Aula 10: ENERGIA SOLAR TECNOLOGIA E APLICAÇÕES

Prévia do material em texto

10.1
•
•
•
•
•
•
ENERGIA SOLAR – TECNOLOGIA E APLICAÇÕES
DANIEL SETRAK SOWMY
Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo (IPT)
Departamento de Engenharia de Construção Civil da Escola Politécnica da USP
Este capítulo versa sobre a utilização da energia solar. Na primeira parte, é analisada a energia térmica solar em
aplicações de aquecimento de água para o consumo humano, o que é normalmente alcançado com coletores solares
planos. Particularmente, são abordadas as normas técnicas pertinentes. Para temperaturas mais elevadas ou mesmo
produção de vapor de água para acionamento de ciclos térmicos ou outras finalidades industriais, é indispensável o
uso de sistemas de concentração solar, os quais são abordados ao fim do capítulo. A tecnologia fotovoltaica também
é abordada juntamente com as técnicas do seu uso com ou sem conexão com a rede elétrica. No caso de não
conexão, há de se ter um sistema de armazenamento elétrico (baterias). Finalmente, o capítulo se encerra com a
discussão do sistema fotovoltaico multijunção, uma tecnologia emergente que pode elevar a eficiência dos sistemas
fotovoltaicos.
Energia solar térmica
Nesta seção é abordado o emprego da energia solar no aquecimento de água para uso humano, ou seja, banho,
lavadora de roupas, lavadora de louças e aquecimento de piscinas. Para maximizar o aproveitamento da energia
solar nessa aplicação, os aspectos que devem ser avaliados são:
Sombreamento: verificar se na área disponível para instalação do sistema há efetiva incidência de sol, evitando
áreas com sombra durante longos períodos do dia;
Área coletora: deve ser dimensionada para atender à demanda de energia da edificação. Adotam-se valores da
ordem de 70 % de participação da energia solar no total de energia utilizada para aquecimento de água;
Orientação da superfície absorvedora: preferencialmente os coletores devem estar direcionados para o Norte (no
caso do hemisfério Sul) e com inclinação igual à latitude do local mais dez graus para potencializar a produção
de água quente no inverno, época do ano em que a demanda é maior;
Armazenamento: é necessário prever a área para o reservatório de água quente, denominado reservatório
térmico, que será o centro de distribuição de água para a edificação;
Qualidade e durabilidade: os materiais utilizados no sistema, bem como os acessórios de instalação devem ser
compatíveis com o local de uso, ou seja, devem resistir às intempéries se necessário;
Desempenho: coletores solares e reservatórios térmicos são objeto de avaliação compulsória no Brasil e devem
apresentar a etiqueta padronizada do Inmetro;
•
10.1.1
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Custo e benefício: com boa disponibilidade de radiação solar, um sistema de aquecimento solar de água para
uma residência, com reserva de água inferior a mil litros, usualmente gera uma economia que paga o
investimento em até cinco anos.
Sistema de aquecimento solar de água
Os principais componentes do sistema de aquecimento solar de água são:
Coletor solar: responsável por captar e absorver a radiação solar que incide sobre sua área transmitindo-a na
forma de calor para a água que circula no seu interior.
Reservatório térmico: armazena a água do sistema que circulará durante todo o dia pelos coletores para elevação
gradual da sua temperatura.
Circuito hidráulico primário: tubulação que conecta os coletores ao reservatório térmico.
Conexão com a rede de água fria: abastecimento de água em temperatura ambiente para o sistema.
Conexão com a rede de água quente: abastecimento de água quente para a rede de distribuição interna da
edificação até os pontos de utilização.
Dispositivos de segurança: válvulas de alívio de pressão e limitadoras de temperatura da água.
Sistema de apoio: aquecedor que utiliza outra fonte de energia (elétrica ou gás combustível) para complementar
a produção de água quente, caso a energia solar não seja suficiente para atender à demanda.
O circuito hidráulico primário pode operar de duas formas:
Natural ou termossifão
Configuração que depende do aquecimento de água no coletor e sua consequente diminuição de densidade, para
que a mesma circule pelo circuito primário e retorne ao reservatório em uma cota mais elevada. A água que está no
reservatório, mais fria e, portanto, também mais densa, tende a descer para o coletor completando o ciclo. Esse
fenômeno viabiliza a operação do sistema sem gasto de energia para bombeamento de água entre o coletor e o
reservatório. Outro fator positivo é ser autorregulado, pois só há circulação de água quando a incidência de radiação
solar é suficiente para aquecer a água no coletor. Essa alternativa é viável em sistemas de pequeno porte para
atender a uma unidade habitacional conforme apresentado na Figura 10.1.
