ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA

 INTRODUÇÃO

 

      Cada dia se torna mais importante conhecer e entender o funcionamento da geração de energia solar por painéis fotovoltaicos, para poder escapar dos altos e variados reajustes tarifários da conta de energia elétrica, que fica mais cara a cada dia que passa.

        Crises energéticas, apagões, o fato de o petróleo ser finito, são vários assuntos que convergem para a pergunta: O que seria da humanidade sem a energia? Não é novo o fato de que usinas termelétricas são caras e poluentes, de que hidrelétricas causam um enorme impacto ambiental, os lixos nucleares e o perigo das usinas termonucleares é algo aberto a muita discussão. Ou seja, para a contínua evolução da tecnologia, a preservação do conforto, o funcionamento ininterrupto de energia elétrica, sem que nos preocupemos com se a fonte de energia será esgotada ou se prejudicaremos o meio ambiente, é necessário utilizarmos fontes de energia limpas (sem poluição e impacto ambiental) e renováveis (fontes infinitas).

        Energia solar é uma excelente opção de energia renovável. O sol é uma fonte disponível a todos de graça. A energia solar pode gerar eletricidade de duas maneiras:

  • Por geração solar térmica composta por fluidos que quando aquecidos possuem a energia para rodar turbinas que conectadas a geradores produzem energia elétrica.

  • Por geração fotovoltaica onde a energia utilizada não é o calor solar e sim sua radiação. Células fotovoltaicas compostas por semicondutores recebem a luz transformando-a em energia elétrica.

       A grande vantagem da energia fotovoltaica é a possibilidade de geração descentralizada de energia elétrica, ou seja, cada consumidor pode ter seu próprio sistema em sua residência ou empresa gerando energia elétrica com pouca ou nenhuma manutenção, se tornando um investimento extremamente rentável.

 

ENERGIA SOLAR NO BRASIL

       O Brasil é um país onde a luz solar é extremamente abundante o ano todo e os sistemas fotovoltaicos estão em crescimento. É noticiado dia após dia o quanto empresas vem investindo em sistemas fotovoltaicos. O custo inicial é erroneamente interpretado como alto quando não é considerado o tempo que o sistema fica em funcionamento em total produção e dentro da garantia.

       Grande parte dos sistemas fotovoltaicos instalados no Brasil é autônoma, ou seja, sistemas desligados da rede, onde a energia é armazenada em baterias. O governo criou em 2003 o programa Luz Para Todos, onde foram instalados sistemas OFF-GRID em várias residências.

        O que contribuiu muito para a expansão dos sistemas fotovoltaicos no Brasil foi a aprovação da normativa 482/2012 da ANEEL (Agência Nacional de Energia Elétrica) em 17 de abril de 2012 que estabelece a compensação energética, ou seja, a energia que não for utilizada pela residência ou empresa pode ser "emprestada" para a concessionária de energia em forma de créditos com validade de 5 anos, que serão consumidos em horários em que o sistema não está produzindo, como a noite, ou não está produzindo com potência suficiente, como em dias chuvosos.

        O potencial de utilização de sistemas fotovoltaicos no Brasil é muito alto, no gráfico abaixo mostramos o número de conexões de geração distribuída por trimestre.

       Se você está pensando em instalar um sistema gerador de energia solar residencial, comercial ou industrial, você provavelmente estará lidando com painéis solares fotovoltaicos (PV). Toda esta terminologia o deixa nervoso com o que está se metendo? Bem, a terminologia é bastante científica, mas você provavelmente já usou dispositivos solares fotovoltaicos antes, já teve uma calculadora de bolso alimentada pelo sol? Então você usou tecnologia solar fotovoltaica. Enquanto a energia solar vem ganhando força nas residencias e industrias nos últimos anos, ela já vem sendo usada a décadas, na verdade, a NASA vem usando esta energia em suas naves durante as missões espaciais desde a década de 1960. Mesmo antes disso, os físicos Edmund Bequerel e Albert Einstein estudavam o efeito fotoelétrico em meados do século XIX e início do século XX.

