CURSO SUPERIOR EM TECNOLOGIA DE SISTEMAS ELÉTRICOS
GLEISON VIEIRA DE SOUSA
WANDER CORDEIRO LEITE
O BOMBEANENTO DE ÁGUA ATRAVÉS DO USO DA ENERGIA
SOLAR FOTOVOLTAICA
Campos dos Goytacazes/RJ
2013
1
GLEISON VIEIRA DE SOUSA
WANDER CORDEIRO LEITE
O BOMBEANENTO DE ÁGUA ATRAVÉS DO USO DA ENERGIA
SOLAR FOTOVOLTAICA
Monografia em cumprimento as exigências de
conclusão do curso de Tecnologia em Sistemas
Elétricos do Instituto Federal de Educação,
Ciência e Tecnologia Fluminense.
Orientador: Prof. Joanes Correa da Silva
Campos dos Goytacazes/RJ
2013
2
GLEISON VIEIRA DE SOUSA
WANDER CORDEIRO LEITE
O BOMBEANENTO DE ÁGUA ATRAVÉS DO USO DA ENERGIA
SOLAR FOTOVOLTAICA
Esta monografia foi julgada adequada para a
obtenção do título de Tecnólogo em Sistemas
Elétricos, e aprovada em sua forma final pelo
Instituto Federal de Educação, Ciência e
Tecnologia Fluminense'.
Aprovada em 25 / 03 / 2014
Banca Examinadora:
........................................................................................................................................
Prof°. Joanes Correa da Silva.(Orientador)
Especialista em Fontes Alternativas de Energia
Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia Fluminense.
........................................................................................................................................
Prof°. José Cláudio Ribeiro Barreto
Engenheiro Eletricista
Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia Fluminense.
........................................................................................................................................
Prof° . Laurentino Paulo de Souza
Especialista em Tecnologia Educacional/Didática Aplicada
Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia Fluminense.
3
AGRADECIMENTOS
A Deus, pela graça recebida da vida.
Às nossas famílias pela imensa gratidão, cumplicidade, apoio força e amor dedicado a nós e
por terem nos proporcionado tudo o que somos e que temos hoje.
Ao Amigo, Orientador e Professor, Joanes Correa da Silva, por todo estímulo, orientação e
ajuda na condução desta pesquisa, meus sinceros agradecimentos.
Ao IFF-Campos pela oportunidade que nos deu e também a diversos jovens e adultos de nossa
cidade e região para concluirmos um Curso de Nível Superior, nossos sinceros
agradecimentos.
A todos os professores e aos demais amigos de curso que colaboraram direta ou indiretamente
durante o curso e na elaboração desta pesquisa.
5
RESUMO
Uma das maiores preocupações do mundo atual é a necessidade de se obter energia através de
fontes limpas. Os sistemas fotovoltaicos surgem como alternativa para esse problema. Este
trabalho discutirá a utilização da energia solar fotovoltaica aplicada para o bombeamento de
água. A partir dos casos que serão apresentados será possível analisar que a energia solar
fotovoltaica é confiável e serve de solução para o problema de abastecimento residencial de
água e também para o desenvolvimento da agricultura em regiões que não tem acesso à rede
elétrica, como também em centros urbanos, sendo uma alternativa para economizar e
conservar energia elétrica.
Palavras Chave: energia solar, bombeamento, fonte limpa, meio ambiente.
6
ABSTRACT
A major concern in the world today is the need to obtain energy through clean sources.
Photovoltaic systems are an alternative to this problem. This paper discusses the use of solar
photovoltaics applied for pumping water. From the cases that will be presented will be
possible to analyze the PV is reliable and serves as a solution to the problem of residential
water supply and also for the development of agriculture in regions that do not have access to
the power grid, with also in urban centers as an alternative to save energy.
Keywords: Solar energy, pumping, cleaner source, environment.
7
LISTA DE SIGLAS
SOx - óxido de enxofre
NOx - óxido de nitrogênio
CO2 - dióxido de carbono
CH4- metano
CO - monóxido de carbono
SO2 - dióxido de enxofre
H2SO4 - ácido sulfúrico
HNO3 - ácido nítrico
USA - Estados Unidos da América
Si - silício
Icc - Corrente de curto-circuito
Vca - Tensão de circuito aberto
Pmp - Potência Pico
Imp - Corrente a máxima potência
Vmp - Tensão a máxima potência
8
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Imagem da poluição atmosférica em São Paulo............................................... 18
Figura 2: Chuva ácida....................................................................................................... 19
Figura 3: Área de desmatamento na Floresta Amazônica............................................ 20
Figura 4: Poluição da costa marinha................................................................................ 21
Figura 5: Inundação na Amazônia provocada pela formação de uma represa para
hidrelétrica de Balbina.......................................................................................................
21
Figura 6: Painéis solares fotovoltaicos............................................................................. 24
Figura 7: Variação da radiação solar no Brasil............................................................... 27
Figura 8: Órbita da Terra em torno do Sol, com seu eixo N-S inclinado de um ângulo
de 23,5o..............................................................................................................................
36
Figura 9: Distribuição espectral da radiação solar........................................................... 37
Figuras 10: Componentes da radiação solar ao nível do solo....................................... 38
Figura 11: Trajetória dos raios de sol na atmosfera e definição do coeficiente de
"Massa de Ar" (AM)..........................................................................................................
39
Figura 12: Piranômetro de Segunda Classe...................................................................... 41
Figura 13: Secção transversal de um piranômetro........................................................... 41
Figura 14: Pireliômetros de Cavidade Absoluta............................................................... 42
Figura 15: Pireliômetros de Incidência Normal............................................................... 42
Figura 16: Heliógrafo Capbell-Stokes.............................................................................. 43
Figura 17: Actinógrafo Robitzsch-Fuess.......................................................................... 43
Figura 18: Corte transversal de uma célula fotovoltaica................................................. 46
Figura 19: Efeito fotovoltaico na junção pn..................................................................... 46
Figura 20: Célula de silício monocristalino...................................................................... 48
Figura 21: Célula de silício policristalino........................................................................ 49
Figura 22: Célula de silício amorfo.................................................................................. 50
Figura 23: Rendimento elétrico dos vários tipos de células fotovoltaicas....................... 51
Figura 24: Exemplo de aplicação de painéis fotovoltaicos em uma residência............... 52
Figura 25: Gráfico tensão-corrente................................................................................... 54
Figura 26: Gráfico do efeito da intensidade de radiação solar....................................... 56
Figura 27: Gráfico do efeito da temperatura.................................................................... 57
Figura 28: Gráfico da potência máxima durante o dia.................................................... 58
9
Figura 29: Gráfico da quantidade de energia durante o dia........................................... 59
Figura 30: Gráfico de interação com uma carga resistiva.............................................. 60
Figura 31: Gráfico de interação com uma bateria........................................................... 60
Figura 32: Gráfico da variação da corrente e tensão ao longo do dia.............................. 61
Figura 33: Gráfico da interação com um motor de CC...................................................
Figura 34: Gráfico do aproveitamento de energia em um motor de CC......................
62
62
Figura 35: Sistema de Bombeamento de água utilizando a energia solar........................ 64
Figura 36: Diagrama de blocos de um Sistema de Bombeamento Solar Direto.............. 65
Figura 37: Sistema de Bombeamento Solar Direto.......................................................... 66
Figura 38: Configuração do Sistema de Bombeamento Solar Indireto....................... 68
Figura 39: Diagrama de blocos de um Sistema de Bombeamento Solar Indireto............ 69
Figura 40: Sistema de Bombeamento Solar Indireto........................................................ 69
Figura 41: Bomba Centrífuga........................................................................................... 71
Figura 42: Bomba Auto-Escorvante................................................................................. 72
Figura 43: Bombas Solares para uso em poços, cisternas e reservatórios........................ 73
Figura 44: Bateria............................................................................................................. 74
Figura 45: Bateria para uso em sistema solar fotovoltaico............................................... 75
Figura 46: Inversor de tensão........................................................................................... 76
Figura 47: Forma de ondas dos inversores....................................................................... 77
Figura 48: Controlador de Carga...................................................................................... 78
Figura 49: Configurações de controladores de carga: a(série) e b(paralelo)............... 78
Figura 50: Média anual da insolação diária (em horas) no território brasileiro............... 83
Figura 51: Variação da potência do módulo com a variação do índice de insolação....... 84
Figura 52: Variação da potência do módulo com a variação da temperatura................... 84
Figura 53: Vazão diária (em litros) do kit GSB-R100-A................................................. 89
Figura 54: Vazão diária (em litros) do kit GSB-800-B.................................................... 92
.
.
.
10
SUMÁRIO
LISTA DE SIGLAS.............................................................................................................. 7
LISTA DE FIGURAS........................................................................................................... 8
INTRODUÇÃO................................................................................................................... 13
1 ENERGIA, MEIO-AMBIENTE E DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL......
16
1.1 Definição de Energia..................................................................................................... 16
1.2 Energia e meio-ambiente.............................................................................................. 16
1.2.1A poluição do ar urbano........................................................................................ 18
1.2.2 A chuva ácida........................................................................................................ 19
1.2.3 O desflorestamento e desertificação..................................................................... 19
1.2.4 O efeito estufa e as mudanças climáticas.............................................................. 20
1.2.5 A degradação marinha e costeira......................................................................... 20
1.2.6 O alagamento....................................................................................................... 21
1.3 Energia e desenvolvimento sustentável....................................................................... 22
1.4 O sol, energia de amanhã: meios e perspectivas........................................................ 23
1.4.1 A energia solar de amanhã.................................................................................. 25
2 A ENERGIA SOLAR....................................................................................................
29
2.1Definição........................................................................................................................ 29
2.2 Um breve Histórico da Energia Solar e a evolução da demanda de energia.......... 29
2.3 Formas de utilização da energia solar........................................................................ 31
2.3.1Energia solar fototérmica..................................................................................... 32
2.3.2 A arquitetura bioclimática................................................................................... 33
2.3.3 A energia solar fotovoltaica................................................................................. 33
2.4 A radiação solar........................................................................................................... 34
2.4.1 Radiação solar: captação e conversão................................................................ 35
2.4.2 Radiação solar no nível do solo.......................................................................... 37
2.5 Solarimetria e instrumentos de medição.................................................................... 39
2.5.1Os piranômetros.................................................................................................... 40
2.5.2 Os pireliômetros................................................................................................... 41
2.5.3 O heliógrafo.......................................................................................................... 42
39
40
11
2.5.4 Actinógrafo........................................................................................................... 43
3 OS PAINEIS FOTOVOLTAICOS................................................................................
44
3.1 Histórico........................................................................................................................ 44
3.2 Os tipos de painéis fotovoltaicos.................................................................................. 45
3.2.1 Silício monocristalino........................................................................................... 47
3.2.2 Silício policristalino............................................................................................. 49
3.2.3 Silício amorfo....................................................................................................... 50
3.3 Os diferentes tipos de painéis solares fotovoltaicos................................................... 51
3.4 Vantagens e desvantagens............................................................................................ 52
3.5 Curvas características das células fotovoltaicas........................................... 53
3.5.1 Curva de corrente x tensão (curva I-V) ............................................................. 54
3.5.2 - Efeito da intensidade de radiação solar.............................................. 55
3.5.3 Efeito da temperatura.......................................................................................... 56
3.5.4 Combinações de células e curvas resultantes...................................................... 57
3.5.5 Interação do dispositivo fotovoltaico com a carga ............................................. 57
3.5.6 Potência máxima de saída durante o dia............................................................. 58
3.5.7 Interação com uma carga resistiva...................................................................... 59
3.5.8 Interação com uma bateria................................................................................... 60
3.5.9 Interação com um motor de corrente contínua..................................................... 61
4 O BOMBEAMENTO DE ÁGUA ATRAVÉS DA ENERGIA SOLAR
FOTOVOLTAICA..............................................................................................................
63
4.1Aplicações da energia solar fotovoltaica...................................................................... 63
4.2 Arranjos fotovoltaicos.................................................................................................. 64
4.3 Os sistemas de bombeamento solar............................................................................ 65
4.3.1Sistema direto....................................................................................................... 65
4.3.1.1 Vantagens da utilização deste sistema............................................................ 66
4.3.1.2 Aplicações mais comuns................................................................................ 67
4.3.1.3 Dimensionamento........................................................................................... 67
4.3.1.4 Características e benefícios............................................................................. 68
4.3.2 Sistema indireto.................................................................................................... 68
4.3.2.1 Composição do sistema indireto..................................................................... 70
4.3.2.2 Bombas............................................................................................................ 70
68
12
4.3.2.2.1 Bomba centrífuga....................................................................................... 71
4.3.2.2.2 Bomba auto-escorvante.............................................................................. 71
4.3.2.2.3 Bomba solares............................................................................................ 73
4.3.2.3 Baterias........................................................................................................... 73
4.3.2.3.1 Baterias para uso em sistemas fotovoltaicos............................................. 75
4.3.2.4 Inversores........................................................................................................ 76
4.3.2.4.1 Controladores de carga.................................... ....................................... 77
4.4 Aplicações de sistemas fotovoltaicos para o bombeamento de água........................ 79
4.4.1 Irrigação............................................................................................................... 79
4.4.2 Abastecimento residencial.................................................................................... 80
4.4.3 Circulação de água em piscinas........................................................................... 80
4.4.4 Esgotamento......................................................................................................... 80
4.4.5 Refrigeração........................................................................................................ 81
4.4.6 Pecuária............................................................................................................... 81
5 DIMENSIONAMENTO SIMPLES DE UM SISTEMA SOLAR
FOTOVOLTAICO............................................................................................................
