamos da exaustão, vai piorar reservas de petróleo. Portanto, em todo o mundo existe uma competição que é liderada por alguns países sendo eles: China, Alemanha, Estados Unidos, Espanha, Índia e Portugal. 9 2 OBJETIVOS 2.1 GERAL Este estudo é objetivado no levantamento de dados técnicos e econômicos para a avaliação da viabilidade econômica da geração de energia elétrica a partir de sistemas fotovoltaicos e apresentar uma visão concisa sobre o sistema de geração de energia elétrica através de radiação solar, estabelecendo uma proposta de implantação viável. 2.2 ESPECÍFICOS - Introduzir conceitos relacionados à geração de eletricidade a partir de painéis fotovoltaicos; - Explicar as vantagens e desvantagens desses sistemas alternativos de energia; - Avaliar a implantação de sistemas de energia solar fotovoltaica; - Analisar a viabilidade de implementação de um sistema on gridd. 10 3 JUSTIFICATIVA A energia fotovoltaica o tema abordado em problemas no grand prix e o mesmo escolhido para tema base deste projeto tem bastante importância quando se pensa em futuros utópicos realistas e sustentáveis, pois apesar de novas descobertas na década com relação a energias alternativas a energia fotovoltaica se mantem como uma das mais promissoras e de importância por já ter de provado de grande eficácia, em tempos caóticos e de busca por estabilidade uma solução para gastos com energia é importantíssimo. O presente projeto tem como motivação o semear de informações sobre o dado tema, visto que foram utilizadas todas as habilidades de apuração e recolhimento de boas informações para uma boa experiência para o leitor. Dessa forma esperamos contribuir para com o tema apontando para o uso de novos materiais que superam em durabilidade os materiais popularmente utilizados, sanar dúvidas sobre o tema e podendo assim enriquecer a comunidade acadêmica e a comunidade de futuros técnicos do Senai. https://www.sinonimos.com.br/apuracao/ 11 4 A ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA A energia solar fotovoltaica é obtida através da conversão da radiação solar em eletricidade por intermédio de materiais semicondutores. Esse fenômeno é conhecido como efeito Fotovoltaico. O Efeito Fotovoltaico foi observado pela primeira vez em 1839 pelo físico francês Edmund Becquerel, numa solução de selênio. Becquerel notou o aparecimento de uma tensão entre os eletrodos de solução condutora, quando esta era iluminada pela luz solar. Mais tarde, por volta do ano de 1870, o efeito fotovoltaico foi estudado em sólidos, tal como o selênio e, por volta de 1880, a primeira célula fotovoltaica foi construída utilizando-se o selênio. A eficiência desta célula era na faixa de 2%. Pesquisas em aplicações práticas para a tecnologia fotovoltaica foram iniciadas nos Estados Unidos da América na década de 1950. Em 1954, o Laboratório Bell produziu a primeira célula fotovoltaica de silício de junção PN. A partir de então se trabalhou na obtenção de um sistema realizável e de longa duração para sistemas de alimentação de satélites com a crise mundial de energia de 1973/74, a preocupação em estudar novas formas de produção de energia fez com que a utilização de células fotovoltaicas não se restringisse somente à programas espaciais, mas que fosse intensamente estudada e utilizada no meio terrestre para suprir o fornecimento de energia. Existem hoje muitos materiais semicondutores apropriados para a conversão fotovoltaica. Entre o silício cristalino e o silício amorfo hidrogenado, que são os mais comumente usados, há diferenças de estrutura. No primeiro, os átomos ocupam posições regulares no espaço, formando uma rede perfeitamente periódica (cristal). No segundo, que é de utilização mais recente e mais promissora do ponto de vista econômico, essa periodicidade não é respeitada. Alguns dos defeitos que acompanham a estrutura imperfeita são compensados com átomos de hidrogênio. Filmes muitos finos de silício amorfo hidrogenados são suficientes para a fabricação de células solares relativamente eficientes. Outros materiais como arseneto de gálio e filmes finos de CSS-CuS, e CAS-InP estão sendo pesquisados. Estes filmes finos não têm sido fabricados com células discretas, mas são depositados diretamenteem um substrato, tal como uma lâmina de vidro ou metal, sendo relativamente mais baratos que as pastilhas de silício. 