Ativo ou circulação forçada
Essa configuração depende do acionamento de uma bomba hidráulica para promover a circulação de água no
circuito primário, sendo necessário o uso de um sensor diferencial de temperatura ou temporizador para ativar essa
circulação. Esse arranjo permite a associação em um número maior de coletores e não tem restrição de diferença de
cotas entre coletores e reservatório. É a alternativa adotada em sistemas de grande porte conforme ilustrado na
Figura 10.2.
Os coletores podem ser associados em série ou paralelo conforme os esquemas da Figura 10.3.
O arranjo em paralelo promove o abastecimento dos coletores com praticamente a mesma temperatura de
entrada, o que os coloca em condição térmica de operação e eficiência similares. Dessa forma todos os coletores
operam na mesma temperatura permitindo um aumento na vazão de água que circula pelo arranjo.
Figura 10.1 Sistema de pequeno porte com circulação de água por termossifão.
Figura 10.2 Sistema com circulação de água ativo ou forçada.
10.1.2
•
•
Figura 10.3 Arranjo de coletores solares em paralelo (acima) e série (abaixo).
O arranjo em série configura os coletores de tal forma que a temperatura da água na saída do primeiro coletor
seja a temperatura de entrada no segundo, o que coloca os coletores operando em temperaturas crescentes e
eficiência térmica decrescente. Desse modo, a elevação da temperatura da água na saída do arranjo é maior, porém a
eficiência média dos coletores é menor.
Coletor solar plano
O coletor solar é o componente responsável pela conversão da energia solar em energia térmica. A incidência de
radiação solar no seu absorvedor faz com que o mesmo se aqueça e transmita o calor para a água que circula no seu
interior.
O mercado brasileiro oferece três tipos de coletores que serão descritos a seguir:
Coletor solar plano fechado (Fig. 10.4): utilizado para o aquecimento de água para banho, pias de cozinha e
banheiro. Possui uma caixa que abriga o absorvedor, com isolamento térmico no fundo (e eventualmente na
lateral), e uma superfície transparente na frente que gera o efeito estufa no seu interior. Seu absorvedor é
usualmente de alumínio, com pintura escura, circuito hidráulico de cobre, caixa de alumínio e cobertura de
vidro. Tem eficiência superior ao coletor aberto e opera com temperaturas de até 90 °C.
Coletor solar plano aberto (Fig. 10.5): utilizado no aquecimento de piscinas, não possui proteção para perdas
térmicas. É construído com material polimérico, tem desempenho inferior em relação ao coletor fechado e opera
com temperaturas até 50 °C. No entanto, seu custo é menor, viabilizando instalações com grande área coletora
(da mesma ordem de grandeza da piscina a que se destina o aquecimento de água).
•
Figura 10.4 Coletor solar plano fechado.
Figura 10.5 Coletor solar plano aberto.
Coletor solar com tubos a vácuo (Fig. 10.6): com participação reduzida no mercado nacional, opera de forma
semelhante ao coletor fechado sendo adequado para a mesma aplicação. Esse tipo de coletor tem absorvedor
tubular, inserido em um tubo transparente, com isolamento térmico obtido a partir do vácuo presente entre o
absorvedor e o tubo transparente.
10.1.3
•
•
•
Figura 10.6 Coletor solar com tubos a vácuo.
Reservatóriotérmico
O reservatório térmico armazena e mantém a temperatura da água quente. Possui um tanque interno de aço
inoxidável, cujo volume é reservado para armazenar a água. Tem uma camada de isolamento térmico de poliuretano
e um acabamento externo em chapa metálica ou material plástico. Sua configuração mais comum apresenta quatro
conexões hidráulicas, quais sejam: entrada de água fria, fornecimento de água quente, saída e retorno dos coletores.
Podem ser configurados com ou sem apoio elétrico, que consiste em uma resistência elétrica associada a um
termostato, acionada quando o sistema não atinge a desejada temperatura da água quente.
No Brasil, os reservatórios térmicos são predominantemente horizontais (Fig. 10.7) e classificados como:
Figura 10.7 Reservatório térmico horizontal.
Fechado: opera sempre cheio de água e depende da pressão de entrada de água fria para o fornecimento de água
quente. Deve ser instalado em cota inferior ao nível da caixa d’água que o abastece. Pode ser de baixa pressão,
40 kPa, ou alta pressão, 400 kPa.