 

FUNCIONAMENTO DO SISTEMA FOTOVOLTAICO

 

       As células fotovoltaicas em seus painéis solares são os mecanismos que convertem a luz solar em energia. Quando você instala painéis solares em sua casa, as células fotovoltaicas convertem a luz solar em corrente contínua (DC) e no sistema on-grid (conectado a rede) um inversor conectado ao sistema é o que converte a corrente contínua em corrente alternada (AC) que é o tipo de corrente necessária para alimentar os aparelhos da sua casa. 

       Células fotovoltaicas são compostas por uma junção de dois tipos de materiais semicondutores que são sensíveis a luz. Os elétrons são energizados ao receber a luz solar e se acumulam em um dos materias e quando a célula é ligada em um circuito fechado, a corrente elétrica é formada como mostra a figura abaixo:

  Os módulos fotovoltaicos são formados por várias células ligadas em conjuntos. Existem vários tipos de células, os principais são: silício monocristalino com eficiência comercial de 18%, silício policristalino com eficiência comercial de 15% e silício amorfo com eficiência comercial de 7,5%. A imagem abaixo mostra os componentes e a construção de um módulo fotovoltaico.

 
POSICIONAMENTO DAS PLACAS FOTOVOLTAICAS

       Os sistemas fotovoltaicos devem ser posicionados corretamente para sua máxima eficiência, abaixo veremos os principais conceitos para este correto posicionamento:

  • Radiação: A energia solar é transmitida na forma de radiação eletromagnética em várias frequências de ondas diferentes. O range (faixa) de luz visível é uma pequena faixa da radiação solar conforme mostra a figura abaixo:

         Parte da luz solar após ser recebida pela superfície terrestre é absorvida e parte é refletida. A radiação que chega a superfície depende da espessura da massa de ar que é atravessada sofrendo diversas alterações. A distância atravessada depende do ângulo do sol com relação a superfície que varia de acordo com o horário do dia e as estações do ano.

       Existem tipos de radiação solar na atmosfera: radiação difusa e direta, a soma destas resulta na radiação global como mostra a figura abaixo.

  • Irradiância: é uma grandeza para medir a radiação solar, sua unidade é expressa em W/m2, ou seja, a potência transferida para 1m2. A irradiância que atinge a superfície terrestre é normalmente  1000 W/m2 e ela tem seu ápice exatamente no meio dia solar.

  • Insolação: A irradiância atingindo 1m2 por 1 hora é determinada insolação, ou seja, sua unidade é dada em Wh/m2. O watt-hora é uma unidade de medida de energia, a qual é utilizada pelas companhias de energia para realizar a cobrança na conta de luz. Então, a energia incidente em 1 m2 é a insolação. O valor varia por região e para encontrar os valores de um respectivo local utilizamos tabelas e mapas de insolação expressos em Wh/m2/dia.

  • Ângulos solares:  Alguns ângulos devem ser considerados quando tratamos de energia solar, um deles é o azimutal, que é o ângulo entre o sol e a linha que liga norte a sul conforme a figura logo abaixo. O ângulo é nulo quando o sol está exatamente acima da linha, essa situação é chamada de meio dia solar, esse ângulo varia conforme os horários do dia. Outro ângulo importante é o zenital que é dependente da altura do sol, ou seja, esse ângulo varia conforme os dias do ano.

  • Ângulo de inclinação das placas solares: Sistemas fotovoltaicos podem seguir o sol no decorrer do dia, porém, a maior parte dos sistemas possui angulação fixa, ou seja, o melhor ângulo deve ser escolhido para que a potência gerada pelas placas seja a maior possível.

      No verão o ângulo zenital e a massa de ar percorrida são os menores possíveis e no inverno o sol percorre uma trajetória voltada para o norte conforme mostra a figura abaixo, e no decorrer do dia o ângulo azimutal percorre uma trajetória de leste a oeste.