12 Os principais eventos na história do desenvolvimento dos equipamentos de conversão de energia solar fotovoltaica são descritos abaixo: • (1839) Efeito Fotovoltaico (Becquerel); • (1870) Efeito Fotovoltaico estudado em sólidos; • (1880) Construção da primeira célula fotovoltaica; • (1950) Início das pesquisas para aplicações práticas; • (1954) primeira célula fotovoltaica de silício; • (1973) Estudo de novas aplicações. Em laboratório, é possível a fabricação de células solares de silício cristalino com até 27% de eficiência de conversão; as produzidas industrialmente apresentam uma eficiência da ordem de 15 a 18 %. No caso do silício amorfo hidrogenado, obtém- se de 10 a 12 de eficiência em laboratório, e de 7 a 8 % nos módulos produzidos maciçamente. Porém seu custo de fabricação é menor que o das células de silício cristalino. Muitos laboratórios no mundo estão empenhados em desenvolver tecnologias que otimizem os parâmetros de custo e eficiência. (BRAGA, 2008) A eletricidade solar fotovoltaica é considerada uma tecnologia energética promissora as células solares convertem diretamente a energia solar - a mais abundante fonte de energia renovável em eletricidade. O processo de geração, executado por dispositivos semicondutores, não tem partes móveis, não produz cinzas nem outros resíduos e, por não liberar calor residual, não altera o equilíbrio da biosfera. Como não envolve queima de combustíveis, evita por completo o efeito estufa uma vez que os sistemas são modulares, a eletricidade solar fotovoltaica tem múltiplas aplicações: os módulos necessários à geração da potência requerida podem ser rapidamente instalados. A ampliação da potência é obtida pela simples adição de módulos. Os sistemas são frequentemente usados nas telecomunicações, como em repetidoras de micro- ondas. Nos países em desenvolvimento as aplicações ideais encontram-se nas áreas isoladas ou distantes das redes de distribuição de energia elétrica: comunicações, bombeamento de água, processamento de alimentos, sistemas de refrigeração, sinalização automática ou eletrificação de cercas. A geração de grandes potências, da ordem de dez megawatts, tem sido empreendida com sucesso nos EUA. Na Europa e no Japão, centrais menores alimentam as redes comerciais, permitindo 13 economia de combustíveis fósseis. Até o momento, o quilowatt-hora de origem solar custa de dois a quatro vezes mais que o produzido por métodos convencionais. Porém, à medida que as tecnologias evoluem, esses custos tendem a diminuir e espera-se, que num futuro próximo, possam competir com os de geração de eletricidade pela queima de combustíveis fósseis ou nucleares, o que permitirá a expansão de suas aplicações. A descoberta de novos materiais e tecnologias além da adoção de escalas maciças de produção poderá fazer da conversão fotovoltaica uma das fontes energéticas mais convenientes para a humanidade. 4.1 RADIAÇÃO SOLAR Estrela central do nosso sistema solar, o Sol possui uma massa 332.900 vezes maior que a da Terra, sendo composta por 74% de hidrogênio e 24% de hélio. A luz do sol é parte da radiação eletromagnética gerada a grandes profundidades do interior da estrela pela fusão de núcleos de hidrogênio, que se chocam a altas velocidades formando átomos de hélio. Esta energia então viaja do interior do sol até a sua fotosfera (nome dado a sua superfície) e daí se irradia em todas as direções. Os fótons, partículas que compõem a luz, são quem carregam essa energia pelo espaço a uma velocidade de 300.000 km/s, levando cerca de 8 minutos para percorrer a distância de 150 milhões de km até a Terra. Energia solar fotovoltaica representação gráfica da diferença de tamanho entre o sol e planetas, diferença de tamanho entre o Sol e a Terra. A radiação solar que chega até a camada superior da atmosfera terrestre possui intensidade de 1,3 quilowatts por metro quadrado. Já a quantidade de radiação que chega até ao solo irá variar conforme vários fatores, como localização geográfica, estação do ano e condições atmosféricas. Isso porque a atmosfera terrestre age como um filtro, bloqueando a luz solar em maior ou menor intensidade, sendo agravada ainda conforme o nível de poluição atmosférica local. Outro fator que também influencia na intensidade da luz ao nível do solo é a posição do sol em relação a Terra; quanto mais elevado ele estiver no céu, menores serão os efeitos da camada atmosférica sobre a sua luz. 14 Devido a todos esses fatores, a máxima irradiância solar que chega à superfície terrestre é em torno de 1.000 W/m². A radiação solar que recebemos é caracterizada em três diferentes tipos, que variam de acordo com o seu ponto de origem: Radiação Direta: que vem diretamente do sol; Radiação Difusa: que vem da abóbada celeste; Radiação de Albedo: é a luz solar refletida da Terra, seja por vegetação, construções, etc. Entre as três, a irradiância de Albedo é a que apresenta menor intensidade, enquanto que a soma dessas irradiações é chamada de Irradiação Solar Total. Todos os dias, a radiação que recebemos do sol completa um ciclo, indo do zero ao máximo e depois de volta ao mínimo. Energia