Nível: possui dispositivo hidráulico que possibilita o consumo de água quente mesmo sem abastecimento de
água fria até o seu esgotamento.
Sem apoio elétrico: não tem o apoio elétrico instalado sendo exclusivamente para aquecimento solar.
10.1.4
1.
2.
3.
4.
1.
2.
3.
Dimensionamento – Lei de São Paulo
São Paulo, assim como muitas outras cidades no mundo, adotou uma lei de incentivo ao uso de energia solar para
aquecimento de água. O decreto no 49.148, de 21 de janeiro de 2008, regulamenta a Lei no 14.459, de 3 de julho de
2007, que acrescenta o item 9.3.5 à Seção 9.3 – Instalações Prediais do Anexo I da Lei no 11.228, de 25 de junho de
1992 (Código de Obras e Edificações), e dispõe sobre a instalação de sistema de aquecimento de água por energia
solar nas novas edificações do Município de São Paulo.
Ficou estabelecido que o critério para a obrigatoriedade é a análise de viabilidade do sistema e, se for viável
atender à demanda mínima de 40 % de água quente, via energia solar, o construtor fica obrigado a preparar a
infraestrutura necessária para o sistema. Essa regra se aplica a academias, hotéis, motéis, escolas, creches, hospitais,
prédios públicos, entre outros, e a residências com três ou mais banheiros por unidade habitacional.
O anexo da lei apresenta uma metodologia simplificada de dimensionamento que permite estimar a área coletora
necessária para atender a uma fração solar estabelecida. O método está transcrito a seguir.
Estimativa do volume diário de água quente a ser utilizado na edificação pelos usuários;
Cálculo da quantidade de energia necessária para aquecer o volume diário;
Determinação da produção de energia térmica dos coletores solares no Município de São Paulo;
Determinação da área de coletores solares necessária para atendimento da Contribuição Solar (fração solar)
segundo requisito da lei.
A seguir cada um desses assuntos é desenvolvido com um exemplo de aplicação.
Estimativa do volume diário de água quente a ser utilizado na edificação pelos usuários:
O volume (V) em litros aquecido a uma determinada temperatura (T) em graus Celsius deve ser calculado. A
recomendação é de que se adotem 70 litros por pessoa por dia a 45 °C. Esse volume deve contabilizar o
consumo em toda a edificação a ser atendida, de maneira que o número de pessoas deve ser também o total da
população que ocupa o edifício.
Cálculo da quantidade de energia necessária para aquecer o volume diário:
A demanda de energia térmica deve ser calculada pela equação a seguir:
Sendo:
E: demanda mensal de energia térmica em kWh/mês;
V: volume diário de água quente a ser aquecida em litros;
Cp: calor específico da água constante em 4,18 kJ/kg °C;
T2: temperatura da água quente requerida para o uso específico em °C;
T1: temperatura da água em °C.
Determinação da produção de energia dos coletores solares no Município de São Paulo:
A tabela vigente de Sistemas e Equipamentos para Aquecimento Solar de Água do Inmetro – Instituto Nacional
de Metrologia, que lista todos os produtos etiquetados, informa a produção de energia dos coletores. Essa tabela
está disponível na Internet no endereço www.inmetro.gov.br.
 A partir do valor obtido da tabela aplica-se o fator de redução, conforme a Equação (10.2).
Sendo:
Pme(sp): produção média mensal de energia térmica em kWh/mês · m2 para a cidade de São Paulo;
Pme(tabela do Inmetro): produção média mensal de energia em kWh/mês · m2 em condições de ensaio padronizado.
http://www.inmetro.gov.br/
4.
b)
a)
c)
Determinação da área de coletores solares necessária para atendimento da Contribuição Solar:
 O cálculo da área coletora (AC) será feito a partir da equação a seguir:
Sendo:
AC: área de coletores em m2;
Fcd: fator de correção para o desvio do norte geográfico;
CS: contribuição solar (fração solar);
E: demanda de energia mensal em kWh/mês;
Pme(sp): produção média mensal de energia específica do coletor solar no Município de São Paulo em kWh/mês
· m2.
O fator de correção para o desvio do norte geográfico (Fcd) está definido conforme indicado na Tabela 10.1.
