GLEISON VIEIRA DE SOUSA WANDER CORDEIRO LEITE O BOMBEANENTO DE...

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




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




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


........................................................................................................................................

Prof° . Laurentino Paulo de Souza

Especialista em Tecnologia Educacional/Didática Aplicada


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.

4

“Feliz o homem que acha sabedoria,

e o homem que adquire conhecimento”.

Provérbios 3:13

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.

http://pt.wikipedia.org/wiki/Energia

http://pt.wikipedia.org/wiki/Voltagem

http://pt.wikipedia.org/wiki/Voltagem

http://pt.wikipedia.org/wiki/Electricidade

http://pt.wikipedia.org/wiki/Corrente_el%C3%A9trica

http://pt.wikipedia.org/wiki/Luz

http://pt.wikipedia.org/wiki/Movimento

http://pt.wikipedia.org/wiki/Calor

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.

http://www.google.com.br/

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

http://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


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.


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


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).


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


Figura 13: Secção transversal de um piranômetro


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


Figura 15: Pireliômetros de Incidência Normal


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


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


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


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


47

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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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.


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.

http://www.solenerg.com.br/

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


http://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.


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


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.

http://www.dancor.com.br/

73

Figura 43: Bombas Solares para uso em poços, cisternas e reservatórios.


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

http://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.

http://www.br.all.biz/inversor

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".

http://www.macrosol.wagtel.com/inversor

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

http://www.macrosol.wagtel.com/

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


Figura 52: Variação da potência do módulo com a variação da temperatura


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

94

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.

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Disponível em <http://www.aneel.gov.br/aplicacoes/atlas/pdf/Energia_Solar.pdf>

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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>

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Disponível em <http://www.kohlbach.com>

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http://www.neosolar.com.br/baterias.html

http://www.br.all.biz/inversor

http://www.macrosol.wagtel.com/inversor

http://www.dancor.com.br/

http://www.unicamp.br/energia.pdf

http://www.minhacasasolar.com.br/

http://www.google.com.br/

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