solar fotovoltaico ciclo diário do sol entre o amanhecer e o anoitecer ciclo diário do sol, do mínimo ao máximo e de volta ao mínimo. O momento no qual ela está em sua máxima intensidade é chamado de meio- dia-solar, quando os raios do sol estão se projetando na direção Norte-Sul no meridiano local. Como o tempo solar verdadeiro sofre leves variações ao longo do ano, na maioria das vezes o meio-dia-solar será diferente do meio-dia do horário civil. A formação de nuvens, entretanto, pode fazer com que mesmo ao meio-dia- solar a intensidade de luz nesse momento seja menor que em horários da manhã ou da tarde. Os valores de radiação entre as horas do meio-dia-solar costumam ser próximos ou iguais 1000 W/m², sendo os melhores horários para aproveitamento das tecnologias de captação da energia solar. 4.2 PESQUISA DA ENERGIA FOTOVOLTAICA DENTRO DA INDÚSTRIA NO BRASIL A geração fotovoltaica no Brasil deu seu primeiro sinal de existência em 1952 no Centro de Mecânica Aplicada, do Ministério do Trabalho, Indústria e Comércio. Quando o Dr. Teodoro Oniga, por ocasião da realização do X Congresso Brasileiro de Química quando se propôs a ideia de promover a utilização de energia solar no Brasil. A partir deste momento, a pesquisa no ramo foi continuada por pesquisadores 15 independentes e grupos de pesquisa especializados em energia solar sediados em universidades ao longo do Brasil. No entanto, se tratavam de pequenos grupos com não mais do que 5 integrantes, tendo sua maioria sido dissolvidos até a década de 90. Em 1992, um levantamento da CEPEL mostrou que o número destes grupos havia reduzido significativamente (Benedito, R. da S., 2010). Já a indústria nacional, teve início somente no final da década de 70, quando a firma da área de telecomunicações, Fone-Mat, começa a produzir módulos a partir de células importadas da empresa Soralex, sediada nos Estados Unidos. Esta firma chegou a produzir os componentes periféricos necessários para a geração fotovoltaica, como controladores de carga, solarímetros e outros dispositivos necessários no sistema. Pouco depois, a firma Heliodinâmica iniciou suas atividades no ramo. Com a proposta de desenvolver o setor de energia solar no país, e futuramente de dispositivos eletrônicos, a Heliodinâmica passou a produzir coletores solares térmicos e tarugos de silício, dando início a uma linha de produção totalmente nacional. Em 1981, foi criada a Lei da Informática, que protegia o mercado interno de eletrônica. Devido ao fato de serem fabricados juntamente com os dispositivoseletrônicos, a indústria de painéis fotovoltaicos foi inserida na lei, passando a desfrutar dos benefícios trazidos por esta. Desta forma, a Heliodinâmica, empresa fundada para aproveitar o nicho de mercado que passou a ser reservado para a indústria nacional, obteve um crescimento expressivo no faturamento. A lei durou aproximadamente 10 anos, período em que a empresa deveria supostamente ter alcançado a estabilidade econômica necessária para competir com as multinacionais pelo mercado interno. Contudo, ao serem removidas as barreiras alfandegárias, e as empresas estrangeiras Siemens Solar e Soralex entrarem no mercado nacional de equipamentos fotovoltaicos, a Heliodinâmica mostrou ainda não ter alcançado a estabilidade financeira necessária, vindo a perder mercado rapidamente. 4.3 A CÉLULA FOTOVOLTAICA A célula fotovoltaica é a unidade básica para a conversão da radiação solar em energia elétrica. Ela é composta de elementos semicondutores, ou seja, com características intermediárias entre condutor e isolante. A substância mais utilizada na conversão fotovoltaica é o silício. 12 geralmente obtido da natureza em forma de areia, o silício sofre processos industriais para a obtenção da sua forma cristalina e 16 pura. No entanto, esta forma é isolante (sem elétrons livres), sendo necessária a inserção de impurezas no cristal de silício para torná-lo um semicondutor. Processo este que é denominado dopagem e é largamente usado na indústria de eletrônica. 4.3.1 Silício Amorfo O silício amorfo é obtido pela deposição de uma fina camada de silício sobre vidro ou metal. Este tipo de silício é bem mais barato do que os outros dois citados, porém apresenta eficiência inferior, com recorde de 12,5%. Figura 1: Placas de silício amorfo Fonte: amorphous-silicon (site) 4.3.2 Silício Monocristalino Seu método de fabricação consiste na produção de barras de silício monocristalino que serão cortadas em pastilhas finas. As células formadas com esse material chegam a apresentar eficiência de conversão superior a 27%. A produção desse material exige um forno especial para este processo. Este tipo de silício é usado somente em aplicações que necessitem da alta eficiência oferecida por esta tecnologia, uma vez que o alto rigor do processo de fabricação resulta em elevados custos de produção. 