Tabela 10.1 Tabela do fator de correção da área em função do desvio do norte geográfico
Desvio do norte geográ�co
(para Leste ou Oeste) Fcd
Até 30° 1,0
De 31° a 60° 1,13
De 61° a 90° 1,16
Exemplo 10.1
Considere um edifício de oito andares, quatro apartamentos por andar e três moradores por apartamento. O uso de água quente será para o banho e
são estimados 80 litros de água quente a 45 °C. A área disponível para instalação dos coletores tem desvio de 35° do norte geográ�co para leste. O
coletor solar selecionado tem Pme 80 kWh/mês · m2 de acordo com a tabela do Inmetro. Qual a área necessária para atender a demanda de água
quente da edi�cação?
Estimativa do volume diário de água quente a ser utilizado na edi�cação pelos usuários:
V = 32 (apartamentos) × 3 (pessoas por apartamento) × 80 (litros por pessoa)
V = 7680 litros a 45 °C
Cálculo da quantidade de energia térmica necessária para aquecer o volume diário de água;
Calculado conforme Equação (10.1), isto é:
Determinação da produção de energia dos coletores solares no Município de São Paulo;
Pme(sp) = 0,65 × 80
Pme(sp) = 52 kWh/mês · m
2
d)
10.1.5
1.
2.
3.
4.
Determinação da área de coletores solares necessária para atendimento da contribuição solar (fração solar) segundo requisito da lei.
Adotando o fator de contribuição solar de 70 % e um desvio de 35° para o norte geográ�co, temos:
Considerando um coletor solar com 1,8 m2 de área, chegamos a 56 coletores.
Dimensionamento – Norma brasileira
A ABNT NBR 15569:2008 Sistema de aquecimento solar de água em circuito direto – Projeto e instalação sugere
um método simplificado de dimensionamento que será apresentado a seguir.
Cálculo do volume diário de consumo (Vconsumo):
Sendo:
Vconsumo: volume total de água quente consumido diariamente em m3;
Qpu: vazão da peça de utilização em m3/s;
tu: tempo médio de uso diário da peça de utilização em segundos;
frequência de uso é o número total de utilizações da peça.
Cálculo do volume armazenado:
Sendo:
Vconsumo: volume de consumo diário em m3;
Varmaz.: volume do sistema de armazenamento do sistema em m3 (sugere-se que Varmaz. ≥ 75 % Vconsumo);
Tconsumo: temperatura de consumo de utilização em ºC (sugere-se que seja ≥ 40 ºC);
Tarmaz.: temperatura de armazenamento da água em ºC (sugere-se que Tarmaz. ≥ Tconsumo);
Tambiente: temperatura ambiente média anual do local de instalação.
Cálculo da energia útil armazenada no sistema:
Sendo:
Eútil: energia útil em kWh/dia;
Varmaz.: volume do sistema de armazenamento do SAS em m3;
γ: a massa específica da água (ou densidade) igual a 1000 kg/m3;
Cp: calor específico da água igual a 11,63 × 10-4 kWh/(kg.ºC);
Tarmaz.: temperatura de armazenamento da água em ºC;
Tambiente: temperatura ambiente média anual do local de instalação.
Perdas térmicas no sistema:
5.
6.
7.
•
•
Sendo:
Eútil: energia útil em kWh/dia;
Eperdas: somatório das perdas térmicasdos circuitos primário e secundário em kWh/dia.
Fator de correção para inclinação e orientação do coletor solar:
Sendo:
β: inclinação do coletor em relação ao plano horizontal em graus (15° < β < 90°);
βótimo: inclinação ótima do coletor para o local de instalação em graus, ou seja, latitude local + 10º;
α: ângulo de orientação dos coletores solares em relação ao norte geográfico em graus.
Cálculo da produção média diária de energia específica do coletor:
Sendo:
PMDEE: produção média diária de energia térmica específica em kWh/mês · m2;
Frτα: coeficiente de ganho do coletor solar (adimensional);
FrUL: coeficiente de perdas do coletor solar (adimensional).
A tabela vigente de Sistemas e Equipamentos para Aquecimento Solar de Água do Inmetro – Instituto Nacional
de Metrologia, que lista todos os produtos etiquetados, informa os coeficientes Frτα e FrUL dos coletores. Essa
página encontra-se disponível na Internet no endereço www.inmetro.gov.br.
Cálculo da área coletora:
Sendo:
Acoletora: área coletora em m2;
Eútil: energia útil em kWh/dia;
Eperdas: somatório de perdas térmicas dos circuitos primário e secundário, em kWh/dia;
FCinstal: fator de correção de instalação dos coletores;
PMDEE a produção média diária de energia específica em kWh/dia · m2;
IG: valor da Irradiação Global média anual para o local de instalação em kWh/m2 · dia.