82
5.1 Análise para projeto.................................................................................................... 82
5.2 Dimensionamento........................................................................................................ 85
5.2.1 Cálculo do consumo das cargas.......................................................................... 85
5.2.2 Valor da corrente e do ângulo de inclinação do painel...................................... 86
5.2.3 Dimensionamento do banco de baterias............................................................... 86
5.3 Estimativa de Custos.................................................................................................... 89
5.3.1 Kit de bombeamento solar 7000L/dia (5m) para reservatório – GSB-R100-A
Modelo Nº01........................................................................................................................
89
5.3.2 Kit de bombeamento solar 1380L/dia (42m) para poço, reservatório e
cisterna - GSB-8000-B Modelo Nº02..................................................................................
92
CONSIDERAÇÕES FINAIS..............................................................
95
REFERÊNCIAS.............................................................................
96
13
INTRODUÇÃO
Devido a sua ampla aplicação, que vai desde fornecimento de energia elétrica às áreas
remotas, até sistemas que garantem a continuação do serviço em áreas urbanas, o
aproveitamento da energia solar vem sendo umas das principais alternativas energéticas para
o desenvolvimento do mundo atual.
Visto pelo lado do desenvolvimento social, a energia solar fotovoltaica desempenha
um importante papel em áreas isoladas ao redor do mundo. A geração de energia elétrica a
partir da conversão direta da luz em eletricidade garante o suprimento de água e luz para
regiões que não tem acesso à rede de distribuição considerando-se que a utilização mais
presente dessa fonte alternativa de energia elétrica é como geradora de eletricidade. Por outro
lado, um sistema solar fotovoltaico pode ser usado de forma complementar para garantir o
suprimento de energia elétrica nas regiões urbanas caso ocorra uma interrupção no
fornecimento ou então como ferramenta para se economizar com a conta de energia elétrica.
Este trabalho tem como objetivo mostrar que é possível a utilização das fontes
alternativas de energia na produção de energia elétrica, não só em vilarejos rurais, onde ainda
não há linhas de transmissão, como também nos grandes centros urbanos com a intenção de
economizar a energia, trazendo assim benefícios para a população e para o meio-ambiente.
No desenvolvimento deste trabalho será mostrada a relação entre energia, meio-
ambiente e desenvolvimento sustentável, uma abordagem detalhada da energia solar, em
especial a energia solar fotovoltaica, um estudo detalhado dos painéis fotovoltaicos e o
objetivo final deste trabalho que é o bombeamento de água através da energia solar
fotovoltaica.
14
Justificativa de pesquisa
É importante para o profissional técnico conhecer profundamente o conceito de
energia e as fontes alternativas de produção de energia. Isto é, devido ao fato de que o
tecnólogo provavelmente se depare com situações em que será obrigado a oferecer soluções
para o fornecimento de energia em comunidades em que não haja rede elétrica para
abastecimento, ou simplesmente nas grandes cidades, com o objetivo de fornecer uma forma
alternativa de energia para economia e conservação da mesma.
Metodologia de pesquisa
Numa discussão metodológica se faz necessário uma exposição epistemológica. Esta,
por sua vez, deverá tornar explícitas as raízes teóricas que a definem, como se entende no
método o processo de conhecer, ou seja, as relações que unem e opõem ao mesmo tempo um
sujeito que conhece e um objeto que se conhece.
A teoria geral do conhecimento, sendo uma expressão conceitual das leis objetivas que
regem o conhecimento, implica, sem confundirem-se com elas, as leis do pensamento, isto é,
a lógica. Também se deve incluir uma conceituação ou teoria do objeto sobre o qual o método
se aplicará, sobretudo em referência aqueles aspectos próprios e específicos do objeto que
condicionam a elaboração dos passos metodológicos e das técnicas ou instrumentos do
método.
Isto acontece pelo fato de que não se podem aplicar a determinados objetos e técnicas
que são próprios de objetos de outra natureza, sem correr o risco de violentar-lhes a natureza.
Por fim, todo método deve expor a seqüência lógica dos passos a seguir para alcançar o
objetivo pré-determinado, e as distintas técnicas utilizadas, a fim de mostrar como ambos
15
traduzem, a nível operacional, tanto os fundamentos epistemológicos, como os aspectos
específicos do objeto sobre o qual se pretende atuar.
Para a elaboração deste trabalho, será realizada uma pesquisa bibliográfica através da
coleta de dados em livros e através da utilização do meio eletrônico (Internet), para
demonstrar os principais conceitos sobre o tema abordado.
Com relação aos parâmetros para elaboração de uma referência bibliográfica há muitas
divergências entre os autores, no entanto a tendência atual é tomar como referência
fundamental as normas estabelecidas pela ABNT – Associação Brasileira de Normas
Técnicas, que, através da norma NBR 6023, estabelece os critérios oficiais da referência
bibliográfica.
16
1 ENERGIA, MEIO-AMBIENTE E DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL
1.1 Definição de energia
A energia pode ser entendida, não se restringindo apenas a isto, como a capacidade de
realizar trabalho. As sociedades humanas dependem cada vez mais de um elevado consumo
energético para sua subsistência. Para isso, foram sendo desenvolvidos, ao longo da história,
diversos processos de transformação, transporte e armazenamento de energia.
A Energia elétrica é uma forma de energia baseada na geração de diferenças de
potencial elétrico entre dois pontos, que permitem estabelecer uma corrente elétrica entre
ambos. Mediante a transformação adequada é possível obter que tal energia mostre-se em
outras formas finais de uso direto, em forma de luz, movimento ou calor, segundo os
elementos da conservação da energia. É uma das formas de energia que o homem mais utiliza
na atualidade, graças a sua facilidade de transporte e baixo índice de perda energética durante
as conversões.
1.2 Energia e meio-ambiente
A questão energética tem um significado bastante relevante no contexto ambiental e na
busca do desenvolvimento sustentável. Na verdade, ela tem influência em muitas mudanças
de paradigma que estão ocorrendo na humanidade, principalmente por dois motivos. Primeiro,
o suprimento eficiente de energia é considerado uma das condições básicas para o
desenvolvimento econômico. Isso ficou bem claro na década de 1970 devido ao choque da
crise do petróleo. Portanto, deveria ser natural que a questão energética juntamente com
outros de infraestrutura como água e saneamento, transportes e comunicação fizessem parte
da agenda estratégica de todo e qualquer país.
17
Vários desastres ecológicos e humanos das últimas décadas têm relações íntimas com o
suprimento de energia, oferecendo assim, motivação e argumentos em favor do
desenvolvimento sustentável.
Nos últimos anos, a questão energética tomou posição central na agenda ambiental
global, principalmente dentro das negociações da convenção do clima. Isso porque a atual
matriz energética mundial depende ainda de cerca de 80% de combustíveis fósseis, cuja
queima contribui para aumentar rapidamente a concentração de gases que contribuem para o
efeito estufa na atmosfera. De um modo geral, porém, pode se dizer que a importância da
busca de maior eficiência energética e da transição para o uso de recursos primários
renovados tem sido ressaltada em qualquer avaliação sobre desenvolvimento sustentável.
Para que o setor energético se torne sustentável é necessário que seus problemas sejam
abordados de forma holísticas, incluindo não apenas o desenvolvimento e a adoção de
inovações tecnológicas, mas também de importantes mudanças que vem sendo
implementadas em todo o mundo.
Essas mudanças envolvem, por um lado, políticas que tentam redirecionar as escolhas
tecnológicas e os investimentos no setor tanto no suprimento quanto na demanda, bem como a
conscientização e o comportamento dos consumidores. Por outro lado, importantes mudanças
estruturais têm transformado completamente os sistemas operacionais e os mercados de
energia, como a queda de monopólios estatais e a abertura do setor para investidores privados,
maior integração do sistema de produção e distribuição, de forma a aumentar a flexibilidade
de suprimento, desverticalização, regulamentação e fiscalização, voltadas aos interesses dos
consumidores. Tais modificações são impostas e aceleradas por força do atual cenário
mundial de globalização do mercado, embora tomem formas diversas em cada país.
A seguir, apresenta-se uma visão resumida da questão da energia em relação às
questões ambientais e de desenvolvimento, com o objetivo de estabelecer o cenário global
18
onde se insere a geração de energia elétrica, em sua relação com o meio ambiente e na busca
de um desenvolvimento sustentável.
O setor energético produz impacto ambiental em toda cadeia de desenvolvimento,
desde a captura de recursos naturais básicos para seus processos de produção até seus usos
finais por diversos tipos de consumidores. Do ponto de vista global, a energia tem
participação significativa nos principais problemas ambientais da atualidade. A seguir
discutem-se brevemente alguns deles.
1.2.1 A poluição do ar urbano
Este é um dos problemas atuais mais visíveis. Grande parte dessa poluição, largamente
ligada ao uso de energia, deve-se ao transporte e a produção industrial. A produção de
eletricidade a partir de combustíveis fósseis é uma fonte de óxido de enxofre (SOx), óxido de
nitrogênio (NOx), dióxido de carbono (CO2), metano (CH4), monóxido de carbono (CO) e
partículas. As quantidades vão depender das características específicas de cada usina e do tipo
de combustível usado (gás natural, carvão, óleo, madeira, energia nuclear, etc.). Há também
problemas de poluição no interior, devido à emissão de CO e CO2 durante atividades
domésticas com o uso de determinadas fontes energéticas, principalmente em áreas rurais.
Figura 1: Imagem da poluição atmosférica em São Paulo
Fonte: www.ecodebate.com.br
19
1.2.2 A chuva ácida
A chuva ácida resulta de um efeito de poluição causada por reações ocorridas na
atmosfera, como dióxido de enxofre (SO2) e os óxidos de nitrogênio (NOx), que levam a
concentração de ácido sulfúrico (H2SO4) e ácido nítrico (HNO3) na chuva. Ao se depositarem
nos solos, esses ácidos tem efeitos bastante negativos na vegetação e ecossistemas. O uso de
carvão mineral, por exemplo, é um dos grandes causadores de chuva ácida na Europa.
Figura 2: Chuva ácida
Fonte: www.vivaterra.org.br
1.2.3 O desflorestamento e desertificação
Ambos os fenômenos se relacionam respectivamente com:
a) a destruição de florestas devido à poluição do ar, urbanização, expansão da
agricultura, exploração de produtos florestais e regeneração inadequada;
b) a degradação da terra em áreas áridas, semi-áridas, sub-úmidas e secas, devido ao
impacto humano adverso relacionado com cultivo e práticas agrícolas inadequadas, bem como
o desflorestamento, que tem influência no aquecimento global, já que as florestas concentram
grande poder de absorção dos gases que contribuem para o efeito estufa.
20
Figura 3: Área de desmatamento na Floresta Amazônica
Fonte: www.google.com.br
1.2.4 O efeito estufa e as mudanças climáticas
Esses problemas se devem a modificação na intensidade da radiação térmica emitida
pela superfície da Terra devido ao aumento da concentração dos gases que provocam o efeito
estufa na atmosfera. Acredita-se que esse aumento de concentração se deva principalmente a
ações antropogênicas relacionadas com atividades industriais. O dióxido de carbono (CO2) é o
mais significativo e preocupante entre os gases emitidos por essas ações, devido às
quantidades e à longa duração de seus efeitos na atmosfera. Suas emissões estão
principalmente ligadas ao uso de combustíveis fósseis. Outros gases são o metano, óxido
nitroso (N2O) e os clorofluorcarbonetos.
1.2.5 A degradação marinha e costeira
Esta degradação, bem como a de lagos e rios, vem principalmente de materiais
poluentes descarregados nos cursos de água e na atmosfera, que são responsáveis por cerca de
75% dela. O restante vem da navegação, mineração e produção de petróleo.
21
Figura 4: Poluição da costa marinha
Fonte: www.vivaterra.org.br
1.2.6 O alagamento
O alagamento ou perda de áreas de terra agricultáveis ou de valor histórico, cultural e
biológico está relacionado principalmente com o desenvolvimento de barragens e
reservatórios, os quais podem ser criados para a geração de eletricidade. Hidrelétricas
inundam áreas de terra e trazem problemas sociais relacionados com reassentamento de
populações.
Figura 5: Inundação na Amazônia provocada pela formação de uma represa para hidrelétrica
de Balbina.
Fonte: www.exame.abril.com.br
22
1.3 Energia e desenvolvimento sustentável
Na organização mundial atual, a energia pode ser considerada como um bem básico
para a integração do ser humano ao desenvolvimento. Isso porque a energia proporciona
oportunidades e maior variedade de alternativas, tanto para a comunidade como para o
indivíduo. Sem uma fonte de energia de custo aceitável e de credibilidade garantida, a
economia de uma região não pode desenvolver-se plenamente, tão pouco o indivíduo e as
comunidades podem ter acesso adequado a diversos serviços que são essenciais ao aumento
da qualidade de vida, tais como educação, saneamento e saúde pessoal.
A relação do consumo energético com a renda tem sido bastante trabalhada e estudada,
levando a conclusão de que o acesso a uma determinada quantidade de energia é fundamental
para resolver os problemas de disparidade permitindo maior facilidade e segurança na busca
do desenvolvimento sustentável. Cálculos e estimativas foram e tem sido efetuado para
determinar o consumo energético per capita que permitiria o atendimento das necessidades
básicas dos seres humanos. O cenário atual mostra grandes disparidades de consumo
energético entre os países do mundo, principalmente entre os denominados desenvolvidos e
os não desenvolvidos incluindo os denominados emergentes. Esta disparidade segue
praticamente o mesmo padrão da distribuição de renda.
Por outro lado, acredita-se que o grau de desenvolvimento comparável aos alcançados
até o presente, são possíveis, sem que seja necessário um aumento semelhante na utilização de
energia como se verificou no processo de desenvolvimento anterior. Isso quer dizer que, com
um uso eficiente de formas renováveis de energia, é possível prosseguir com o
desenvolvimento sem exercer maiores pressões sobre o ecossistema.
De uma forma geral, as soluções energéticas voltadas ao desenvolvimento sustentável,
hoje defendida, seguem determinadas linhas de referência básica.