17 Figura 2: Placas de Monocristalino Fonte: Canal solar (site) 4.3.3 Silício Policristalino Fundindo-se silício puro em moldes especiais, e depois o esfriando lentamente para que solidifique, resulta na produção do silício policristalino. Este processo resulta na formação de uma peça composta por mais de um cristal, o que resulta em uma eficiência de conversão inferior ao do silício monocristalino. A eficiência recorde obtida para esta tecnologia é de 20,4% O fato de ser policristalino reduz o rigor da fabricação deste material, sendo assim mais barato que o silício monocristalino. Figura 3: Policristalina Fonte: Mercado livre 4.4 MÓDULO FOTOVOLTAICO Módulo fotovoltaico é o termo técnico para painéis solares. Os módulos fotovoltaicos são compostos por 36 a 72 células solares, geralmente feitas de 18 silício, usadas para captar a luz solar e têm a função de converter a luz solar em eletricidade fotovoltaica. Uma célula fotovoltaica isolada acaba sendo pouco usada pois sua produção de energia é baixa, por isso os módulos foram criados. Pelo fato de que uma célula fotovoltaica possui baixa tensão e corrente de saída. Para se obter tensões e correntes de saídas adequadas para a sua utilização é feito o ligamento de várias células formando um módulo voltaico ou painel voltaico por assim dizer. Figura 4: Módulo Fotovoltaico fonte: https://blog.bluesol.com.br/ 4.4.1 COMO FUNCIONA UM MÓDULO FOTOVOLTAICO O funcionamento do módulo ocorre na captação da luz solar e na geração da energia elétrica gerada pelo inversor solar, que chega à sua residência, comércio ou indústria. Desta forma, o efeito fotovoltaico pode ser operado em várias etapas: 1. Módulos fotovoltaicos capturam a luz solar e geram energia; 2. O inversor solar converte corrente contínua em corrente alternada e gera energia suficiente para sua casa ou empresa; 3. A energia é distribuída para seu equipamento eletrônico, eletrodomésticos, tomadas, etc. 4. O excesso de energia gerará créditos de energia que podem ser fornecidos por meio da rede de distribuição, com validade de 60 meses. (BARBOSA, 2011) 19 4.5 SISTEMA FOTOVOLTAICO Um sistema fotovoltaico de energia é composto por um ou mais módulos fotovoltaicos e por diversos outros elementos complementares assim como baterias, controle de cargas, inversores entre outros, esses elementos variam de acordo com a finalidade do sistema. A eletricidade produzida pelos métodos convencionais é concentrada, longe de pontos de consumo, resultando na perda de todo o sistema de distribuição, resultando em aumento dos custos e preços de distribuição, causando danos ao meio ambiente a empresa. Quando falamos em energia fotovoltaica, pensamos na energia que está sendo produzida perto do ponto de consumo, tornando a tecnologia mais diversificada para geração de energia. No início, esses sistemas que conexão à rede elétrica foi concebida apenas para centrais fotovoltaicas, sistemas de grande porte, pois havia a crença de que esses sistemas resolveriam problemas específicos da rede tradicional. No entanto, de acordo com o avanço da eletrônica, foram concebidos sistemas de pequeno e médio porte, objetivando atender sistemas domésticos, que hoje correspondem a mais da metade do mercado fotovoltaico (ATHANASIA, 2000) Os sistemas fotovoltaicos podem ser classificados em: sistemas isolados (OFFGRID) e sistemas integrados à rede (ON GRID ou GRID-TIE), é importante considerar que sistemas que não são integrados a rede possuem baterias que armazenam a energia gerada, não sendo necessário nos sistemas integrados pois nesses casos a energia produzida excedente pode ser transmitida para a rede e ser localizada em outros locais. (CHUCO, 2007) Os sistemas on grid, possuem características semelhantes ao do sistema off grid, a diferença básica é que a energia elétrica proveniente das placas fotovoltaicas passam por um inversor grid-tie que realiza a conversão de corrente continua em corrente alternada, sincronizando-a com a frequência da rede (60Hz) a partir de um oscilador interno e ao mesmo tempo limita a tensão de saída para que não seja maior do que a da rede, e, então, utiliza-se um relógio de luz bidirecional que medirá a energia da concessionária, utilizada em períodos que a energia fotovoltaica for insuficiente para atender a demanda, bem como a energia solar gerada em excesso pelo sistema, que será inserida na rede da concessionária distribuidora de energia elétrica. (BRAGA, 2008) 20 Nos sistemas OFF-GRID, possuem toda a energia gerada guardada em baterias, o que assegura que o sistema atenda a demanda mesmo em períodos em que a incidência solar