Exemplo 10.2
Dimensionar um sistema de aquecimento solar para uma residência localizada na cidade de São Paulo, SP, com as seguintes características:
Cinco moradores.
Orientação: Norte Geográ�co.
http://www.inmetro.gov.br/
•
a)
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
b)
c)
d)
e)
Inclinação de instalação dos coletores solares 30°.
Água quente na ducha, pia do banheiro e cozinha.
Dados do coletor solar: Fr = 0,7 e FrUL = 5,6.
Cálculo do volume diário de consumo (Vconsumo):
Ducha:
Tempo médio de banho: 10 minutos.
Vazão da ducha: 6,6 l/min.
Frequência de uso: 2 banhos por usuário.
Pia do banheiro:
Tempo médio de uso: 2 minutos.
Vazão: 3,0 l/min.
Frequência de uso: 3 utilizações por usuário.
Pia da cozinha:
Tempo médio de uso: 5 minutos.
Vazão da cozinha: 3,0 l/min.
Frequência de uso: 1 utilização por usuário.
Cálculo do volume armazenado:
Porém, 0,55 m3 é um volume menor do que o recomendado pela norma, ou seja, 75 % do volume consumido. Para ajustar o volume,
consideramos os 75 % (0,62 m3) e calculamos novamente a temperatura de armazenamento.
Cálculo da energia térmica útil armazenada no sistema:
Eútil = 0,62 × 1000 × 11,63 × 10
–4 × (46,6 – 20) = 19,2 kWh/dia
Perdas térmicas no sistema:
Eperdas = 0,15 × 19,2 = 2,9 kWh/dia
Fator de correção para inclinação e orientação do coletor solar:
f)
g)
10.2
•
Cálculo da produção média diária de energia especí�ca do coletor:
PMDEE = 4,901 × (0,7 – 0,0249 × 5,6) = 2,75 kWh/m2 × dia
Cálculo da área coletora:
Considerando um coletor solar com 1,8 m2 de área, chegamos a 6 coletores.
Energia solar fotovoltaica
A geração de energia fotovoltaica é obtida a partir da conversão da radiação solar que incide no painel fotovoltaico
em energia elétrica em corrente contínua. Essa energia pode ser consumida instantaneamente pela demanda da
edificação, armazenada em baterias ou transmitida para rede de distribuição local para consumo de outras unidades.
Figura 10.8 Configuração de um sistema de geração fotovoltaico e seus principais componentes.
Caso a opção seja pela conexão com a rede local de distribuição de energia elétrica (Fig. 10.8), será necessária a
instalação de um inversor de frequência que converterá a energia elétrica de corrente contínua em alternada,
ajustando a tensão e a sincronia de fase.
Os principais componentes do sistema são:
Painel ou módulo fotovoltaico: responsável pela conversão de energia solar em energia elétrica em corrente
contínua, é constituído por um conjunto de células fotovoltaicas em série, instaladas entre duas camadas de
acetato de etil vinila (EVA), sobre uma base e com uma cobertura de vidro ou filme de fluoreto de polivinila
(Tedlar).
•
•
Figura 10.9 Camadas de um painel fotovoltaico.
A Figura 10.10 apresenta um painel fotovoltaico.
Figura 10.10 Painel fotovoltaico.
Armazenadores ou baterias: necessários para os sistemas isolados da rede, ou com necessidade de autonomia e
redundância. As baterias têm o propósito de armazenar energia suficiente para atender à demanda da edificação
por um período de tempo definido em projeto.
Controlador de carga: utilizado para distribuir a energia gerada entre a demanda e os armazenadores. Se houver
excedente de energia gerada, o controlador carrega as baterias e, se a demanda for maior que a geração, utiliza a
•
•
•
10.2.1
•
•
•
•
•
•
carga das baterias até que as mesmas atinjam o nível mínimo de segurança previsto em projeto.
Inversor de frequência: converte a energia de corrente contínua para corrente alternada de acordo com a
necessidade dos equipamentos. Caso o sistema esteja conectado à rede local de distribuição de energia elétrica, o
inversor também sincroniza a fase do sistema fotovoltaico com a da rede.
Suporte: responsável pela ancoragem dos painéis à cobertura da edificação com espaçamento para ventilação na
parte posterior do arranjo. Se a instalação for feita fora da edificação, é o suporte que servirá de estrutura para os
painéis e será ajustado na direção e inclinação adequadas.
Condutores e quadro de conexão: são os elementos que compõem o circuito de conexão elétrica dos painéis e
demais componentes de secionamento e segurança da rede. Os componentes externos devem ter proteção contra
ultravioleta.