23
1- Almeja-se a diminuição do uso de combustíveis fósseis (carvão, óleo, gás), um maior
uso de tecnologias e combustíveis renováveis. O objetivo é alcançar uma matriz
renovável em longo prazo.
2 – É necessário aumentar a eficiência do setor energético desde a produção até o
consumo. Grande parte da crescente demanda energética pode ser suprida através dessas
medidas, principalmente em países desenvolvidos onde a demanda deve crescer de forma
mais moderada.
3- Mudanças no setor produtivo como um todo, são vistas como necessárias para o
aumento de eficiência no uso de materiais, transportes e combustíveis.
4- O desenvolvimento tecnológico do setor energético no sentido de desenvolver
alternativas ambientalmente benéficas. Isso também inclui melhorias nas atividades de
produção de equipamentos e materiais para o setor e exploração de combustíveis.
No setor elétrico, há o desenvolvimento de tecnologias para diminuir o impacto
ambiental negativo de usinas baseadas no uso de carvão mineral, derivados usuais do
petróleo, para implementar maior presença do gás natural, ambientalmente mais limpo do que
outros combustíveis fósseis, para desenvolver centrais nucleares mais seguras e com redução
dos problemas de resíduos e para incentivar o uso das fontes primárias renováveis, tais como
hidrelétricas, solares, eólicas, biomassa e células de combustíveis.
1.4 O sol, energia de amanhã: meios e perspectivas.
A energia produzida através do sol, a energia solar, é hoje umas das principais fontes
de energia alternativa.
24
Figura 6: Painéis solares fotovoltaicos
Fonte: www.google.com.br
Diversamente do uso de produtos indiretos da energia solar, assim como combustíveis
fósseis, ou água corrente, a captação direta e o uso da radiação solar em escala industrial
representa uma inovação na história da humanidade. Ao passo que a energia solar indireta
resulta de um processo de absorção natural em que o homem não tem parte. O uso direto da
radiação solar requer sistemas especialmente projetados e instalados, para absorver e
converter a energia incidente.
Da perspectiva puramente técnica, os sistemas de conversão de energia solar são
potencialmente capazes de produzir a maior parte da futura demanda de energia de todo
planeta. O consumo mundial de energia, de 56.1012
kWh iguala à energia solar que é recebida
anualmente por uma área de 22000 Km2 numa região desertificada. Assim, o consumo
mundial de energia corresponde à radiação solar recebida ao redor de 0,005% da superfície do
globo. Em outras palavras, a radiação solar absorvida na terra é igual a 20000 vezes o
consumo mundial, porque a terra absorve 1019
kWh por ano.
Deve ser enfatizado que o consumo de energia que estamos considerando aqui
compreende todas as aplicações, incluindo aquecimento, produção de eletricidade, transporte
de passageiros, mercadorias, etc. Porém, a comparação acima se refere apenas à energia solar
bruta recebida na terra. Na prática, deve-se dar uma margem para o rendimento dos
25
dispositivos de conversão de energia solar, bem como para o rendimento dos sistemas
associados de armazenamento de energia, que em geral tornam-se necessários.
Os rendimentos práticos e teóricos dos sistemas de conversão mais eficazes são
razoavelmente bem conhecidos, e é pouco provável que venham a mudar substancialmente
para o futuro. Logo, com uma precisão de ± 50%, o rendimento aproximado, do aquecimento
solar, pode ser estimado entre 20 e 30%. A eletricidade solar, um produto igualmente
importante, será discutida mais pormenorizadamente num outro capítulo, mais
consideraremos aqui 10% de rendimento.
1.4.1 A energia solar de amanhã
Já se pesquisam as formas sob as quais a energia solar será utilizada futuramente; a
saber, a biomassa para fins energéticos, os aquecedores de água solares, as caldeiras solares e
outros sistemas para a indústria, eletricidade solar de tipo fotovoltaico ou termo dinâmico, a
hidráulica clássica ou a micro hidráulica e por fim, uma melhor concepção do habitat em seu
ambiente.
A importância que a energia solar assumirá através dessas formas, depende,
evidentemente, de numerosos fatores difíceis de prever: a evolução geral da situação
energética do mundo, possibilidade de armazenagem e controle, reestruturação das
necessidades energéticas no país (grau de sucesso das economias de energia, maior utilização
da eletricidade), vontade política de desenvolvimento da energia solar e sucesso dos projetos
empreendidos.
O aquecedor solar de água doméstica poderá suprir as necessidades pela metade das
instalações maciças de aquecedores solares de água. Todavia, no balanço energético do país
este ganho atingiria pelo menos 1%.
26
Fornos, caldeiras, etc., na indústria, os coletores térmicos solares só poderão ter um
impacto limitado, dado que as temperaturas necessárias para essas aplicações são elevadas.
Admitindo uma utilização relativamente importante para as necessidades térmicas à baixa
temperatura (inferior a 100°C), e para o pré-aquecimento, pode se estimar uma contribuição
solar cobrindo de 2 a 13% da demanda energética nacional.
Biomassa: a França dispõe de 14,8 milhões de ha de florestas. Admitindo um
rendimento de conversão de 0,1% da energia solar incidente, esta superfície produz,
anualmente, cerca de 16 milhões de kWh sob forma de biomassa. Porém, a produção de
matéria útil só corresponde a 8 milhões de kWh sob forma de biomassa.
Eletricidade: a utilização maciça da conversão fotovoltaica e em medidas melhores do
que as centrais hidroelétricas sempre associadas a sistemas de armazenamento ou centrais
clássicas poderiam, contribuir para as necessidades nacionais de eletricidade, numa proporção
de 50%, quer dizer, 13% da demanda energética nacional.
Pelo que foi dito, pode se ver que, na prática, pelo menos, quatro vezes a área teórica é
necessária para proporcionar energia solar útil. Ademais, como parte daquela energia deveria
ser armazenada, uma perda de 20% durante o armazenamento e reconversão deve ser
esperada. Além do que, para a eletricidade solar, seria requerido um espaço entre os coletores,
espaço para condutores de calor ou de eletricidade, áreas de manutenção, etc.
Quando o rendimento da conversão, as perdas e os espaços não produtivos são
tomados em consideração, é provável que os sistemas práticos destinados a produção de toda
necessidade mundial de energia cobririam cerca de 220.000 km 2, ou seja, 10 vezes a área que
absorve uma quantidade bruta equivalente da radiação solar não convertida. Assim, um
sistema de energia solar cobrindo cerca de ¼ da área do Egito, por exemplo, teoricamente
poderia produzir toda energia consumida no mundo. Nota-se que os EUA sozinhos consomem
o equivalente a 1/3 da energia mundial. A 2000 kWh m2 por ano, isso corresponde a um
27
sistema de cerca de 95000 km2 que bem poderia caber no ensolarado estado do Novo México,
onde ocuparia menos de um terço de sua terra. No que concerne a Europa, não ha deserto nos
noves países da zona do euro, que conjuntamente totalizam um sexto do consumo e como na
zona temperada, a radiação solar fornece menos energia por unidade de área, isto é, uma
insolação média de não mais de cerca de 1100 kwh m2
por ano, cerca de 85000 Km2 seriam
precisos, o equivalente a área da Irlanda. Esta é uma área bastante substancial, a Europa é, de
fato, uma região desfavorável, pois um elevado consumo de energia está associado a um
baixo nível de insolação. Dos países altamente industrializados, a Inglaterra e a Alemanha,
podem servir de ilustrações, cada um desses países precisaria devotar cerca de 10% de sua
terra para o sistema de energia solar, o que produziria toda energia necessária.
1.4.2 A produção e o potencial da energia solar no Brasil
Assim como ocorre com os ventos, o Brasil é privilegiado em termos de radiação
solar. O Plano Nacional de Energia 2030 reproduz dados do Atlas Solarimétrico do Brasil e
registra que essa radiação varia de 8 a 22 MJ (megajoules) 1 por metro quadrado (m2) durante
o dia, sendo que as menores variações ocorrem nos meses de maio a julho, variando de 8 a 18
MJ/m2. Além disso, complementa o estudo, o Nordeste possui radiação comparável às
melhores regiões do mundo nessa variável o que, porém, não ocorrem com outras localidades
mais distantes da linha do Equador, como as regiões Sul e Sudeste, onde está concentrada a
maior parte da atividade econômica.
Figura 7: Variação da radiação solar no Brasil.
Fonte: EPE, 2007.
28
Apesar deste potencial e de o uso de aquecedores solares estarem bastante difundido
em cidades do interior e na zona rural, a participação do sol na matriz energética nacional é
bastante reduzida. O que existe no país são pesquisas e implantação de projetos pilotos da
tecnologia.
A expectativa é que a expansão do número de usinas solares ocorra exatamente na
zona rural, como integrante de projetos de universalização do atendimento focados em
comunidades mais pobres e localizadas a grande distância das redes de distribuição.
29
2 A ENERGIA SOLAR
2.1Definição
Energia solar é uma fonte alternativa de energia extraída do sol renovável sem
derivação orgânica como o petróleo, que é uma fonte não renovável de hidrocarbonetos. Essa
energia no futuro irá tomar conta de varias fontes de energia não renovável. A energia solar é
captada por painéis solares, formado por células fotovoltaicas, e transformada em energia
elétrica ou mecânica, a energia solar também é utilizada em residência para o aquecimento da
água. A energia solar é considerada uma energia limpa, e não polui o meio ambiente e não
acaba por ser renovável e ainda é pouco utilizada no mundo, pois o custo de fabricação e
instalação dos painéis solares ainda é muito elevado. Outro problema é a capacidade de
armazenamento dessa energia solar. Os países que mais produzem energia solar são Japão,
Estados Unidos e Alemanha.
2.2 Um breve histórico da energia solar e a evolução da demanda de energia
Há apenas duzentos anos, o homem derivava seus recursos energéticos quase
exclusivamente do sol. Pois naquela época, a quatro ou cinco gerações, a madeira era de uso
geral para o aquecimento, animais eram usados para transportes. Ambas estas espécies de
energias são proporcionadas de forma direta e indiretamente pela fotossíntese, que é um
processo pelo quais as plantas utilizam parte da energia solar para converter dióxido de
carbono e água em substâncias combustíveis e alimentos. Outras formas de energia derivado
do sol eram a do vento e a da água, suas aplicações mais conhecidas eram dos moinhos de
vento e das rodas de água.
O consumo de combustíveis fósseis era insignificante até o século XVIII, que é uma
observação surpreendente, porque os combustíveis fósseis eram conhecidos desde a
antiguidade. Os babilônios usavam betume (petróleo). O petróleo era utilizado para
30
iluminação à base do querosene, e o resto desse petróleo o asfalto era empregado como
material de construção, os índios americanos também conheciam petróleo. No que se referem
ao carvão, os chineses utilizavam há 2000 anos. Os gregos também utilizavam o carvão,
especialmente na fundição do bronze. Na Europa a mineração de carvão é registrada a partir
do século XII.
Já no fim do século XVI, na Inglaterra, nos primeiros passos rumo à industrialização, a
utilização mais geral do carvão para a fabricação do ferro, vidro e tijolos já começava. Mais
foi a partir do século XIV que começou a substituição maciça de energia solar pelos recursos
fósseis, e está pratica foi depois se intensificando. A exploração de carvão começou por volta
de 1820. O começo de grande escala de petróleo data de 12 de agosto de 1859 encontrado
acidentalmente numa perfuração na Pensilvânia – Estados Unidos da América (USA).
E finalmente o homem descobriu a energia nuclear. Os primeiros estudos sobre
materiais radiativos foram iniciados na França e na Alemanha, no fim do século XIX, mais foi
só em 1938 que Hahn, na Alemanha conseguiu a primeira fissão artificial de átomos de
urânio, em 1942, Fermi construiu o primeiro reator atômico, em Chicago.
Em 1850 os Estados Unidos da América apoiavam – se quase completamente em
energia solar renovável nas formas de lenha, tração animal e energia hídrica ou eólica, o
carvão totalizava apenas 7% naquela época, mesmo já tendo se passado mais de 70 anos
desde a invenção de um motor a vapor operacional. Hoje, se quisermos aumentar a fração da
energia solar direta no consumo total de energia, o exemplo dado por nossos antepassados não
podem ser seguido, uma transformação irreversível ocorreu, e não pode haver dúvida que
dirigir a energia solar para as necessidades futuras requer, em primeiro lugar, principalmente
um difícil trabalho de desenvolvimento técnico e um grande esforço industrial. Qual quer
coisa inferior nos levaria de volta a uma civilização primitiva.
31
Como as fontes não renováveis estarão se esgotando, em longo prazo nenhum país
pode se apoiar nelas indefinidamente. Isso explica o crescente interesse e mesmo ansiedade,
para desenvolver novas fontes de energia que não sejam combustíveis fosseis.
1 - A energia solar recebida pela terra a cada ano é 10 vezes maior que os recursos
fósseis totais, incluindo as reservas não descobertas, inexploradas e não recuperáveis.
2- O carvão e outros combustíveis sólidos constituem uma reserva muito importante.
3 - A energia nuclear disponível de reatores de água leve não deve ser superestimada.
É apenas da ordem de grandeza das reservas de petróleo.
Para o Brasil, com a radiação solar acima de 2500 horas/ano, a conversão tanto da luz
como do calor em energia, despontam com condições muito maiores do que as da Europa.
Existem varias formas diretas de se obter grande quantidade de energia ou de eletricidade
através do sol: pelo calor solar através das caldeiras solares, verdadeiras usinas térmicas, e
pela luz através das células fotovoltaicas. As primeiras já são realidades, e a segunda
atualmente feita de forma artesanal, portanto caras, então a espera da produção em massa,
para se tornarem acessíveis e interessantes no preço.