seja insuficiente, funcionando da seguinte forma: o sistema capta a luz solar a partir das placas fotovoltaicas, produz energia elétrica a partir e corrente contínua, essa energia passa por um controlador de carga responsável pela proteção das baterias contra descargas profundas e excesso de carga, toda esta energia será armazenada em um banco de baterias e só então, passa por inversor de frequência que a converte de corrente contínua para corrente alternada e só então é utilizada para consumo. (RIBEIRO, 2012) O sistema fotovoltaico apresenta um grande potencial para a utilização no design das fachadas os edifícios, podendo se tornar não apenas um elemento construtivo necessário para os edifícios, mas também para o meioambiente. Suas utilizações em países desenvolvidos não ficam restritas apenas a edificações familiares, mas também para edifícios comerciais (ALVARENGA, 2004). 4.5.1 ASSOCIAÇÃO EM PARALELO E SERIE Em uma conexão paralela, os terminais positivo e negativo do dispositivo são conectados um ao outro. Já uma conexão em serie é o inverso da paralela. Portanto, os terminais positivos são conectados aos terminais negativos e assim por diante. (MARCO, 2014) 4.6 KIT ENERGIA SOLAR Mas não é apenas um agrupamento de placas que garante a geração de um sistema fotovoltaico, e sim um conjunto de equipamentos que deverão ser conectados e instalados, chamado de kit energia solar. Esses kits podem ser usados para alimentar qualquer nível de consumo elétrico, desde pequenas aplicações, como bombas d’água, até suprir a demanda de uma casa inteira, variando em complexidade, tipos de equipamentos usados e, inclusive, a correta nomenclatura. É comum encontrar na internet diferentes denominações para esses kits, como kit gerador solar fotovoltaico, kit painel solar ou, ainda, simplesmente kit solar. https://blog.bluesol.com.br/kit-de-energia-solar/ 21 Dependendo da aplicação, o tipo de kit de energia solar necessário será diferente e contará com mais ou menos equipamentos. Mas, no geral, um kit de energia solar fotovoltaica deverá conter um ou mais dos equipamentos listados abaixo: Painel Solar Fotovoltaico: é o conjunto de módulos fotovoltaicos. Inversor Fotovoltaico Interativo: recebe e converte a energia gerada pelas placas no padrão que utilizamos em nossas tomadas, além de alocar a energia não consumida na hora, que pode ser direcionada para a rede elétrica (no caso dos sistemas conectados / On-Grid) ou para o banco de baterias (sistemas isolados / Off- Grid). Caixa de Junção / String box: conjunto de componentes para proteção dos módulos contra surtos de redes e demais danos elétricos, como também a chave de acesso para desligamento do sistema no caso de reparo. Suporte para placa solar: são os trilhos e demais componentes necessários para fixar os módulos sobre o telhado, ou, caso forem instalados ao nível do solo, o suporte para placa solar com a altura adequada. Cabeamento: todo o conjunto de cabos e conectores para fazer a ligação elétrica entre os equipamentos do kit de energia solar fotovoltaica. Banco de baterias: como os sistemas só geram energia durante o dia, essas baterias são abastecidas durante as horas de sol e, a noite, quando o sistema não tem geração, elas suprem o consumo. Controlador de carga: equipamento que gerencia o carregamento das baterias, alimentando estas da melhor forma e evitando desperdícios e sobrecargas. 4.7 BATERIA SOLAR Se os sistemas fotovoltaicos só geram energia durante o dia, a energia consumida à noite deve vir de algum outro lugar, como das baterias solares. Sistemas fotovoltaicos se diferem entre sistemas conectados e isolados da rede elétrica, sendo as baterias utilizadas normalmente em sistemas isolados. No entanto, novas tecnologias de baterias estão revolucionando os mercados estrangeiros e trazendo as baterias para utilização em sistemas conectados à rede elétrica. A principal vantagem é trazer maior independência da rede ao consumidor, que não mais sofre com a interrupção no fornecimento em casos de queda da rede. https://blog.bluesol.com.br/suporte-para-placa-solar/ 22 Funcionando paralelamente aos sistemas On-Grid, elas são capazes de armazenar a energia gerada e não consumida no dia para ser utilizada à noite, ou no caso da queda da rede elétrica. Embora sistemas On-Grid com armazenamento já existam no Brasil, a sua utilização é mínima devido ao alto custo das baterias disponíveis hoje, do tipo estacionárias. Além disso, sua vida útil (no máximo de 10 anos), é demasiada curta em relação a durabilidade de mais de 25 anos das placas fotovoltaicas. Porém, desde o lançamento da primeira PowerWall nos estados unidos, em 2015, o mercado de baterias solares sofreu uma reviravolta. Fabricadas pela empresa