Célula e painel fotovoltaico
A propriedade essencial das células fotovoltaicas é a possibilidade de fótons com energia superior ao bandgap do
seu material excitarem elétrons movendo-os para a banda de condução (Fig. 10.11).
Figura 10.11 Efeito fotovoltaico na junção pn.
Na junção, devido ao trânsito de elétrons livres do lado n para p, há um acúmulo de elétrons no lado p, que passa
a ser negativo, e uma redução de elétrons do lado n, que se torna positivo.
Os semicondutores mais utilizados na fabricação de células são:
Silício cristalino (c-Si).
Silício amorfo hidrogenado (a-Si-H).
Cd, Te, In e Ga, que são escassos e tóxicos.
As células são lâminas cristalinas, com diâmetro de 10 cm e espessura entre 300 e 400 µm. Sua eficiência na
conversão fotovoltaica é tipicamente de cerca de 15 %, mas há pesquisas que indicam eficiências superiores a 22 %.
Outra tecnologia disponível é o painel de filme fino com espessura aproximada de 1 µm e eficiência aproximada de
8 %.
As três principais características das células e módulos são:
Voltagem de circuito aberto (Voc): tensão entre os terminais positivo e negativo da célula exposta à radiação
(Fig. 10.12).
Corrente de curto-circuito (Isc): corrente que aparece na ligação direta dos terminais de um módulo, sem
equipamento conectado (Fig. 10.12).
Potência em STC (condição padrão de teste): capacidade de geração de energia em Wp (watt pico).
10.2.2
Figura 10.12 Curva característica corrente elétrica × tensão de uma célula de silício.
O arranjo das células e painéis pode ser feito em série ou em paralelo. O arranjo em série mantém a mesma
corrente e soma as tensões dos elementos, enquanto o arranjo em paralelo mantém a tensão e soma as correntes dos
elementos (Fig. 10.13).
Figura 10.13 Diagramas corrente × tensão para associações em paralelo e série.
Sistemas não conectados à rede
Os sistemas não conectados à rede ou isolados dependem exclusivamente da geração de energia a partir da
conversão fotovoltaica para atender à demanda da edificação. Nesse caso, o uso de armazenadores é necessário para
operar sem interrupções e manter o fornecimento de energia mesmo durante dias de pouca disponibilidade de sol.
A configuração mais simples é aquela em que a carga é compatível com a geração, ou seja, em corrente
contínua. Desse modo, o sistema será composto pelos painéis, controlador de carga, baterias e acessórios para
conexão e segurança do sistema.Caso a carga opere com corrente alternada, o inversor de frequência será necessário para adequar o fornecimento
(Fig. 10.14).
10.2.3
Figura 10.14 Esquema de configuração do sistema autônomo ou isolado.
Sistemas conectados à rede
Os sistemas conectados à rede oferecem a vantagem de dispensar os armazenadores, pois caso a geração seja
insuficiente, a demanda pode ser atendida a partir da rede local de distribuição de energia. Outro aspecto positivo é a
possibilidade de transmitir para a rede local a energia excedente gerada pelo sistema. Essa prática, ainda insipiente
no Brasil, é amplamente incentivada em diversos países e reduz o tempo de retorno do investimento para esse tipo
de instalação.
O diferencial é a presença do inversor de frequência com sincronia de fase que faz a conexão entre a rede interna
e externa permitindo a operação bidirecional (Fig. 10.15).
Figura 10.15 Esquema de configuração do sistema conectado à rede.
10.2.4
1.
2.
3.
4.
5.
Dimensionamento
Exemplo de dimensionamento de um sistema fotovoltaico com demanda de carga (L) de 485 Wh/dia.
Considerando a eficiência de 85 % do armazenador.
L = 485/0,85 = 571 Wh/dia
Adotando 4,0 kWh/m2 para a radiação global disponível (I) no plano inclinado: calcula-se a potência (P)
necessária considerando um fator de segurança de 25 %.
I = 4 kWh/m2
P = 1,25 × (571/4) = 179 Wp
Seleção do painel fotovoltaico e a configuração do arranjo.
 Potência do painel escolhido igual a 60 Wp com três unidades instaladas em série.
Calcula-se a carga das baterias (CB) a partir da definição do limite máximo de descarga do armazenador em 50
% e autonomia do sistema de dois dias.
CB = (571 × 2)/0,5 = 2284 Wh
 Adotando-se a tensão de alimentação de 24 Vcc, que deve ser compatível com o controlador de carga das
baterias, obtemos 96 Ah.