        Se a placa for colocada na posição horizontal, vertical ou no ângulo incorreto, não há o aproveitamento de toda a potência da placa, porém o aproveitamento é otimizado quando a placa for colocada no ângulo correto. O ângulo varia de acordo com a latitude do local da instalação. A tabela abaixo mostra a relação entre a latitude e o ângulo de inclinação recomendado.

       Acima apresentamos a trajetória do sol diariamente (de leste a oeste), no inverno o sol tem certa inclinação ao norte e no verão a trajetória é quase sob a linha que liga leste a oeste. Conclui-se que o melhor ângulo para virar a placa fotovoltaica é o norte geográfico que em muitas vezes não coincide com o norte da bússola.

 
TIPOS DE SISTEMAS

       Existem basicamente três tipos de sistemas, On-Grid (conectado à rede), Off-Grid (autônomo) e Híbrido (conectado à rede e a baterias). Cada um tem suas particularidades, vantagens e desvantagens.

  • Sistema OFF-GRID: No sistema Off-Grid as placas são ligadas no controlador de carga que controla o carregamento das baterias, garantindo a passagem de corrente somente em um sentido. Após o controlador vem o banco de baterias, conectado ao inversor especifico para o sistema Off-Grid que transforma a corrente continua em alternada para ser usada na residência, conforme mostra a figura abaixo:

        Os principais elementos que compõem o sistema Off-Grid são:

  • Painéis Fotovoltaicos;

  • Controlador de carga;

  • Banco de baterias;

  • Inversor Off-Grid;

  • Caixa de Strings;

  • Cabos CC;

  • Cabos CA;

       O controlador de carga é o sistema no qual a energia produzida pelo sistema fotovoltaico é gerenciada e estabilizada. Pode ter entrada dotada de rastreadores de máxima potência (MPPT). Normalmente, a energia elétrica de saída do regulador, tem uma tensão estabilizada de 12, 24, 36 ou 48V. O controlador de carga prevê a separação do sistema fotovoltaico e da bateria nos casos em que esta última esteja carregada e nos casos de baixa tensão (horário noturno) ou de retorno de tensão da bateria no painel.

       O banco de baterias é o sistema dedicado ao acúmulo da energia produzida pelo sistema fotovoltaico e estabilizado pelo regulador de carga, para permitir o uso adequado em um tempo diferenciado. De fato, trata-se de um sistema químico de estocagem de energia. A capacidade total pode ser na verdade constituída por um sistema de baterias em série e em paralelo que compõem uma bateria equivalente de capacidade maior.

       A capacidade de uma bateria é medida pela quantidade de energia elétrica que ela consegue acumular e se exprime em Ampére hora (Ah).

      O valor da capacidade, na verdade, pode variar sensivelmente com a variação da corrente extraída da bateria. O valor de capacidade "C20" é obtido multiplicando-se a quantidade de corrente que a bateria pode distribuir continuamente por 20 horas para o coeficiente 20,  antes de ser completamente descarregada. Por exemplo, no caso de uma bateria com capacidade de 100Ah (C20), isso quer dizer que a corrente que pode distribuir por 20 horas antes de ser considerada descarregada é de 5A. 

     Nos sistemas Off-Grid são usadas baterias estacionárias, na tabela abaixo seguem as principais diferenças entre as baterias estacionárias e as automotivas.

  • Sistema ON-GRID: Sistemas On-Grid são sistemas conectados a rede da concessionária, exigem uma série de cuidados diferenciados. Não possuem baterias e exigem aprovação da concessionária, ou seja, devem ter um projeto e a assinatura de um responsável junto ao CREA. A imagem abaixo mostra como funciona um sistema Grid-Tie:

       Os principais elementos que compõem o sistema Off-Grid são:

  • Painéis Fotovoltaicos;

  • Inversor On-Grid;

  • Caixa de Strings;

  • Cabos CC;

  • Cabos CA;

       Os inversores On-Grid ou Grid-Tie são componentes eletrônicos que convertem a corrente contínua em alternada, realiza também a sincronia exata da frequência de saída do inversor com a rede da concessionária. 