Tesla, as baterias possuem design arrojado e utilizam a já conhecida tecnologia de íon-lítio aplicada nos seus veículos elétricos, a mesma usada também em baterias de celulares. Figura 5: PowerWall testa Fonte: ReVision Energy 4.8 VANTAGENS E DESVANTAGENS A aplicação de energia solar fotovoltaica tem muitas vantagens, esta é uma fonte energia renovável e limpa porque não produz poluição. Vida de serviço o tempo de geração é de mais de 25 anos sem manutenção. O sistema é relativamente simples e não consome nenhum tipo de combustível ao existir a vantagem mais relevante é que todos os residentes na área podem usar livremente a luz solar e esse recurso é ilimitado no planeta e grátis e acaba tendo um resultado excelentíssimo com o passar do tempo devido ao grande impacto causado nas contas de energia elétrica assim como representado na figura 6 logo abaixo: 23 Figura 6: diferença no bolso do brasileiro Fonte: CPFL As vantagens principais são: • Não consome nenhum tipo de combustível; • Não emite poluição ou contamina o meio ambiente de qualquer maneira; • Não produz poluição sonora; • O sistema apresenta vida útil maior do que 25 anos; • As placas são resistentes a condições climáticas externas; • Não apresenta componentes do sistema móveis e por isso a necessidade de manutenção é reduzida; • Possibilita um acréscimo na potência instalada com a simples instalação de novos módulos; • produz energia ainda que o tempo esteja nebuloso; Dentre as desvantagens destaca-se: • A produção de células fotovoltaicas requer a utilização de tecnologia de ponta; • É um investimento alto; • O rendimento em campo da conversão do sistema é diminuído devido ao valor do investimento; • Seu rendimento é, invariavelmente, influenciado pelo clima; • Descarte de placas; • Aquecimento na região próxima a colocação das placas; 24 • Morte de aves em virtude do reflexo e excesso de calor refletido ela radiação; • A grande dependência da incidência solar para o bom funcionamento do sistema. 4.9 CUSTO BENEFICIO Embora o custo de células e painéis solares sejam altos para a aquisição, sua vida útil possui mais que 25 anos, tornando-se um bom investimento. Sendo uma fonte de energia renovável, podemos contar com o sol como fonte de energia constante, apesar dos dias nublados ou durante a noite. Além disso, sua manutenção constitui- se apenas de limpezas durante o ano, não ocorrendo desgaste mecânico ou outras adversidades. (ALBERTO, 2011) Figura 7: Painéis solares para geração direta de energia. Fonte: outraspalavras.net/ 5 ENERGIA SOLAR NO BRASIL Atualmente, o Brasil utiliza a energia solar fotovoltaica em residências, comércios, agronegócios e indústrias, assim como por meio de grandes usinas de energia solar (também chamadas de fazendas solares). A energia solar no Brasil alimentando a paixão nacional Por conta das enormes vantagens para a maioria dos consumidores de energia elétrica no Brasil, principalmente os residenciais, a tecnologia fotovoltaica cresce a passos largos em nosso país. O setor distribuído de energia solar 2018, como um todo, fechou o ano com 57.033 sistemas de energia solar fotovoltaica instalados, com previsão de chegar ao final de 2024 com mais de 886.700 mil sistemas instalados. https://blog.bluesol.com.br/infografico-isencao-de-icms-para-energia-solar/ 25 Mais importante, porém, do que o número absoluto, é a tendência clara de um crescimento acelerado da energia solar no Brasil evidenciado no gráfico abaixo, segundo dados oficiais. Seguindo nessa tendência, a ANEEL preparou um gráfico com base na projeção anterior, estimando a quantidade de sistemas fotovoltaicos que serão instalados em três modalidades de unidades consumidoras:residencial, comercial e outros (rural, industrial, iluminação pública, serviço público). Figura 88: a maioria dos sistemas serão instalados em unidades residenciais, cerca de 91% do total nacional contra somente 9% de sistemas comerciais em números absolutos. Fonte: Energia Brasil 5.1 ENERGIA SOLAR RESIDENCIAL Embora a geração de energia pelo solar seja vantajosa para todos os tipos de cliente, quem mais se beneficia da utilização de um sistema fotovoltaico é o consumidor residencial, que paga os maiores valores na energia elétrica que recebe da distribuidora. Quanto maior o custo do quilowatt-hora (kWh) pago pelo consumidor, mais vantagem ele terá em gerar a sua própria energia. Quem mora em localidades com altos índices de radiação solar é ainda mais beneficiado, pois o gerador solar irá produzir mais energia e, consequentemente, mais “crédito energético”. https://blog.bluesol.com.br/energia-solar-no-brasil-panorama/ 26 A principal característica de um projeto de energia solar para residência no Brasil é ser projetado para