Seleção das baterias
 Capacidade da bateria escolhida de 100 Ah em 12 Volts que, para atender à demanda calculada, deverá
compor um arranjo de duas unidades em série para obter os 24 Volts desejados.
 O esquema de ligação elétrica dos módulos e baterias do sistema está ilustrado na Figura 10.16.
Figura 10.16 Esquema de ligação dos módulos, baterias e controlador de carga.
Figura 10.17 Sistemas de rastreamento nos eixos Norte-Sul e Leste-Oeste.
10.3
10.4
•
•
•
Rastreamento solar
A maioria dos sistemas de aproveitamento de energia solar são do tipo estacionário, ou seja, têm uma orientação
fixa de direção e inclinação em relação ao horizonte. Como a maior intensidade de radiação solar ocorre nos
horários próximos do meio-dia, costuma-se adotar a posição que propicie melhor desempenho nesse horário.
Quando há necessidade de maximizar o aproveitamento da energia solar, pode-se adotar um sistema de
rastreamento para acompanhar a trajetória do Sol, e assim manter a máxima incidência de radiação possível para um
determinado horário e localização.
Os sistemas podem aplicar o rastreamento de um ou dois eixos, sendo um eixo a direção Norte-Sul, que
acompanha a altitude solar, e o outro, a direção Leste-Oeste, que acompanha a trajetória do sol desde a alvorada até
seu ocaso (Fig. 10.17).
Apesar do aumento de radiação incidente, e consequentemente da produção de energia, os sistemas de
rastreamento aumentam o custo de operação de forma significativa, pois implicam consumo de energia para
movimentação do arranjo de coletores, assim como a necessidade de manutenção periódica do seu mecanismo. Não
obstante o aumento de complexidade, essa solução é adotada nos sistemas que usam concentradores de radiação
solar.
Concentradores de radiação solar
Os concentradores são dispositivos óticos que direcionam a radiação solar para o absorvedor do coletor.
Normalmente são construídos com materiais com superfície de alta refletividade e têm como resultado prático um
efeito multiplicador da radiação incidente no absorvedor do coletor. Esse ganho é denominado fator de
concentração. Assim, um coletor convencional plano, por exemplo, teria um fator de concentração muito próximo
de um, enquanto outro com concentrador obteria um fator muito superior, dependendo da sua geometria.
Os concentradores utilizam sistemas de rastreamento solar dependendo da sua construção, geometria do
absorvedor e coletor.
Entre os concentradores com sistema de rastreamento de um eixo estão:
O refletor linear Fresnel, com absorvedor tubular, fator de concentração de 10 a 40 vezes e temperatura de
operação de 60 a 250 ºC (Fig. 10.18).
O refletor cilíndrico, com absorvedor tubular, fator de concentração de 15 a 50 vezes e temperatura de operação
de 60 a 300 ºC (Fig. 10.19).
O refletor parabólico, com absorvedor tubular, fator de concentração de 10 a 85 vezes e temperatura de operação
de 60 a 400 ºC (Fig. 10.19).
•
•
Figura 10.18 Esquema de um refletor linear Fresnel.
Figura 10.19 Esquema de um concentrador de calha parabólica ou cilíndrica.
Entre os concentradores com sistema de rastreamento de dois eixos estão:
O refletor de disco parabólico, com absorvedor no ponto focal, fator de concentração de 600 a 2000 vezes e
temperatura de operação de 100 a 1500 ºC (Fig. 10.20).
O campo de heliostatos refletores, com absorvedor no topo de uma torre central, fator de concentração de 300 a
1500 vezes e temperatura de operação de 150 a 2000 ºC (Fig. 10.21).
Figura 10.20 Esquema de um refletor de disco parabólico.
10.5
Figura 10.21 Esquema de um campo de heliostatos refletores e torre com receptor.
Figura 10.22 Esquema de um coletor concentrador parabólico composto.
Existe ainda um tipo de concentrador, o parabólico composto, que pode ser estacionário ou utilizar rastreamento
solar de um eixo. Possui absorvedor tubular, fator de concentração de até 15 vezes e temperatura de operação de 60
a 300 ºC (Fig. 10.22).
Em geral, o uso de concentradores permite atingir temperaturas de operação próximas àquelas necessárias para o
processo que será atendido. Outro aspecto positivo é a possibilidade de maximizar o aproveitamento de energia
solar em uma área reduzida. Apesar disso, deve ser levado em consideração o aumento do custo operacional que
decorre do aumento na frequência de limpeza das superfícies refletoras, manutenção e consumo de energia dos
sistemas de rastreamento.