2.3 Formas de utilização da energia solar
O aproveitamento da energia gerada pelo Sol, inesgotável na escala terrestre de tempo,
tanto como fonte de calor quanto de luz, é hoje, sem sombra de dúvidas, uma das alternativas
energéticas mais promissoras para enfrentarmos os desafios do novo milênio. E quando se
fala em energia, deve-se lembrar que o Sol é responsável pela origem de praticamente todas
as outras fontes de energia. Em outras palavras, as fontes de energia são, em última instância,
derivadas da energia do Sol.
32
É a partir da energia do Sol que se dá a evaporação, origem do ciclo das águas, que
possibilita o represamento e a conseqüente geração de eletricidade (hidroeletricidade). A
radiação solar também induz a circulação atmosférica em larga escala, causando os ventos.
Petróleo, carvão e gás natural foram gerados a partir de resíduos de plantas e animais que,
originalmente, obtiveram a energia necessária ao seu desenvolvimento, da radiação solar.
Algumas formas de utilização da energia solar são apresentadas a seguir.
2.3.1Energia solar fototérmica
Nesse caso, estamos interessados na quantidade de energia que um determinado corpo
é capaz de absorver, sob a forma de calor, a partir da radiação solar incidente no mesmo. A
utilização dessa forma de energia implica saber captá-la e armazená-la. Os equipamentos mais
difundidos com o objetivo específico de se utilizar a energia solar fototérmica são conhecidos
como coletores solares.
Os coletores solares são aquecedores de fluidos (líquidos ou gasosos) e são
classificados em coletores concentradores e coletores planos em função da existência ou não
de dispositivos de concentração da radiação solar. O fluido aquecido é mantido em
reservatórios termicamente isolados até o seu uso final (água aquecida para banho, ar quente
para secagem de grãos, gases para acionamento de turbinas, etc.).
Os coletores solares planos são, hoje, largamente utilizados para aquecimento de água
em residências, hospitais, hotéis, etc. devido ao conforto proporcionado e a redução do
consumo de energia elétrica.
33
2.3.2 A arquitetura bioclimática
Chama-se arquitetura bioclimática o estudo que visa harmonizar as construções ao
clima e características locais, pensando no homem que habitará ou trabalhará nelas, e tirando
partido da energia solar, através de correntes convectivas naturais e de micro climas criados
por vegetação apropriada. É a adoção de soluções arquitetônicas e urbanísticas adaptadas às
condições específicas (clima e hábitos de consumo) de cada lugar, utilizando, para isso, a
energia que pode ser diretamente obtida das condições locais.
A arquitetura bioclimática não se restringe a características arquitetônicas adequadas.
Preocupa-se, também, com o desenvolvimento de equipamentos e sistemas que são
necessários ao uso da edificação (aquecimento de água, circulação de ar e de água,
iluminação, conservação de alimentos, etc.) e com o uso de materiais de conteúdo energético
tão baixo quanto possível.
2.3.3 A energia solar fotovoltaica
A Energia Solar Fotovoltaica é a energia obtida através da conversão direta da luz em
eletricidade (Efeito Fotovoltaico). O efeito fotovoltaico, relatado por Edmond Becquerel, em
1839, é o aparecimento de uma diferença de potencial nos extremos de uma estrutura de
material semicondutor, produzida pela absorção da luz. A célula fotovoltaica é a unidade
fundamental do processo de conversão.
Inicialmente o desenvolvimento da tecnologia apoiou-se na busca, por empresas do
setor de telecomunicações, de fontes de energia para sistemas instalados em localidades
remotas. O segundo agente impulsionador foi a “corrida espacial”. A célula solar era, e
continua sendo, o meio mais adequado (menor custo e peso) para fornecer a quantidade de
energia necessária para longos períodos de permanência no espaço. Outro uso espacial que
impulsionou o desenvolvimento das células solares foi a necessidade de energia para satélites.
34
A crise energética de 1973 renovou e ampliou o interesse em aplicações terrestres.
Porém, para tornar economicamente viável essa forma de conversão de energia, seria
necessário, naquele momento, reduzir em até 100 vezes o custo de produção das células
solares em relação ao daquelas células usadas em explorações espaciais. Modificou-se,
também, o perfil das empresas envolvidas no setor. Nos Estados Unidos, as empresas de
petróleo resolveram diversificar seus investimentos, englobando a produção de energia a
partir da radiação solar.
Em 1993 a produção de células fotovoltaicas atingiu a marca de 60 MWp, sendo o
Silício quase absoluto no “ranking” dos materiais utilizados. O Silício, segundo elemento
mais abundante no globo terrestre, tem sido explorado sob diversas formas: monocristalino,
policristalino e amorfo. No entanto, a busca de materiais alternativos é intensa e concentra-se
na área de filmes finos, onde o silício amorfo se enquadra. Células de filmes finos, além de
utilizarem menor quantidade de material do que as que apresentam estruturas cristalinas
requerem uma menor quantidade de energia no seu processo de fabricação. Ou seja, possuem
uma maior eficiência energética.
2.4 A radiação solar
O Sol fornece anualmente, para a atmosfera terrestre, 1,5 x 1018 kWh de energia.
Trata-se de um valor considerável, correspondendo a 10000 vezes o consumo mundial de
energia neste período. Este fato vem indicar que, além de ser responsável pela manutenção da
vida na Terra, a radiação solar constitui-se numa inesgotável fonte energética, havendo um
enorme potencial de utilização por meio de sistemas de captação e conversão em outra forma
de energia (térmica, elétrica, etc.).
35
Uma das possíveis formas de conversão da energia solar é conseguida através do
efeito fotovoltaico que ocorre em dispositivos conhecidos como células fotovoltaicas. Estas
células são componentes optoeletrônicos que convertem diretamente a radiação solar em
eletricidade. São basicamente constituídas de materiais semicondutores, sendo o silício o
material mais empregado.
2.4.1 Radiação Solar: captação e conversão
O nosso planeta, em seu movimento anual em torno do Sol, descreve em trajetória
elíptica um plano que é inclinado de aproximadamente 23,5º com relação ao plano equatorial.
Esta inclinação é responsável pela variação da elevação do Sol no horizonte em relação à
mesma hora, ao longo dos dias, dando origem às estações do ano e dificultando os cálculos da
posição do Sol para uma determinada data, como pode ser visto na figura. A posição angular
do Sol, ao meio dia solar, em relação ao plano do Equador (Norte positivo) é chamada de
Declinação Solar (δ). Este ângulo, que pode ser visto na figura 8, varia, de acordo com o dia
do ano, dentro dos seguintes limites:
-23,45° ≤ δ ≤ 23,45°
A soma da declinação com a latitude local determina a trajetória do movimento
aparente do Sol para um determinado dia em uma dada localidade na Terra.
36
Figura 8: Órbita da Terra em torno do Sol, com seu eixo N-S inclinado de um ângulo de 23,5o.
Fonte: www.cresesb.cepel.br
A radiação solar que atinge o topo da atmosfera terrestre provém da região da
fotosfera solar, que é uma camada tênue com aproximadamente 300 km de espessura e
temperatura superficial da ordem de 5800ºC. Porém, esta radiação não se apresenta como um
modelo de regularidade, pois há a influência das camadas externas do Sol (cromosfera e
coroa), com pontos quentes e frios, erupções cromosféricas, etc.
Apesar disto, pode-se definir um valor médio para o nível de radiação solar incidente
normalmente sobre uma superfície situada no topo da atmosfera. Dados recentes da WMO
(World Meteorological Organization) indicam um valor médio de 1367 W/m2 para a radiação
extraterrestre. Fórmulas matemáticas permitem o cálculo, a partir da “Constante Solar”, da
radiação extraterrestre ao longo do ano, fazendo a correção pela órbita elíptica.
A radiação solar é radiação eletromagnética que se propaga a uma velocidade de
300.000 km/s, podendo-se observar aspectos ondulatórios e corpusculares. Em termos de
comprimentos de onda, a radiação solar ocupa a faixa espectral de 0,1 μ m a 5 μ m, tendo uma
máxima densidade espectral em 0,5 μ m, que é a luz verde.
37
São através da teoria ondulatória, que são definidas para os diversos meios materiais,
as propriedades na faixa solar de absorção e reflexão e, na faixa de 0,75 a 100 μ m,
correspondente ao infravermelho, as propriedades de absorção, reflexão e emissão.
Figura 9: Distribuição espectral da radiação solar.
Fonte: www.cresesb.cepel.br
A energia solar incidente no meio material pode ser refletida, transmitida e absorvida.
A parcela absorvida dá origem, conforme o meio material, aos processos de fotoconversão e
termoconversão.
2.4.2 Radiação solar no nível do solo
De toda a radiação solar que chega às camadas superiores da atmosfera, apenas uma
fração atinge a superfície terrestre, devido à reflexão e absorção dos raios solares pela
atmosfera.
38
Esta fração que atinge o solo é constituída por um componente direta (ou de feixe) e
por uma componente difusa.
Figuras 10: Componentes da radiação solar ao nível do solo
Fonte: www.cresesb.cepel.br
Notadamente, se a superfície receptora estiver inclinada com relação à horizontal,
haverá uma terceira componente refletida pelo ambiente do entorno (solo, vegetação,
obstáculos, terrenos rochosos, etc.). O coeficiente de reflexão destas superfícies é denominado
de “albedo”.
Antes de atingir o solo, as características da radiação solar (intensidade, distribuição
espectral e angular) são afetadas por interações com a atmosfera devido aos efeitos de
absorção e espalhamento. Estas modificações são dependentes da espessura da camada
atmosférica, também identificada por um coeficiente denominado "Massa de Ar" (AM), e,
portanto, do ângulo Zenital do Sol, da distância Terra-Sol e das condições atmosféricas e
meteorológicas.
Devido à alternância de dias e noites, das estações do ano e períodos de passagem de
nuvens e chuvosos, o recurso energético solar apresenta grande variabilidade, induzindo,
39
conforme o caso, à seleção de um sistema apropriado de estocagem para a energia resultante
do processo de conversão.
Observa-se que somente a componente direta da radiação solar pode ser submetida a
um processo de concentração dos raios através de espelhos parabólicos, lentes, etc. Consegue-
se através da concentração, uma redução substancial da superfície absorvedora solar e um
aumento considerável de sua temperatura.
Figura 11: Trajetória dos raios de sol na atmosfera e definição do coeficiente de "Massa de Ar" (AM).
Fonte: www.cresesb.cepel.br
2.5 Solarimetria e instrumentos de medição
A medição da radiação solar, tanto a componente direta como a componente difusa na
superfície terrestre é de grande importância para os estudos das influências das condições
climáticas e atmosféricas. Com um histórico dessas medidas, pode-se viabilizar a instalações
de sistemas térmicos e fotovoltaicos em uma determinada região garantindo o máximo
aproveitamento ao longo do ano onde, as variações da intensidade da radiação solar sofrem
significativas alterações.
40
De acordo com as normas estabelecidas pela OMM (Organização Mundial de
Meteorologia) são determinados limites de precisão para quatro tipos de instrumentos: de
referência ou padrão, instrumentos de primeira, segunda e terceira classe. As medições
padrões são: radiação global e difusa no plano horizontal e radiação direta normal.
A seguir mostramos alguns instrumentos de medida da radiação, o uso mais freqüente
e a classe associada ao seu desempenho.
2.5.1Os piranômetros
Os piranômetros medem a radiação global. Este instrumento caracteriza-se pelo uso de
uma termopilha que mede a diferença de temperatura entre duas superfícies, uma pintada de
preto e outra pintadas de branco igualmente iluminadas. A expansão sofrida pelas superfícies
provoca um diferencial de potencial que, ao ser medida, mostra o valor instantâneo da energia
solar.
Outro modelo bem interessante de piranômetro é aquele que utiliza uma célula
fotovoltaica de silício monocristalino para coletar medidas solarimétrias. Estes piranômetro
são largamente utilizados, pois apresentam custos bem menores do que os equipamentos
tradicionais. Pelas características da célula fotovoltaica, este aparelho apresenta limitações
quando apresenta sensibilidade em apenas 60% da radiação solar incidente.
Existem vários modelos de piranômetros de primeira (2% de precisão) e também de
segunda classe (5% de precisão). Existem vários modelos de diversos fabricantes entre eles
podemos citar: Eppley 8-48 (USA), Cimel CE-180 (França), Schenk (Áustria), M-80M
(Rússia), Zonen CM5 e CM10 (Holanda).
41
Figura 12: Piranômetro de Segunda Classe
Fonte: www.cresesb.cepel.br
Figura 13: Secção transversal de um piranômetro
Fonte: www.cresesb.cepel.br
2.5.2 Os pireliômetros
Os pireliômetros são instrumentos que medem a radiação direta. Ele se caracteriza por
apresentar uma pequena abertura de forma a “visualizar” apenas o disco solar e a região
vizinha denominada circunsolar. O instrumento segue o movimento solar onde é
constantemente ajustado para focalizar melhor a região do sensor. Muitos dos pireliômetros
hoje são autocalibráveis apresentando precisão na faixa de 5% quando adequadamente
utilizados para medições.
42
Figura 14: Pireliômetros de Cavidade Absoluta
Fonte: www.cresesb.cepel.br
Figura 15: Pireliômetros de Incidência Normal
Fonte: www.cresesb.cepel.br
2.5.3 O heliógrafo
Instrumento que registra a duração do brilho solar. A radiação solar é focalizada por
uma esfera de cristal de 10 cm de diâmetro sobre uma fita que, pela ação da radiação é
enegrecida. O cumprimento desta fita exposta a radiação solar mede o número de horas de
insolação.
43
Figura 16: Heliógrafo Capbell-Stokes
Fonte: www.cresesb.cepel.br
2.5.4 Actinógrafo
Instrumento usado para medir a radiação global. Este instrumento é composto de
sensores baseados na expansão diferencial de um par bimetálico. Os sensores são conectados
a uma pena que, quando de suas expansões, registram o valor instantâneo da radiação solar.
Sua precisão encontra-se na faixa de 15 a 20% e é considerado um instrumento de terceira
classe.