gerar energia elétrica em quantidade não maior que o total de energia consumida pelo seu beneficiário. Ou seja, a potência limite do sistema de energia solar que você pode instalar em sua casa é igual ao valor da demanda contratada disponibilizada pela distribuidora ao seu imóvel. Esses projetos, geralmente instalados nos telhados, permitem ao consumidor residencial gerar toda, ou uma parte, da energia elétrica consumida em seu imóvel. Assim, com energia solar em casa o consumidor consegue economizar até 95% em sua conta de luz. Figura 9: Residência exemplificando o uso de sistemas solares Fonte: orçamentosenergeticos.com Como saber, então, quantas placas serão necessárias para alimentar eletricamente uma residência? Esse é um dos pontos estudados pela equipe técnica de uma empresa de energia solar na hora de dimensionar um projeto de energia solar residencial. Para isso, eles analisam fatores como níveis de radiação solar local, direção e inclinação do telhado, possíveis sombreamentos e todas as outras variantes que permitem calcular, com exatidão, a quantidade de módulos que poderão suprir o consumo da residência do cliente. O dimensionamento do projeto de energia solar residencial é necessário para que se possa precificar o custo final do sistema. https://blog.bluesol.com.br/energia-solar-em-casa/ https://blog.bluesol.com.br/energia-solar-residencial-uma-otima-opcao/ 27 3.2 ENERGIA SOLAR RURAL O agronegócio é um setor extremamente importante para a economia do Brasil e sua constante modernização demanda cada vez mais o uso de máquinas e equipamentos elétricos que podem ser atendidos com eficiência e economia através do uso da energia solar rural. País tropical e de vasta extensão territorial, o Brasil apresenta todas as características favoráveis ao florescimento da agropecuária, como abundância de água, clima favorável, solo fértil e bastante luz do sol. Com a criação do segmento de geração distribuída em 2012, essa mesma oferta da luz do sol passou a favorecer a agropecuária de outra forma: geração de energia elétrica rural através da tecnologia solar fotovoltaica. No entanto, foi somente nos últimos anos que essa prática começou a se popularizar em meio a produtores e empresas do setor rural. A energia solar fotovoltaica rural torna-se cada vez mais acessível devido à queda dos preços dos equipamentos. Em 2016, ano em que o setor passou dos 100 sistemas conectados (130), este acumulava uma potência de apenas 672 kW (quilowatts). Já em 2017, esta saltou para 7,4 MW (Megawatts), totalizando 604 conexões de sistemas à rede elétrica. E em 2018 esse crescimento se mostrou ainda mais forte, com 2.795 conexões no ano somando mais 47 MW de potência alimentando as atividades agropecuárias do país. Figura 10: Residência rural com placas fotovoltaicas Fonte: vidarural.com https://blog.bluesol.com.br/energia-solar-fotovoltaica-rural/ 28 5.3 AS DIFICULDADES ENCONTRADAS PELA ENERGIA FOTOVOLTAICA NO BRASIL O Brasil é um dos poucos países no mundo, que recebe uma insolação (número de horas de brilho do Sol) superior a 3000 horas por ano. E na região Nordeste conta com uma incidência média diária entre 4,5 a 6 kWh. Por si só estes números colocam o país em destaque no que se refere ao potencial solar. O que precisa ser dito claramente para entender o porquê da baixa utilização da energia solar fotovoltaica no país é que ela não tem apoio, estímulo nem neste, nem nos governos passados. A política energética na área da geração simplesmente relega esta fonte energética. Por isso, em pleno século XXI, a contribuição da eletricidade solar na matriz elétrica brasileira é pífia, praticamente inexiste. Fica evidente que persistem obstáculos para uma maior participação da eletricidade solar na matriz elétrica. Para transpor os obstáculos, são necessárias políticas públicas voltadas ao incentivo da energia solar. Por exemplo: a criação, pelos bancos oficiais, de linhas de credito para financiamento com juros baixos; a redução de impostos tanto para os equipamentos como para a energia gerada; a possibilidade de utilizar o FGTS para a compra dos equipamentos e mais informação através de propaganda institucional sobre os benefícios e as vantagens da tecnologia solar. Mas o que também dificulta enormemente a geração descentralizada é a atitude das distribuidoras de energia — que administram todo o processo, desde a análise do projeto inicial de engenharia até a conexão à rede elétrica. Cabe a elas efetuarem a ligação na rede elétrica, depois de um burocrático e longo processo administrativo realizado pelo consumidor junto à companhia. Segundo dados da Associação Brasileira de Energia Solar Fotovoltaica (ABSOLAR), o setor gerou 130 mil novos empregos no Brasil entre 2012 e 