Concentração fotovoltaica e células de alta e�ciência
Existe a tecnologia de célula multijunção que pode atingir eficiências superiores a 40 %, e a maior eficiência
registrada dessa tecnologia foi de 46 % (NREL, 2015). Essa tecnologia também admite uma faixa mais ampla de
trabalho de temperatura entre 25 °C e 80 °C, sem que ocorra queda significativa de eficiência. Os valores elevados
de eficiência são obtidos devido ao emprego de semicondutores dos grupos III e V da tabela periódica. Dessa forma,
uma célula de tripla junção como, por exemplo, de GaAs, GaInP2 e Ge, terá uma energia de banda de abertura
característica (energia do gap) para cada semicondutor, o que faz com que a célula absorva a radiação solar de
forma mais eficiente numa determinada faixa do espectro. Os semicondutores são cuidadosamente escolhidos para
absorver a maior parte do espectro solar possível.
Essas células são normalmente empregadas em combinação com um sistema de concentração solar formado por
lentes (refração) ou por espelhos (reflexão). A Figura 10.23 ilustra um sistema de concentração de Fresnel com
destaque aos raios solares convergentes para o ponto focal, onde se instalou uma célula multijunção unitária.
Figura 10.23 Lentes de Fresnel de concentração de raios para uma célula multijunção.
Um exemplo de módulo de alta concentração fotovoltaica em nível laboratorial é apresentado na Figura 10.24a.
Esse sistema foi desenvolvido por Peñaranda (2015) para sua dissertação de mestrado. Na figura, podem ser vistos
os principais elementos do sistema. No topo há um sistema matricial de concentração de lentes de Fresnel que
concentra os raios solares para as células multijunção unitárias instaladas na parte inferior, como vistas na fotografia
da Figura 10.24b. O conjunto foi acondicionadoem uma caixa metálica de alumínio que deve ser fixada em um
sistema seguidor solar.
Figura 10.24 (a) Módulo de alta concentração fotovoltaica com lentes de Fresnel [13]. (b) Células fotovoltaicas multijunção da
empresa Azur Space com homogeneizador de luz. (Agradecimentos ao prof. Enio Bandarra da UFU.)
Bibliogra�a
ABNT, ABNT NBR 15569:2008 – Sistema de aquecimento solar de água em circuito direto - Projeto e instalação.
ABRAVA, Qualidade em Instalações de Aquecimento Solar – Boas Práticas – DASOL – Departamento Nacional de Aquecimento
Solar – ABRAVA – Associação Brasileira de Refrigeração, Ar Condicionado, Ventilação e Aquecimento.
CRESESB, Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio Brito – www.cresesb.cepel.br.
DECRETO No 49.148, DE 21 DE JANEIRO DE 2008 – Regulamenta a Lei no 14.459, de 3 de julho de 2007, que acrescenta o
item 9.3.5 à Seção 9.3 – Instalações Prediais do Anexo I da Lei no 11.228, de 25 de junho de 1992 (Código de Obras e
Edificações).
GOSWAMI, D. Y.; KREITH, F.; KREIDER, J. F. Principles of Solar Engineering. 2. ed. Taylor & Francis, 2000.
Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia – www.inmetro.gov.br.
http://www.cresesb.cepel.br/
http://www.inmetro.gov.br/
KALOGIROU, S. A., Solar Engineering Processes and Systems –– AP. 2 ed. Elsevier, 2013.
NREL. Research Cell Efficiency Records, 2015. Disponível em: http://www.nrel.gov/ncpv/images/efficiency_chart.jpg.
PEÑARANDA, L. E. Avaliação de Métodos de Parametrização e Caracterização de Dispositivos Fotovoltaicos Mono e
Multijunção, Dissertação de mestrado (UFU), 2015.
PINTO, J. T.; GALDINO, M. A. Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos, Grupo de Trabalho de Energia Solar –
GTES – CEPEL – DTE – CRESESP, 2014.
RÜTHER, R. Edifícios Solares Fotovoltaicos. Editora UFSC, 2004.
TIBA, C; FRAIDENRAICH, N. Atlas Solarimétrico do Brasil: Banco de Dados Solarimétricos, Ed. Universitária da UFPE, 2000.
ZILLES, R.; MACEDO, W. N.; GALHARDO, M. A. B; OLIVEIRA, S. H. F. Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede Elétrica.
Oficina de Textos, 2013.
http://www.nrel.gov/ncpv/images/efficiency_chart.jpg