Figura 17: Actinógrafo Robitzsch-Fuess
Fonte: www.cresesb.cepel.br
44
3 OS PAINEIS FOTOVOLTAICOS
O aproveitamento da energia gerada pelo Sol, inesgotável na escala terrestre de tempo,
tanto como fonte de calor quanto de luz, é hoje, sem sombra de dúvidas, uma das alternativas
energéticas mais promissoras para enfrentarmos os desafios do novo milênio. Neste capítulo,
serão citados os tipos de painéis solares fotovoltaicos.
3.1 Histórico
A Energia Solar Fotovoltaica é a energia obtida através da conversão direta da luz em
eletricidade (Efeito Fotovoltaico), o painel solar capta a luz e faz a conversão em eletricidade.
A conversão de energia solar em energia elétrica foi verificada pela primeira vez por Edmond
Becquerel, em 1839 que constatou uma diferença de potencial nos extremos de uma estrutura
de material semicondutor quando exposto a luz. Em 1876 foi montado o primeiro aparato
fotovoltaico resultado de estudos das estruturas no estado sólido, e apenas em 1956 iniciou-se
a produção industrial seguindo o desenvolvimento da microeletrônica.
Neste ano a utilização de fotocélulas foi de papel decisivo para os programas
espaciais. Com este impulso, houve um avanço significativo na tecnologia fotovoltaica onde
se aprimorou o processo de fabricação, a eficiência das células e seu peso. 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 para
programas espaciais, mas que fosse intensamente estudados e utilizados no meio terrestre para
suprir o fornecimento de energia.
Um dos fatores que impossibilitava a utilização da energia solar fotovoltaica em larga
escala era o alto custo das células fotovoltaicas. As primeiras células foram produzidas com o
custo de US$600/W para o programa espacial. Com a ampliação dos mercados e várias
empresas voltadas para a produção de células fotovoltaicas, o preço tem reduzido ao longo
45
dos anos podendo ser encontrado hoje, a custo médio de US$ 8,00/W. As facilidades do
painel solar tais como: modularidade, baixos custos de manutenção e vida útil longa, fazem
com que seja de grande importância para instalações em lugares desprovidos da rede elétrica.
3.2 Os tipos de painéis fotovoltaicos
Os Painéis Solares são constituídos por células fotovoltaicas. As células fotovoltaicas
são fabricadas, na sua grande maioria, usando o silício (Si) e podendo ser constituídas de
cristais monocristalinos, policristalinos ou de silício amorfo.
O efeito fotovoltaico dá-se em materiais da natureza denominados semicondutores que
se caracterizam pela presença de bandas de energia onde é permitida a presença de elétrons
(banda de valência) e de outra onde é totalmente “vazia” (banda de condução).
O semicondutor mais usado é o silício. Seus átomos se caracterizam por possuírem
quatro elétrons que se ligam aos vizinhos, formando uma rede cristalina. Ao adicionarem-se
átomos com cinco elétrons de ligação, como o fósforo, por exemplo, haverá um elétron em
excesso que não poderá ser emparelhado e que ficará "sobrando", fracamente ligado a seu
átomo de origem. Isto faz com que, com pouca energia térmica, este elétron se livre, indo para
a banda de condução. Diz-se assim, que o fósforo é um dopante doador de elétrons e
denomina-se dopante n ou impureza n.
46
Figura 18: Corte transversal de uma célula fotovoltaica
Fonte: www.cresesb.cepel.br
Se, por outro lado, introduzem-se átomos com apenas três elétrons de ligação, como é
o caso do boro, haverá uma falta de um elétron para satisfazer as ligações com os átomos de
silício da rede. Esta falta de elétron é denominada buraco ou lacuna e ocorre que, com pouca
energia térmica, um elétron de um sítio vizinho pode passar a esta posição, fazendo com que o
buraco se desloque. Diz-se, portanto, que o boro é um aceitador de elétrons ou um dopante p.
Figura 19: Efeito fotovoltaico na junção pn
Fonte: www.cresesb.cepel.br
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Se, partindo de um silício puro, forem introduzidos átomos de boro em uma metade e
de fósforo na outra, será formado o que se chama junção pn. O que ocorre nesta junção é que
elétrons livres do lado n passam ao lado p onde encontram os buracos que os capturam e isto
faz com que haja um acúmulo de elétrons no lado p, tornando-o negativamente carregado e
uma redução de elétrons do lado n, que o torna eletricamente positivo. Estas cargas
aprisionadas dão origem a um campo elétrico permanente que dificulta a passagem de mais
elétrons do lado n para o lado p, este processo alcança um equilíbrio quando o campo elétrico
forma uma barreira capaz de barrar os elétrons livres remanescentes no lado n.
Se uma junção pn for exposta a fótons com energia maior que o gap, ocorrerá a
geração de pares elétron-lacuna, se isto acontecer na região onde o campo elétrico é diferente
de zero, as cargas serão aceleradas, gerando assim, uma corrente através da junção, este
deslocamento de cargas dá origem a uma diferença de potencial ao qual chamamos de Efeito
Fotovoltaico. Se as duas extremidades do "pedaço" de silício forem conectadas por um fio,
haverá uma circulação de elétrons. Esta é a base do funcionamento das células fotovoltaicas.
3.2.1 Silício monocristalino
A célula de silício monocristalino é historicamente a mais usada e comercializada
como conversor direto de energia solar em eletricidade e a tecnologia para sua fabricação é
um processo básico muito bem constituído. A fabricação da célula de silício começa com a
extração do cristal de dióxido de silício. Este material é desoxidado em grandes fornos,
purificado e solidificado. Este processo atinge um grau de pureza em 98 e 99% o que é
razoavelmente eficiente sob o ponto de vista energético e de custo. Este silício para funcionar
como células fotovoltaicas necessitam de outros dispositivos semicondutores e de um grau de
pureza maior devendo chegar à faixa de 99,99%.
48
Fonte: www.google.com.br
Figura 20: Célula de silício monocristalino
Para utilizar o silício na indústria eletrônica além do alto grau de pureza, o material
deve ter a estrutura monocristalina e baixa densidade de defeitos na rede. O processo mais
utilizado para chegar às qualificações desejadas é chamado "processo Czochralski". O silício
é fundido juntamente com uma pequena quantidade de dopante, normalmente o boro que é do
tipo p. Com um fragmento do cristal devidamente orientado e sob rígido controle de
temperatura, vai-se extraindo do material fundido um grande cilindro de silício
monocristalino levemente dopado. Este cilindro obtido é cortado em fatias finas de
aproximadamente 3 mm. Após o corte e limpezas de impurezas das fatias, devem-se
introduzir impurezas do tipo N de forma a obter a junção. Este processo é feito através da
difusão controlada onde as fatias de silício são expostas a vapor de fósforo em um forno onde
a temperatura varia entre 800 a 1000ºC.
Dentre as células fotovoltaicas que utilizam o silício como material base, as
monocristalinas são, em geral, as que apresentam as maiores eficiências. As fotocélulas
comerciais obtidas com o processo descrito atingem uma eficiência de até 15% podendo
chegar em 18% em células feitas em laboratórios.
49
3.2.2 Silício policristalino
As células de silício policristalino são mais baratas que as de silício monocristalino
por exigirem um processo de preparação das células menos rigoroso. A eficiência, no entanto,
cai um pouco em comparação as células de silício monocristalino.
O processo de pureza do silício utilizado na produção das células de silício
policristalino é similar ao processo do Si monocristalino, o que permite obtenção de níveis de
eficiência compatíveis. Basicamente, as técnicas de fabricação de células policristalinas são as
mesmas na fabricação das células monocristalinas, porém com menores rigores de controle.
Figura 21: Célula de silício policristalino
Fonte: www.google.com.br
Podem ser preparadas pelo corte de um lingote, de fitas ou depositando um filme num
substrato, tanto por transporte de vapor como por imersão. Nestes dois últimos casos só o
silício policristalino pode ser obtido. Cada técnica produz cristais com características
específicas, incluindo tamanho, morfologia e concentração de impurezas. Ao longo dos anos,
o processo de fabricação tem alcançado eficiência máxima de 12,5% em escalas industriais.
50
3.2.3 Silício amorfo
Uma célula de silício amorfo difere das demais estruturas cristalinas por apresentar
alto grau de desordem na estrutura dos átomos. A utilização de silício amorfo para uso em
fotocélulas tem mostrado grandes vantagens tanto nas propriedades elétricas quanto no
processo de fabricação. Por apresentar uma absorção da radiação solar na faixa do visível e
podendo ser fabricado mediante deposição de diversos tipos de substratos, o silício amorfo
vem se mostrando uma forte tecnologia para sistemas fotovoltaicos de baixo custo. Mesmo
apresentando um custo reduzido na produção, o uso de silício amorfo apresenta duas
desvantagens: a primeira é a baixa eficiência de conversão comparada às células mono e
policristalinas de silício; em segundo, as células são afetadas por um processo de degradação
logo nos primeiros meses de operação, reduzindo assim a eficiência ao longo da vida útil.
Figura 22: Célula de silício amorfo
Fonte: www.google.com.br
Por outro lado, o silício amorfo apresenta vantagens que compensam as deficiências
acima citadas, são elas:
• processo de fabricação relativamente simples e barato;
• possibilidade de fabricação de células com grandes áreas;
• baixo consumo de energia na produção.
51
Figura 23: Rendimento elétrico dos vários tipos de células fotovoltaicas
Rendimento
típico
Máximo
registrado
em aplicações
Rendimento
máximo registrado
em laboratório
Monocristalina 12-15% 22.7% 24.0%
Policristalina 11-14% 15.3% 18.6%
Silício amorfo 6-7% 10.2% 12.7% Fonte: BP Solar.
3.3 Os diferentes tipos de painéis solares fotovoltaicos
Uma célula individual, unidade de base de um sistema fotovoltaico, produz apenas
uma reduzida potência elétrica, o que tipicamente varia entre 1 e 3 W, com uma tensão menor
que 1 Volt. Para disponibilizar potências mais elevadas, as células são integradas, formando
um módulo (ou painel). Ligações em série de várias células aumentam a tensão
disponibilizada, enquanto que ligações em paralelo permitem aumentar a corrente elétrica. A
maioria dos módulos comercializados é composta por 36 células de silício cristalino,
conectadas em série, para aplicações de 12V. Quanto maior for o módulo, maior será a
potência e/ou a corrente disponível.
Encontram-se, geralmente, 3 tipos de painéis solares:
1 - Painéis de baixa voltagem / baixa potência feito de 3 até 12 pequenos segmentos de
silício amorfo, com uma superfície total de alguns centímetros quadrados. A voltagem
encontra-se entre 1.5 e 6 V, e a potência é de alguns miliwatts. O uso de este tipo de módulo é
freqüente em relógios, calculadoras, etc.
2 - Pequenos painéis de 1-10 W e 3-12 V. A utilização principal destes módulos é feita
em rádios, jogos, pequenas bombas de água, etc.
3 -Grandes painéis de 10 até 60 W, com uma tensão de 6 ou 12 V. A utilização
principal é feita essencialmente em grandes bombas de água, para responder às necessidades
de eletricidade de caravanas (luz e refrigeração), e também em casas (ver figura 24).
52
Figura 24: Exemplo de aplicação de painéis fotovoltaicos em uma residência
Fonte: Euro-Sun Technology
3.4 Vantagens e desvantagens
A tecnologia solar fotovoltaica apresenta um grande número de vantagens:
Alta fiabilidade – não tem peças móveis, o que é muito útil em aplicações em locais
isolados.
A fácil portabilidade e adaptabilidade dos módulos - permitem montagens simples e
adaptáveis a várias necessidades energéticas. Os sistemas podem ser dimensionados para
aplicações de alguns miliwatts ou de kilowatts.
O custo de operação é reduzido - a manutenção é quase inexistente não necessita de
combustível, transporte, nem trabalhadores altamente qualificados. A tecnologia fotovoltaica
apresenta qualidades ecológicas, pois o produto final é não poluente, silencioso e não perturba
o ambiente.
53
No entanto, esta tecnologia apresenta também algumas desvantagens:
A fabricação dos módulos fotovoltaicos necessita tecnologia muito sofisticada
necessitando de um custo de investimento elevado.
O rendimento real de conversão de um modulo é reduzido (o limite teórico máximo
numa célula de silício cristalino é de 28%), face ao custo do investimento.
Os geradores fotovoltaicos raramente são competitivos do ponto de vista econômico,
em face de outros tipos de geradores (e.g. geradores a gasóleo). A exceção restringe-se a
casos onde existam reduzidas necessidades de energia em locais isolados e/ou em situações de
grande preocupação ambiental.
Quando é necessário proceder ao armazenamento de energia sob a forma química
(baterias), o custo do sistema fotovoltaico torna-se ainda mais elevado.
3.5 Curvas características das células fotovoltaicas
Serão apresentadas neste tópico algumas características importantes dos painéis
fotovoltaicos.
54
3.5.1 Curva de corrente x tensão (curva I-V)
A representação típica da característica de saída de um dispositivo fotovoltaico (célula,
módulo, sistema) denomina-se curva corrente tensão.
A corrente de saída mantém praticamente constante dentro da amplitude de tensão de
funcionamento e, portanto, o dispositivo pode ser considerado uma fonte de corrente
constante neste âmbito.
A corrente e a tensão em que opera o dispositivo fotovoltaico são determinadas pela
radiação solar incidente, pela temperatura ambiente, e pelas características das cargas
conectadas ao mesmo.
Figura 25: Gráfico tensão-corrente
Fonte: www.google.com.br
Os valores transcendentes desta curva são:
55
Corrente de curto-circuito (Icc): Máxima corrente que pode entregar um dispositivo
sob condições determinadas de radiação e temperatura correspondendo a tensão nula e
conseqüentemente a potência nula.