2019. Minas Gerais se estabelece como o estado com maior capacidade fotovoltaica instalada, com 671,5 MW. Logo após, vem o Rio Grande do Sul, com 446,9 MW, e São Paulo, que conta com 440,1 MW E convenhamos, aquelas empresas que negociam com energia (compram das geradoras e revendem aos consumidores) não estão nada interessadas em promover um negócio que, mais cedo ou mais tarde, afetará seus lucros. Isto porque o grande 29 sonho do consumidor brasileiro é ficar livre, não depender das distribuidoras com relação à energia que consome. O consumidor deseja é gerar sua própria energia. (COSTA, 2019) 5.4 O BRASIL EM RELAÇÃO AO MUNDO NA CORRIDA PELA PRODUÇÃO DE ENERGIA ALTERNATIVA O Brasil é o mais avançado país da América do Sul, no que diz respeito ao desenvolvimento das energias renováveis. Foi o primeiro país do Terceiro Mundo a fabricar comercialmente a célula fotovoltaica, a partir do silício monocristalino, não se limitando à simples montagem dos painéis solares. Em 1979, surgiu a primeira fábrica de módulos fotovoltaicos no país, como consequência da crise do petróleo, iniciada em 1973. A Fone-Mat, uma empresa da área de telecomunicações, sediada na cidade de São Paulo, começou a montar módulos fotovoltaicos utilizando células fotovoltaicas importadas da Solarex, com o objetivo de atender ao mercado de telecomunicações. (TOIMASQUIM, 2017) Em março de 1980, a empresa Heliodinâmica se instalou em Vargem Grande Paulista, a 35 km da cidade de São Paulo, junto a Rodovia Raposo Tavares, em uma área de 124.000 m', sendo que suas instalações ocupavam uma área de 4.000 m (HELIODINAMICA, 2008) Figura 11: ranking a nível global de capacidade fotovoltaica 30 6 CONCLUSÃO Hoje em dia, devido aos trágicos eventos de desastres naturais, a sustentabilidade tem representado uma proporção maior, não só causando enormes prejuízos econômicos, mas também deslocando inúmeras famílias e causando milhares de mortes. Todas essas perguntasfazem com que as pessoas procurem maneiras cada vez menos agressivas. Esses estudos fornecem uma breve explicação sobre o desenvolvimento das células solares no mundo e no Brasil, visto que esses equipamentos são fundamentais para a produção de energia fotovoltaica. Sistemas on grid e off grid são descritos, juntamente com suas vantagens e desvantagens. Dentre as atuas fontes de energia disponíveis a energia solar apresenta um bom potencial quando comparado a energia provenientes de combustíveis fosseis ou de origem nuclear. Por permitir a possibilidade de ser gerada no ponto de utilização não e preciso grandes investimentos em sistemas de transmissão e o Brasil possui uma boa incidência solar em grande parte do seu território durante todo o ano. É importante investir em formas de conscientizar as pessoas sobre essas formas de energia, para que entendam suas vantagens e desvantagens, bem como os benefícios que podem ser alcançados com a implantação deste tipo de sistema. Como demostrado no estudo de caso a implantação desse sistema em residências unifamiliares se mostrou vantajoso economicamente ainda que seu investimento inicial seja consideravelmente alto, principalmente para famílias de baixa renda, pois o dinheiro economizado com a instalação do sistema permite pagar em até 8 anos, restando 17 anos de grande rentabilidade, considerando principalmente que esse sistema praticamente não exige manutenção frequente. 31 • REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AL., Z. E. Conversão de energia solar. Energia fotovoltaica, 2011. 79-86. ALBERTO, C. PORTAL SOLAR. PORTAL SOLAR, 2011. Disponivel em: <portalsolar.com.br/porque-energia-solar-custa-caro.html>. ALVARENGA. Design do sistema fotovoltaico. Revista geas, 2004. ATHANASIA. rede eletrica. Sistemas On gridd, 2000. 80-86. BARBOSA, C. Portal solar. Portalsolar.com, 2011. Disponivel em: <https://www.portalsolar.com.br/modulo-fotovoltaico>. Acesso em: 04 novembro 2020. BRAGA, P. On gridd. Sistemas Fotovoltaicos, 2008. 25-26. BRAGA, R. P. Energia fotovoltaica. sustentabilidade, 2008. 10-20. CHUCO, P. On gridd e Off gridd. Energia Fotovoltaica, 2007. COSTA, H. S. BLOG DA REDAÇÃO. outraspalavras.net, 2019. Disponivel em: <https://outraspalavras.net/blog/por-que-a-energia-solar-nao-deslancha-no-brasil/>. EINSTEIN, A. www.pensador.com/. Pensador, 2020. MARCO, J. T. E. Sistemas fotovoltaicos. Manual de engenharia, Rio de Janeiro, 2014. 123-124. Disponivel em: <http://www.cresesb.cepel.br/publicacoes/download/Manual_de_Engenharia_FV_20 14.pdf>. Acesso em: 04 novembro 2020. RIBEIRO. OFF gridd. Sistemas fotovoltaicos, 2012. pagias 26-27. TOIMASQUIM. desenvolvimento. energia solar, 2017. 89-97. ZANESCO. Energia. [S.l.]: [s.n.], 2011.
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