       Todo inversor possui um range de tensão de entrada que define como será a ligação dos módulos fotovoltaicos. Quanto maior a potência do inversor, mais recursos ele possui, como por exemplo, display indicador e conexão com a internet para monitoramento de potência gerada. O inversor ligado a rede fornece somente corrente, ou seja, não fornece tensão e não funciona se for desconectado da rede.

      Os inversores que são conectados a rede possuem entradas MPPT (rastreamento de ponto de máxima potência). Isso permite que o sistema funcione sempre sua potência máxima independente dos fatores que variam a potência fornecida pelas placas. Alguns inversores possuem entradas MPPT independentes, podem ser ligados a circuitos de potências diferentes.

 

      Atualmente, a maioria dos sistemas de energia solar residencial estão sendo conectados à rede, por ser um método mais viável economicamente, sem a utilização de baterias que encarecem o sistema e diminuem sua vida útil.

Se você gerar energia suficiente de seus painéis solares de tal forma que você tenha energia sobrando, a mesma será "enviada" a rede da concessionária de energia e você receberá créditos por essa contribuição de energia, sendo esses créditos validos por 5 anos.

BENEFíCIOS DA ENERGIA FOTOVOLTAICA

Há uma série de benefícios em utilizar a energia solar fotovoltaica, a maioria deles giram em torno da redução de custos e benefícios ambientais. Listamos os benefícios mais proeminentes do uso da energia solar produzida a partir de células fotovoltaicas:

 

  • Economia de dinheiro: Enquanto o sol for livre você estará economizando. O seu sistema de energia solar vai custar-lhe algum dinheiro para sua instalação, mas as economias vêm uma vez que você pagou por tudo e você está colhendo os benefícios de não ter que viver dependendo do fornecimento gerado pelas concessionárias de energia, e os inevitáveis aumentos do setor energético.

 

  • Redução das emissões de carbono: Ajudando o meio ambiente. Quando você usa a energia solar, menos emissões de carbono estão sendo liberadas para o meio ambiente de estações de energia convencionais. 

 

  • Energia limpa: A energia solar é uma fonte de energia limpa. Você é capaz de alimentar toda a sua casa a partir da luz solar, é fácil de instalar e manter. 

 

  • Manutenção fácil: Não há muito que precisa ser feito uma vez que seus painéis solares estão instalados. Você raramente tem que limpar os painéis, como a chuva vai limpá-los naturalmente, e não há muita manutenção. O único custo que você geralmente terá que incorrer durante a vida útil de seu sistema de energia solar (que é de no mínimo 25 anos) é a substituição do seu inversor, provavelmente apenas uma vez. A maioria das suas peças também estão cobertas pela garantia. 

 

  • Versatilidade: Painéis solares fotovoltaicos podem ser instalados em seu telhado, em sistemas de solo, e em praticamente qualquer clima e ambiente. 

 

*Fonte: Apostila Back Sheep - Versão 1.1-2016

 
 

RETORNO DO INVESTIMENTO

 

      O retorno do investimento está em torno de 5 anos considerando que não tenha acréscimo na tarifa de energia neste período, caso contrário o payback será cada vez menor. Observe que os preços dos sistemas de energia solar reduziram drasticamente nos últimos anos. Está se tornando cada vez mais acessível e mais conveniente para uso.

     Basta comparar a sua última conta de energia elétrica e pós-instalação do sistema e verificar sua real economia já no primeiro mês.  A energia solar já não é algo que está "vindo" para o futuro, já está mais que no presente e o negócio solar está prosperando. Os custos estão caindo a cada dia e os sistemas estão ficando cada vez mais avançados e eficientes. Você pode facilmente notar painéis solares montados em casas, comércios, indústrias e agronegócios.

Que momento incrível para economizar dinheiro e investir em energia solar.

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