Tensão de circuito aberto (Vca): Máxima tensão que pode entregar um dispositivo
sob condições determinadas de radiação e temperatura correspondendo a circulação de
corrente nula e conseqüentemente a potência nula.
Potencia Pico (Pmp): É o valor máximo de potencia que pode entregar o dispositivo.
Corresponde ao ponto da curva no qual o produto V x I é máximo.
Corrente a máxima potencia (Imp): corrente que entrega o dispositivo a potência
máxima sob condições determinadas de radiação e temperatura. É utilizada como corrente
nominal do mesmo.
Tensão a máxima potencia (Vmp): tensão que entrega o dispositivo a potência
máxima sob condições determinadas de radiação e temperatura. É utilizada como tensão
nominal do mesmo.
3.5.2 Efeito da intensidade de radiação solar
O resultado de uma mudança na intensidade de radiação é uma variação na corrente
de saída para qualquer valor de tensão.
A corrente varia com a radiação de forma diretamente proporcional. A tensão
mantém-se praticamente constante.
56
Figura 26: Gráfico do efeito da intensidade de radiação solar
Fonte: www.google.com.br
3.5.3 Efeito da temperatura
O principal efeito provocado pelo aumento da temperatura do módulo é uma redução
da tensão de forma diretamente proporcional. Existe um efeito secundário dado por um
pequeno incremento da corrente para valores baixos de tensão. Tudo isto está indicado na
Figura 27.
É por isso que para locais com temperaturas ambientes muito elevadas são adequados
módulos que possuam maior quantidade de células em série a fim de que as mesmas tenham
suficiente tensão de saída para carregar baterias.
57
Figura 27: Gráfico do efeito da temperatura
Fonte: www.google.com.br
3.5.4 Combinações de células e curvas resultantes
A tensão no ponto de máxima potência de saída para uma célula é de
aproximadamente 0,5 Volts em pleno sol. A corrente que entrega uma célula é proporcional à
superfície da mesma e à intensidade da luz. É por isso que para conseguir módulos com
correntes de saída menores utilizam-se em sua fabricação terços, quartos, meios, etc. de
células.
Um módulo fotovoltaico é um conjunto de células conectadas em série (somam-se
suas tensões) que formam uma unidade com suficiente tensão para poder carregar uma bateria
de 12 volts de tensão nominal (Esta bateria necessita entre 14 e 15 Volts para poder carregar-
se plenamente). Para conseguir esta tensão necessitam-se entre 30 e 36 células de silício
Monocristalino conectadas em série.
3.5.5 Interação do dispositivo fotovoltaico com a carga
A curva I-V corrigida para as condições ambientais reinantes, é só uma parte da
informação necessária para saber qual será a característica de saída de um módulo. Outra
58
informação imprescindível é a característica operativa da carga a conectar. É a carga que
determina o ponto de funcionamento na curva I-V.
3.5.6- Potência máxima de saída durante o dia
A característica I-V do módulo varia com as condições ambientais (radiação,
temperatura). Isto quer dizer que haverá uma família de curvas I-V que nos mostrará as
características de saída do módulo durante o dia numa época do ano.
Figura 28: Gráfico da potência máxima durante o dia
Fonte: www.google.com.br
A curva de potência máxima de um módulo em função da hora do dia tem a forma
indicada neste diagrama de carga:
59
Figura 29: Gráfico da quantidade de energia durante o dia
Fonte: www.google.com.br
A quantidade de energia que o módulo é capaz de entregar durante o dia é
representada pela área compreendida sob a curva da Figura 29 e, mede-se em Watts hora/dia.
Observa-se que não é possível falar de um valor constante de energia entregue pelo
módulo em Watts hora uma vez que varia conforme a hora do dia. Será necessário então
trabalhar com os valores da quantidade de energia diária entregue. (Watts hora/dia).
3.5.7 Interação com uma carga resistiva
No exemplo mais simples, se conectam os bornes de um módulo aos de uma lâmpada
incandescente (que se comporta como uma resistência elétrica) o ponto de operação do
módulo será o da interseção da sua curva característica com uma resta que representa
graficamente a expressão I= V / R, sendo R a resistência da carga a conectar.
60
Figura 30: Gráfico de interação com uma carga resistiva
Fonte: www.google.com.br
3.5.8 - Interação com uma bateria
Uma bateria tem uma tensão que depende do seu estado de carga, antiguidade,
temperatura, regime de carga e descarga, etc. Esta tensão é imposta a todos os elementos que
a ela estão ligados, incluindo o módulo fotovoltaico.
Figura 31: Gráfico de interação com uma bateria
Fonte: www.google.com.br
61
É incorreto pensar que um módulo com uma tensão máxima de saída de 20 volts
elevará uma bateria de 12 volts para 20 volts e a danificará. É a bateria que determina o ponto
de funcionamento do módulo. A bateria varia sua amplitude de tensão entre 12 e 14 volts.
Dado que a saída do módulo fotovoltaico é influenciada pelas variações de radiação e
de temperatura ao longo do dia, isto se traduzirá numa corrente variável entrando na bateria.
Figura 32: Gráfico da variação da corrente e tensão ao longo do dia
Fonte: www.google.com.br
3.5.9 Interação com um motor de corrente contínua
Um motor de corrente contínua tem também uma curva I-V. A interseção da mesma
com a curva I-V do módulo determina o ponto de funcionamento.
62
Figura 33: Gráfico da interação com um motor de CC
Fonte: www.google.com.br
Quando se liga um motor diretamente ao sistema fotovoltaico, sem bateria nem
controles intermediários, diminuem os componentes envolvidos e, portanto aumenta a
confiabilidade.
Mas, como mostra a Figura 34, não se aproveitará a energia gerada nas primeiras
horas da manhã e ao entardecer.
Figura 34: Gráfico do aproveitamento de energia em um motor de CC
Fonte: www.google.com.br
63
4 O BOMBEAMENTO DE ÁGUA ATRAVÉS DA ENERGIA SOLAR
FOTOVOLTAICA
Neste capítulo falaremos sobre a utilização da energia solar fotovoltaica para o
bombeamento d’água. Será feita uma abordagem sobre o Sistema de Bombeamento Direto e
Indireto, os equipamentos utilizados, assim como as suas aplicações.
4.1Aplicações da energia solar fotovoltaica
Qualquer tipo de carga acionada por eletricidade é passível de alimentação via energia
solar fotovoltaica, basta que o sistema seja corretamente projetado.
As aplicações mais comuns são apresentadas abaixo:
1 - Irrigação;
2 - Alimentação de equipamentos de telecomunicação em locais remotos;
3 - Fornecimento de energia a pequenos povoados ou residências individuais;
4 - Sistemas de emergência;
5 - Sinalização de estradas e portos;
6 - Cerca elétrica;
7 - Bombeamento de água;
8 - Equipamentos de uso marítimo;
9 - Iluminação de áreas abertas (praças, jardins, estacionamentos, áreas de lazer).
64
Figura 35: Sistema de Bombeamento de água utilizando a energia solar
Fonte: www.google.com.br
4.2 Arranjos fotovoltaicos
Arranjo fotovoltaico é o conjunto formado por módulos fotovoltaicos ligados
eletricamente entre si e que funcionam como um único gerador de energia elétrica. Como dito
anteriormente, os módulos podem ser ligados entre si em paralelo ou em série, dependendo da
sua aplicação. Quando é feita a ligação em série, as tensões são somadas e a corrente
permanece inalterada. Quando temos uma ligação em paralelo, as tensões nas células são
iguais e as correntes são somadas.
Para o correto dimensionamento dos módulos, é necessário que se conheça o
comportamento da carga bem como o seu ciclo de utilização. Deve-se levar em consideração
também alguns fatores que influenciam na potência de saída dos painéis, tais como:
Sombreamento devido à projeção do que se encontra ao redor;
Intensidade luminosa;
Inclinação;
65
Temperatura das células;
Nebulosidade.
Segundo fontes de pesquisa, dado de extrema importância é o número de horas de Sol
Pleno, que corresponde ao número equivalente de horas com radiação constante e igual a 1
kW/m2, de forma que a energia total diária acumulada é mantida.
4.3 Os sistemas de bombeamento solar
O bombeamento de água utilizando a energia solar fotovoltaica pode ser feito através
de dois sistemas: O sistema direto e o sistema indireto.
4.3.1Sistema direto
É quando o funcionamento depende diretamente da luz solar. Consiste nos painéis
fornecendo energia diretamente ao motor da bomba, sem acumuladores (bateria), através ou
não de uma interface de controle. O bombeamento ocorre quando há insolação suficiente. A
quantidade de líquido bombeado é variável conforme o tempo e nível de exposição ao sol.
Figura 36: Diagrama de blocos de um Sistema de Bombeamento Solar Direto.
Fonte: www.google.com.br
66
Figura 37: Sistema de Bombeamento Solar Direto
O sistema compõe-se da bomba+interface+painel solar.
Bomba Submersível Bomba de Superfície
Fonte: www.solenerg.com.br
4.3.1.1 Vantagens da utilização deste sistema
A água é um fator de saúde e de progresso. Permite a fixação do homem no campo ao
dispor dela para seu consumo próprio, de suas culturas e de seus animais. Entretanto, muitas
comunidades não dispõem de acesso à água potável, apesar de freqüentemente estarem sobre
lençóis subterrâneos com água de alta qualidade. Muitas vezes, a causa desta situação é a falta
de energia elétrica para o bombeamento da água destes lençóis.
As bombas acionadas com motor diesel, usualmente, têm grande capacidade de
bombeamento, mas traz problemas de suprimento além das despesas como combustível
necessário à sua operação. Sua manutenção é freqüente e nem sempre feita de forma
adequada, reduzindo sua vida útil. A poluição sonora e do ar que produzem é outro fator
negativo.
67
O sistema de bombeamento solar dispensa a rede elétrica e o motor diesel, produzindo
sua própria eletricidade. É eficiente, confiável, necessita de pouca manutenção e resolve o
problema de abastecimento de água com um custo relativamente baixo. Uma característica
favorável ao uso dessa tecnologia refere-se ao casamento perfeito entre a fonte energética, a
radiação solar e a necessidade de água. Geralmente, as regiões mais secas e carentes de água
são as que possuem insolação em abundância. E em épocas de maior nebulosidade, a
necessidade de água normalmente é menor.
4.3.1.2 Aplicações mais comuns
Bombeamento em lagos, piscinas, criadouros de peixes, aquecimento ou resfriamento
por água, manutenção de cisternas, aeração, nas comunidades remotas distantes da rede
elétrica, nos bebedouros para animais e na irrigação de culturas de baixo consumo de água. A
fonte tanto pode ser subterrânea quanto superficial, etc. Os sistemas são mais viáveis quando
o produto matemático do volume a ser bombeado diariamente (m3/dia) pela altura de elevação
da água (adução + recalque em metros) é inferior a 500 m3/dia.
4.3.1.3 Dimensionamento
O sistema é dimensionado de acordo com a quantidade de água prevista para uso, as
características do poço, as alturas manométricas envolvidas, as características da insolação
local e outras circunstâncias do projeto. As necessidades de água devem ser levantadas, com
base no consumo previsto de acordo com o sistema de distribuição adotado e com as
potencialidades de usos diversos (residencial, irrigação, animais etc.), levando-se em conta
que, quanto maior for à quantidade diária bombeada maior será o número de módulos
fotovoltaicos utilizados e, portanto o investimento inicial.
68
4.3.1.4 Características e benefícios
Facilidade de instalação;
Elevada confiabilidade operacional;
Nível baixo de manutenção;
Sem gastos com energia elétrica ou combustível;
Protege o poço contra bombeamento excessivo;
Bombeamento sem ruído e sem poluição;
Dispensa o uso de baterias elétricas.
4.3.2 Sistema indireto
Sistema indireto é quando o funcionamento do sistema não depende totalmente da
incidência da luz solar. É composto pelo painel solar, bomba, controlador e baterias. Este tipo
de bombeamento pode funcionar inclusive à noite e seu rendimento independe da irradiação
solar. A quantidade de líquido bombeado é mais estável e controlado.
Figura 38: Configuração do Sistema de Bombeamento Solar Indireto
Fonte: www.cresesb.cepel.br
69
Figura 39: Diagrama de blocos de um Sistema de Bombeamento Solar Indireto
O sistema compõe-se de bomba + painel solar+ controlador + bateria.
Fonte: www.google.com.br
Recomenda-se, para um melhor resultado, a instalação de Controlador PWM (RC24),
que permite partidas mais suaves do motor e estabiliza a corrente, proporcionando maior vida
ao motor e melhor rendimento da bomba.
Figura 40: Sistema de Bombeamento Solar Indireto
Fonte: www.solenerg.com.br
70
4.3.2.1 Composição do Sistema Indireto
Este sistema de bombeamento não depende apenas da luz solar, depende de uma
interface que contém além do painel solar, já citado em capítulo anterior, bomba, controlador,
inversor e baterias. Citaremos detalhadamente cada componente utilizado neste sistema.
4.3.2.2 Bombas
Bomba é o dispositivo que adiciona energia aos líquidos e tem como finalidade
facilitar o movimento dos mesmos. A energia é tomada de um eixo, de uma haste ou de outro
fluido e transmitido através do aumento de pressão, aumento de velocidade ou aumento de
elevação, ou combinação destas formas de energia. As bombas de uma maneira geral
apresentam as seguintes características:
Resistência: adequadas para resistir aos esforços mecânicos provenientes da
operação;
Facilidade de operação: adaptáveis às mais diversas fontes de energia;
Manutenção simplificada;
Alto rendimento: transformação de energia com o mínimo de perdas;
Economia: custos de aquisição e operação compatíveis com as condições de
mercado.
Existe uma infinidade de tipos de bombas, porém para este trabalho serão
consideradas apenas as bombas do tipo centrífugas e auto-escorvante.
71
4.3.2.2.1 Bomba Centrífuga
É o tipo de bomba mais utilizado para bombeamento de água. Seu funcionamento se
dá em conseqüência da rotação de um eixo no qual é acoplado um disco dotado de hélices
(rotor). O eixo recebe o fluido pelo seu centro e o expulsa para os lados devido à ação da
força centrífuga.
Figura 41: Bomba Centrífuga
Fonte: www.kohlbach.com
4.3.2.2.2 Bomba auto-escorvante
Bomba auto-escorvante é aquela que retira líquido de um reservatório que fica a um
nível inferior a ela, ou seja, não precisa trabalhar inundada ao líquido. No momento da
partida, o líquido retido em reservatório auxiliar da bomba é liberado e preenche a tubulação,
dando condições de partida à bomba. A maioria das bombas, a centrífuga, por exemplo, não
conseguem puxar líquido nesta condição devido ao ar existente na tubulação. Daí a
necessidade de ter bombas auto-escorvantes.
72
Figura 42: Bomba auto-escorvante
Fonte: www.dancor.com.br
4.3.2.2.3 Bomba Solares
As bombas solares fornecem o bombeamento do líquido através de vibração. Essa
tecnologia proporciona alta vazão com baixo consumo. As bombas podem operar em sistemas
de 100 a 170WP. A instalação é simples e o sistema é composto pela bomba, painel e
"driver", sem a necessidade de bateria. São capazes de bombear até 8600 l / dia e altura
máxima de 40 metros.
Esta bomba pode ser utilizada com água, em:
Poços com diâmetro a partir de 6" (polegadas) ou 153 mm. de diâmetro, altura de
300mm. x 143 mm. de diâmetro, saída de 3/4".
Cisterna ou reservatórios: a bomba se apóia no fundo do reservatório com altura de
352mm x 220 mm de diâmetro e saída de 3/4". Aplicação para bombeamento de água até 40
metros de altura.
73
Figura 43: Bombas Solares para uso em poços, cisternas e reservatórios.
Fonte: www.solenerg.com.br
4.3.2.3 Baterias
Bateria é um dispositivo que armazena energia química e a disponibiliza sob a forma
de energia elétrica. Podem ser classificadas em recarregáveis e não recarregáveis. As baterias
não recarregáveis são compostas por células primárias e possuem vida útil limitada. Seu ciclo
chega ao fim assim que são descarregadas por completo. São normalmente utilizadas para
aplicações de baixa potência.
As células secundárias são encontradas nas baterias recarregáveis e são comumente
chamadas de baterias de armazenamento. São baterias de uso geral, utilizadas nas mais
diversas aplicações, podendo ser usadas durante longos períodos.
Para cada tipo de bateria existe uma infinidade de formas de construção e outra grande
variedade de materiais que as compõe. Atualmente, as baterias recarregáveis mais utilizadas
são compostas de chumbo-ácido e íon lítio. Quanto à aplicação, podem ser classificadas
como:
Automotivas - são aquelas projetadas para descargas rápidas com alta taxa de
corrente e baixa profundidade de descarga.
Tração - são projetadas para operar em regime de ciclos diários profundos e com taxa
de descarga moderada.
74
Estacionárias - baterias que permanecem em flutuação e são solicitadas
ocasionalmente para ciclos de carga e descarga. São utilizadas em sistemas de emergência.
Fotovoltaicas - são aquelas que devem suportar descargas profundas quando
solicitadas na ausência de Sol.
Outra forma de se classificar as baterias recarregáveis é quanto à forma de
confinamento do eletrólito. Assim sendo, podem ser:
Abertas: quando há a necessidade de se verificar o nível do eletrólito.
Seladas: também conhecidas como "sem manutenção", pois não necessitam da
adição de líquido.
A eficiência das baterias recarregáveis está diretamente relacionada com a forma com
que é utilizada. Alguns procedimentos podem ser tomados para aumentar a vida útil da
bateria, são eles: manutenção do estado de carga, operação em ambientes de temperatura
controlada e controle de sobrecarga.
Figura 44: Bateria
Fonte: www.bosch.com
75
4.3.2.3.1 Baterias para uso em sistemas fotovoltaicos.
Para utilização em sistemas fotovoltaicos, a bateria deve atender a dois tipos de ciclos:
ciclos rasos a cada dia e ciclos profundos por vários dias. Outros fatores que devem ser
observados são:
Baixa taxa de auto-descarga (processo espontâneo em que a bateria descarrega
através de processos químicos internos);
Elevada vida cíclica (número de ciclos que uma bateria pode ser submetida antes de
apresentar falhas que comprometam o seu correto funcionamento);
Confiabilidade (capacidade de atender a carga de forma ininterrupta e sem falhas
durante o seu ciclo de funcionamento).
As mais utilizadas em sistemas fotovoltaicos são as baterias de chumbo-ácido, porém
as baterias de níquel-cádmio são as que apresentam características mais próximas das ideais,
porém seu elevado custo impede que seja utilizada em larga escala.
Figura 45: Bateria para uso em sistema solar fotovoltaico.
Fonte: www.neosolar.com.br/baterias
76
4.3.2.4 Inversores
Inversor é um dispositivo elétrico que utiliza um mecanismo de chaveamento
(transistores, IGBT ou MOSFET) para alternar o fluxo de corrente sendo assim capaz de
converter corrente contínua (CC) em corrente alternada (CA). Normalmente possui tensão de
entrada de 12, 24 ou 48 V (CC) e converte em 127 ou 220 V (CA). Com isso, é possível
utilizar equipamentos projetados para funcionar em corrente alternada a partir de uma fonte de
corrente contínua.
Figura 46: Inversor de tensão
Fonte: www.br.all.biz/inversor de tensão
Os inversores são classificados de acordo com a forma de onda produzida em corrente
alternada. Podem ser encontrados nas seguintes formas:
Inversores de onda quadrada: apresentam muitos harmônicos na saída. Geralmente
utilizado para cargas resistivas.
Inversores de onda quadrada modificada: apresentam menor distorção harmônica e a
forma de onda da saída aproxima-se mais de uma onda senoidal. Adequado para alimentar
lâmpadas, equipamentos eletrônicos e motores.
77
Inversor de onda senoidal: são os que produzem tensão de saída e desempenho mais
adequados. Podem operar qualquer aparelho CA.
PWM: baixa distorção harmônica apesar do aspecto visual da forma de onda. Não é
indicado para equipamentos muito sensíveis uma vez que apresenta picos de tensão e com
isso pode atrapalhar o funcionamento do equipamento em questão.
Figura 47: Forma de ondas dos inversores.
Fonte: www.macrosol.wagtel.com/inversor de carga.
A forma de onda está diretamente relacionada com a qualidade e o custo do inversor.
Sua eficiência geralmente está na faixa de 50 a 90%.
4.3.2.4 Controladores de carga
Estão presentes na maioria dos sistemas fotovoltaicos e são responsáveis pela máxima
transferência de potência do arranjo fotovoltaico para o banco de baterias com a finalidade de
carregá-las corretamente. Possuem função de proteção contra corrente reversa, carga e
descarga excessiva das baterias e sobrecorrente. Também são conhecidos por "Gerenciador de
carga", "Regulador de carga" ou "Regulador de tensão".
78
Figura 48: Controlador de Carga.
Fonte: www.macrosol.wagtel.com.
Seu funcionamento se dá através da leitura da tensão das baterias para determinar o
seu estado de carga. Os circuitos internos dos controladores variam, mas a maioria dos
controladores faz a leitura da tensão para controlar a intensidade de corrente que flui para as
baterias na medida em que estas se aproximam da sua carga máxima.
Para o seu correto dimensionamento, primeiramente leva-se em consideração o tipo de
bateria que será utilizada e em seguida determina-se a tensão e corrente de operação do
sistema. O controlador mais utilizado é o do tipo shunt que tem um menor consumo se
comparado ao regulador série.
Figura 49: Configurações de controladores de carga: a(série) e b(paralelo)
Fonte: www.proceedings.scielo.br
79
4.4 Aplicações de sistemas fotovoltaicos para o bombeamento de água
Sistemas fotovoltaicos para bombeamento são uma das principais e mais vantajosas
aplicações da energia solar. Neste tópico serão discutidas algumas aplicações desse sistema.
4.4.1 Irrigação
Consiste em bombear a água de um reservatório diretamente para o campo a ser
irrigado. É uma alternativa bastante viável para o desenvolvimento da agricultura, uma vez
que as plantações se encontram em áreas distantes e muitas vezes não são atendidas pela rede
de distribuição de energia elétrica.
Essa tecnologia já vem sendo empregada no Brasil, e dois casos servirão de exemplo
para ilustrar tal situação. Temos no Município de Capim Grande, na Bahia, um sistema
formado por 16 painéis M55 da Siemens e uma bomba de superfície Mc Donald de 1cv CC
que em época de cheia chega a bombear até 12m³ de água por dia, e no Município de Pão de
Açúcar, em Alagoas, outro sistema que é capaz de irrigar 1 ha através do bombeamento de
40m³ de água por dia.
Temos a possibilidade de utilizar outra configuração que possibilita o armazenamento
de energia e, assegura a irrigação para dias em que a energia gerada pelos painéis
fotovoltaicos não é suficiente para suprir a demanda da carga. Dessa forma, a irrigação está
garantida independentemente da condição climática momentânea.
80
4.4.2 Abastecimento residencial
O abastecimento residencial é um dos usos mais difundidos e viáveis. O sistema pode
ser dimensionado para atender uma residência individualmente ou uma pequena comunidade.
Temos alguns exemplos espalhados pelo Brasil. Não necessita de armazenamento de energia,
uma vez que a água bombeada pode ser estocada em reservatórios e depois usada. Apesar de
não ser necessária, a utilização de banco de baterias dá uma maior confiabilidade ao sistema
evitando que haja desabastecimento.
4.4.3 Circulação de água em piscinas
O arranjo fotovoltaico gera energia elétrica necessária para o funcionamento da bomba
durante o processo de filtragem e circulação da água na piscina. É uma alternativa pouco
explorada por apresentar um alto investimento inicial para um uso que não é essencial.
4.4.4 Esgotamento
O sistema pode ser utilizado para esgotar água de poços artesianos, de minas, de
garagens e subestações alagadas pelo excesso de chuva. É visto como sistema de emergência
em caso de interrupção no fornecimento de energia elétrica pela rede ou dano às instalações
de suprimento de energia. É necessário que se use um banco de baterias com uma boa
autonomia para garantir que a água será esgotada mesmo em períodos de chuva constante.
Muitas vezes a sua utilização é contestada já que os locais onde esse sistema pode ser
instalado ficam em áreas urbanas ou com acesso direto à rede de distribuição. Nesses casos, a
alternativa é a utilização de uma unidade de fonte de alimentação ininterrupta (UPS).
81
4.4.5 Refrigeração
É uma aplicação de uso industrial. A água bombeada de um reservatório é utilizada
para o resfriamento forçado de um equipamento. O sistema é formado por um arranjo
fotovoltaico, controlador de carga, banco de baterias, inversor e bomba e tem como objetivo
reduzir o valor pago à concessionária de energia.
4.4.6 Pecuária
Sistema utilizado em bebedouros de animais no campo. A água será bombeada e então
consumida no pasto. É composta por um sistema fotovoltaico sem armazenamento de energia
e surge como alternativa para a expansão da pecuária.
82
5 DIMENSIONAMENTO SIMPLES DE UM SISTEMA SOLAR FOTOVOLTAICO
Com a crescente demanda global por energia e a importância do impacto das políticas
energéticas sobre a sociedade e o meio ambiente, cria-se a necessidade de se optar por fontes
de energia que possam abastecer a demanda de forma eficiente e sem agredir o meio
ambiente, formando assim a base para um desenvolvimento sustentável.
Assim, conversão solar fotovoltaica é cada dia mais cotada como meio de substituição
aos métodos convencionais de geração de eletricidade, pois na época atual, em que problemas
ambientais se agravam e as matérias primas se esgotam, torna-se insustentável a exploração
continuada dos combustíveis fósseis. O aproveitamento deste tipo de energia, obtida através
da transformação direta de recursos naturais como a força do vento, a energia hidráulica, a
biomassa e a energia solar, tem sido uma importante opção na atual conjuntura mundial.
Neste capítulo, apresentaremos um modelo simples para o dimensionamento de um
sistema solar fotovoltaico.
5.1 Análise para projeto
A fim de garantir um projeto econômico e funcional o projetista deve ser criterioso
durante a avaliação do processo de escolha das varias combinações possíveis para atender da
melhor forma as solicitações de carga. Conhecimento dos detalhes de funcionamento dos
componentes é extremamente importante para que o dimensionamento de sistemas
fotovoltaicos seja feito de forma correta e cuidadosa, proporcionando um sistema eficiente,
durável, sem causar qualquer tipo de risco a seus usuários. Para um bom dimensionamento é
importante conhecer o valor da radiação solar existente na localidade de implantação do
projeto, assim como a temperatura ambiente, pois a energia gerada é dependente das mesmas.
83
Um modo bastante conveniente de quantificar a energia solar acumulada no
período de um dia é através do número de horas de insolação útil (ou sol
pleno conforme algumas bibliografias). Esta grandeza reflete a quantidade
de horas em que a energia solar irradiada permanece constante em
1000W/m2 (valor de referência considerado na determinação dos parâmetros
elétricos dos painéis fotovoltaicos), ou seja, a energia total acumulada em
um dia pode ser considerada como valor constante. Seja o exemplo em que a
energia acumulada num dia é de 10KWh/m2
, a insolação útil vale 10 horas
por dia [ERGE T, 2001].
Existem bibliografias que trazem mapas de insolação do Brasil para cada
mês do ano, como o Atlas solarimétrico do Brasil [FAE/UFPE, 1997] e o
Atlas de Irradiação Solar de Brasil [LABSOLAR, 1998], porém, recomenda-
se seu uso somente quando não é possível obter dados mais precisos.
Informações sobre insolação podem também ser obtidas por meio do
programa SUNDATA [CRESESB].
O desempenho das placas fotovoltaicas é bastante influenciado pela temperatura e pelo
índice de radiação solar. Sendo que com a elevação do índice de insolação ocorre um aumento
linear da corrente e logarítmico da tensão, os quais influenciaram proporcionalmente no
aumento da potência máxima. Para a variação da temperatura, ocorre o contrário da insolação,
à medida que se tem uma elevação da temperatura ambiente nota-se um decréscimo da
potência máxima, devido a corrente permanecer praticamente constante e a tensão diminuir.
Figura 50: Média anual da insolação diária (em horas) no território brasileiro.
Fonte: www.aneel.gov.br/atlas solarimétrico do Brasil
84
Quando o fabricante informa que a placa fornece determinada potencia, é baseado em
testes para valores fixos de temperatura (25°C) e radiação (1000W/m2
). Para melhor
compreensão faz-se uma análise de uma placa de um determinado fornecedor com potência de
50W. Onde variamos o valor da radiação e mantemos a temperatura constante, e
posteriormente variamos a temperatura e mantivemos o valor da radiação. Cujos resultados
estão nas figuras 51 e 52
.
Figura 51: Variação da potência do módulo com a variação do índice de insolação
Fonte: www.google.com.br
Figura 52: Variação da potência do módulo com a variação da temperatura
Fonte: www.google.com.br
85
5.2 Dimensionamento
5.2.1 Cálculo do consumo das cargas
O consumo deve ser calculado com base diária considerando a sazonalidade semanal
para cargas CA e CC.
Consumo para cargas de corrente-contínua e corrente alternada.
Onde:
Cons1= consumo para cargas de corrente-contínua,
Cons2= consumo para cargas de corrente alternada,
EfCon= eficiência do conversor DC-AC
ConsTotal= consumo total,
C1= coeficiente de segurança para perdas.
A eficiência do conversor gira em torno de 70 a 80% e segundo [BOILY, 1998] para
um projeto preliminar de SF utiliza-se coeficiente de segurança de 20%.
86
5.2.2 Valor da corrente e do ângulo de inclinação do painel
O ângulo de inclinação de um painel vai variar de acordo com o valor da latitude.
Trabalha-se com o conceito de insolação útil, que considera o número de horas em que o
módulo está drenando uma máxima corrente a uma radiação de 1000W/m2
.
Onde:
PotInst = Potência instalada,
ConsTot= consumo total,
H = horas de Máxima radiação solar
5.2.3 Dimensionamento do banco de baterias
Para um bom dimensionamento é necessário saber a capacidade de armazenamento ou
reserva das baterias (kWh) e a amplitude de descarga das mesmas (%). Para isso é necessário
que se conheça e analise dados de várias baterias.
Onde:
Bat= reserva de baterias,
ConsTot= consumo total,
87
D= número de dias independentes,
AmpDesc= amplitude de descarga,
EfCon= eficiência do conversor.
Para passar para Ah basta:
Onde:
Bat (Ah) = reserva da bateria em Ah,
Vn= tensão nominal da bateria.
Para se determinar o número de painéis é necessário verificar se os mesmos serão
colocados em série ou em paralelo.
Em série:
Onde:
Ms= número de painéis em série,
Vcarga= tensão da carga,
Vpainel= tensão do painel
Em paralelo:
88
Onde:
Mp= número de painéis em paralelo,
Icarga= corrente da carga,
Ipainel= corrente do painel.
Assim o número de módulos é dado por:
A área que os módulos vão ocupar é calculada multiplicando a área de cada módulo
pelo número de módulos
Para que o dimensionamento de um sistema fotovoltaico seja mais preciso é necessário
não somente avaliar o índice de radiação solar, mas também levar em consideração a
temperatura do local, o que ainda não tem sido analisado na maioria dos projetos. O projetista
deve ser criterioso na especificação dos equipamentos para garantir um projeto econômico e
funcional. O desenvolvimento matemático e critérios de avaliação desenvolvidos irão auxiliar
o projetista na verificação da viabilidade de se implantar em um determinado local um
sistema fotovoltaico, baseando no índice de radiação e da temperatura local, cujos dados
podem ser coletados por aparelhos de medição ou obtidos em mapas de insolação, obtendo-se
assim características do desempenho das placas, assim como efetuar cálculos para
dimensionar os equipamentos a serem utilizados, baseado no tipo de configuração e da carga
solicitada pelo consumidor.
89
5.3 Estimativa de Custos
Neste tópico do capítulo faremos um orçamento de um sistema para bombeamento
considerando os Kits de bombeamento solar GSB-R100-A 7000L/dia (altura de 5m), GSB-
8000-B 1380L/dia (altura de 42m).
5.3.1 Kit de Bombeamento Solar 7000L/dia (5m) Para Reservatório – GSB-R100-A
Preço: R$ 2.459,00
O Kit GSB-R100-A pode bombear diariamente 7000 litros de água a 05m* ou até 1200
litros a 40m.
Figura 53: Vazão diária (em litros) do kit GSB-R100-A
Fonte: www.minhacasasolar.com.br
O kit de bombeamento solar GSB-R100-A não requer nenhum equipamento adicional
para funcionamento, além dos suportes para os painéis, cabos elétricos e mangueiras. Vem
90
com 01 bomba solar para reservatório Anauger, 01 Driver 100 e 02 painéis fotovoltaicos
de 85W.
USOS MAIS COMUNS
Pequenas irrigações
Abastecimento de residências
Bebedouros, tanques e reservatórios para animais.
ITENS INCLUSOS
01 - Bomba Anauger Solar R100 para água doce
01 - Driver 100
02 – Painel solar fotovoltaico de 85W
01 - Manual de instruções ilustrado, em português.
ESPECIFICAÇÕES DO PRODUTO
Bomba Anauger Solar R100
A bomba solar Anauger R100 é uma bomba vibratória submersível para água doce
destinada ao uso em reservatórios ou cisternas. Pode ser instalada em qualquer lugar em que
haja sol, inclusive em locais remotos e de difícil acesso. O sistema de bombeamento Anauger
Solar R100 é composto pela bomba de água R100 e pelo Driver 100 – equipamento que
controla o fornecimento de energia à bomba por meio de um micro controlador digital. A
energia proveniente dos painéis fotovoltaicos (adquiridos separadamente) é armazenada no
Driver em capacitores e convertida em impulsos de energia constantes e espaçados em função
91
do nível de radiação solar. Sempre haverá bombeamento de água enquanto houver luz do dia,
independente das condições meteorológicas.
Elevação (altura manométrica total) máxima: 40 metros
Possui captação de água na parte inferior da bomba, que proporciona um melhor
aproveitamento do reservatório.
Submersão contínua (Resistência à umidade IP58)
Temperatura máxima da água: 35°C
Proteção contra choque elétrico: Classe II
Driver 100
Tensão de entrada: 36VCC
Corrente entrada máx.: 3,4A
Potência total dos módulos: 100WP a 170WP
Proteção contra choque elétrico: Classe II
Resistência à umidade: IP65
Painel Solar Fotovoltaico Policristalino de 85W
Desempenho em condições de teste padrão (STC**):
Potência máxima (Pmax): 85WP
*Altura manométrica medida em metros de coluna de água (mca). Volume bombeado
considerando 05 horas de sol forte (radiação solar de 6,0Kw/m²), sem nuvens, diariamente.
92
5.3.2 - Kit de Bombeamento Solar 1380L/dia (42m) Para Poço, Reservatório e Cisterna -
GSB-8000-B Preço: R$ 959,00
O Kit GSB-8000-B é potente e confiável. Pode bombear diariamente 1380 litros de
água a até 42m*.
Figura 54: Vazão diária (em litros) do kit GSB-800-B
Fonte: www.minhacasasolar.com.br
O kit de bombeamento solar GSB-8000-B não requer nenhum equipamento adicional
para funcionamento, além dos cabos elétricos e dos suportes. É composto por equipamentos
profissionais de alta qualidade e longa vida útil. Pode ser instalado facilmente em qualquer
lugar em que haja sol, inclusive em locais remotos e de difícil acesso. Requer pouca
manutenção e funciona durante o dia sem o consumo de energia elétrica externa.
USOS MAIS COMUNS
Pequenas irrigações
Abastecimento de residências
Bebedouros, tanques e reservatórios para animais.
Embarcações
93
Motorhome
ITENS INCLUSOS
Bomba Solar SHURFLO 8000
Painel Solar Fotovoltaico de 135W
ESPECIFICAÇÕES DO PRODUTO
Bomba Solar SHURFLO:
Quando conectada a um painel solar fotovoltaico de 135 Watts, a bomba solar Shurflo
8000-443-136 pode bombear até 1380L/dia a uma altura manométrica de até 42 metros ou até
1980L/dia a zero metro. A bomba de água solar Shurflo 8000 é prática e super resistente.
Pode ser ligada diretamente no painel solar fotovoltaico (ou bateria 12V) sem a necessidade
de acessórios adicionais
Conexão a tubulação: 1/2 polegada
Tubulação: 1/2 a 3/4 de polegada
Peso: 2,07 Kg
Sucção:
Auto-escorvação até 3,66m vertical.
Pressão máxima de entrada: 30PSI.
Dimensões (cm): 21,5 x 11,4 x 10,4
Tensão de trabalho: 12V corrente contínua
Pressostato: Ajuste de 40 a 60 PSI
Ajuste de Fábrica:
Desligamento: 60PSI
Religamento: 45 PSI +/-5 PSI
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Painel Solar Fotovoltaico:
Condições Padrões de Teste (CPT):
Potência máxima (Pmax): 135WP
**CPT: Irradiação de 1000W / m², Espectro de Massa de Ar 1.5 e Temperatura de Célula de
25°C
*Altura manométrica medida em metros de coluna de água (mca). Volume bombeado
considerando 05 horas de sol forte, sem nuvens, diariamente.
95
CONSIDERAÇÕES FINAIS
Os sistemas fotovoltaicos de bombeamento surgem como uma excelente alternativa
para o problema de abastecimento de água. Apesar da eficiência e da confiabilidade, é
importante que haja uma reeducação das pessoas para que o consumo de água seja feito de
forma racional, evitando desperdício.
Como foi visto, os sistemas fotovoltaicos de bombeamento de água podem ter outras
aplicações, mas estes se mostram muito vantajosos para o abastecimento residencial,
especialmente se for considerada apenas uma habitação. Para este caso é importante frisar que
a utilização de bombas projetadas para uso em sistemas fotovoltaicos é muito mais indicada,
tanto do ponto de vista econômico quanto do ponto de vista operacional, do que a utilização
de um inversor e uma bomba alimentada por motor de indução monofásico.
Quanto aos sistemas fotovoltaicos para irrigação, o seu uso de forma massificada se
dará ao passo que surgirem incentivos que compensem o investimento inicial que ainda é
muito alto.
96
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ALDABÓ, Ricardo. Energia solar. São Paulo: Artliber, 2002.
CENTRO DE PESQUISAS DE ENERGIA ELÉTRICA - CEPEL; CENTRO DE
REFERÊNCIA PARA ENERGIA SOLAR E EÓLICA SÉRGIO DE SALVO BRITO –
CRESESR. Manual de engenharia para sistemas fotovoltaicos. Rio de Janeiro: CEPEL -
CRESESB, 2004. 206p., il. ISBN Broch..
PALZ, W. (Wolfgang). Energia solar e fontes alternativas. São Paulo: Hemus, 2002.
REIS, Lineu Belico dos. Geração de Energia elétrica: tecnologia, inserção ambiental,
planejamento, operação e análise de viabilidade. 3.ed. Barueri: Manole, 2003.
SCHEER, Hermann. Economia solar global: estratégias para a modernidade ecológica.
Rio de Janeiro: Cresesb - Cepel, 2002.
SOUZA, Hamilton Moss de (Org.); SILVA, Patrícia de Castro da (Org.); DUTRA, Ricardo
Marques (Org.). Coletânea de artigos: energias solar e eólica. Rio de Janeiro: Cresesb -
Cepel, 2005. 2 v.
SOLENERG. Bombeamento de água com energia solar. Disponível em:
<http://www.solenerg.com.br/Bombeamento-de-agua-com-energia-solar.pdf>. Acesso: 20 de
novembro de 2013.
SOLTÍCIO ENERGIA. Projetos especiais: sistema fotovoltaico. Disponível em:
<http://www.solsticioenergia.com.br/solucoes/projetos-especiais> Acesso: 20 de novembro de
2013.
Sites consultados:
Disponível em <http://www.aneel.gov.br/aplicacoes/atlas/pdf/Energia_Solar.pdf>
Disponível em <http://www.emepa.org.br/revista/volumes/energia_solar.pdf>
Disponível em <http://www.cresesb.cepel.br/tutorial/tutorial_solar.pdf>
Disponível em <http://www.ingenieroambiental.com/energiasolar.doc>
Disponível em <http://www.sunlab.com.br/bombas.htm>
Disponível em <http://www.solenerg.com.br/bombeamento.htm>
Disponível em <http://poli.ufrj.br/artigos sobre energia solar>
Disponível em <http://www.energia.usp.br/lsf/pdf>
Disponível em <http://www.feagri.unicamp.br/energia>
97
Disponível em <http://www.neosolar.com.br/baterias.html>
Disponível em <http://www.br.all.biz/inversor de tensão>
Disponível em <http://www.macrosol.wagtel.com/inversor de carga>
Disponível em <http://www.proceedings.scielo.br >
Disponível em <http://www.bosch.com>
Disponível em <http://www.dancor.com.br>
Disponível em <http://www.kohlbach.com>
Disponível em <http://www.proceedings.scielo.br>
Disponível em <http://www.ffsolar.com/ sistemas-bombas>
Disponível em <http://www.unicamp.br/energia.pdf>
Disponível em <http://www.minhacasasolar.com.br>
Disponível em <http://www.google.com.br/imagens>