UNIVERSIDADE ANHEMBI MORUMBI
RAQUEL BARONE DE MELLO BELLONI ALVES
ENERGIA SOLAR COMO FONTE ELÉTRICA E
DE AQUECIMENTO NO USO RESIDENCIAL
SÃO PAULO
2009
2
RAQUEL BARONE DE MELLO BELLONI ALVES
ENERGIA SOLAR COMO FONTE ELÉTRICA E
DE AQUECIMENTO NO USO RESIDENCIAL
Trabalho de Conclusão de Curso
apresentado como exigência parcial
para a obtenção do título de Graduação
do Curso de Engenharia Civil da
Universidade Anhembi Morumbi
Orientador: Prof. Msc.Carlos Magno Baptista Lopes
SÃO PAULO
2009
3
RAQUEL BARONE DE MELLO BELLONI ALVES
ENERGIA SOLAR COMO FONTE ELÉTRICA E
DE AQUECIMENTO NO USO RESIDENCIAL
Trabalho de Conclusão de Curso
apresentado como exigência parcial
para a obtenção do título de Graduação
do Curso de Engenharia Civil da
Universidade Anhembi Morumbi
Trabalho____________ em: ____ de_______________de 2009.
____________________________________________
Prof. Msc.Carlos Magno Baptista Lopes
______________________________________________
Prof.Antonio Calafiori Neto
Comentários:_________________________________________________________
___________________________________________________________________
___________________________________________________________________
___________________________________________________________________
___________________________________________________________________
4
AGRADECIMENTOS
Primeiramente agradeço a Deus por me conceder condições físicas e emocionais e
por colocar pessoas certas em momentos certos em minha vida me proporcionando
conhecimento e experiências gratificantes.
Agradeço meu marido Alexandre pela paciência nos momentos de stress de época
de provas e entregas de trabalhos.
Aos meus pais, amigos e familiares que compreenderam minha ausência, me
apoiaram e incentivaram até o presente momento.
Agradeço meus professores e orientadores por se dedicarem a lerem minhas
anotações e se interessarem pelo tema escolhido.
Ao professor Sidney, obrigada pelas orientações do começo do meu trabalho de
conclusão de curso e sou grata ao professor Carlos Magno por me ajudar a finalizar
minhas idéias e me orientar ao término do meu trabalho.
5
RESUMO
Este trabalho apresenta um estudo sobre a utilização da energia solar como fonte
elétrica com a utilização do sistema fotovoltaico onde há captação de energia
através de placas solares, transformando-a em energia elétrica para uso residencial
principalmente para regiões afastadas do sistema usual brasileiro (hidrelétricas) e
também apresenta a utilização de energia solar para aquecimento de água no uso
residencial descrevendo um aquecedor solar de baixo custo e que utiliza materiais
recicláveis (aquecedor com garrafas PET).
A abordagem dá-se pelo fato de que, apesar do consumo de energia ser
indispensável para o desenvolvimento humano, é necessário um desenvolvimento
sustentável, com a utilização de energia mais limpa e que seja renovável, é o caso
da energia solar, que é abundante e tem um grande potencial de desenvolvimento
em escala mundial.
Palavras Chave: ENERGIA SOLAR, ENERGIA FOTOVOLTAICA, AQUECEDOR
SOLAR, ENERGIA RENOVÁVEL
6
ABSTRACT
This work presents a study about the use of solar energy as power supply with the
use of photovoltaic system where there is uptake of energy through solar panels,
turning it into electricity for residential use mainly for remote areas of the usual
Brazilian system (hydroelectric) and also present the use of solar energy for water
heating in residential solar describing a low cost and using recyclable materials
(heater with PET bottles).
The approach is given by the fact that, that energy consumption is indispensable for
human development, is a need for sustainable development, with the use of cleaner
energy that is renewable, is the case that solar energy, that is abundant and has a
great potential for development worldwide.
Key Worlds: SOLAR ENERGY, ENERGY PHOTOVOLTAIC, SOLAR HEATER,
RENEWABLE ENERGY
7
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1: Consumo de energia elétrica por setor no Brasil em 2007...................... 17
Figura 1.2: Participações de diversas fontes de energia no consuma ...................... 18
Figura 5.1 Fluxogramadas das aplicações práticas da energia solar ........................ 24 Figura 5.2: Variação da radiação solar no Brasil ....................................................... 25
Figura 5.3: Ilustração de um sistema solar de aquecimento de água ....................... 28
Figura 5.4: Vista expandida indicando componentes do coletor solar....................... 29
Figura 5.5: Desenho da orientação geográfica do coletor solar ................................ 29
Figura 5.6: Desenho do ângulo de inclinação do coletor solar .................................. 30
Figura 5.7: Componentes do reservatório térmico .................................................... 30
Figura 5.8: Vista expandida indicando componentes do boiler ................................. 31
Figura 5.9: Sistema de circulação natural ................................................................. 32
Figura 5.10: Sistema de circulação forçada .............................................................. 33
Figura 5.11: Curva de eficiencia térmica ................................................................... 35
Figura 5.12: Sistema de geração fotovoltaica ........................................................... 37
Figura 5.13: Módulos de células fotovoltaicas ........................................................... 39
Figura 5.14: Intalação sobre painéis fotovoltaicos sobre telhado .............................. 40
Figura 5.15: Módulos solares em placas de vidro ..................................................... 41
Figura 5.16: Funcionamento residencial para o inversor de corrente........................ 42
Figura 5.17: Casa como usina solar .......................................................................... 45
Figura 6.1: Foto aérea da Pousada Flutuante Uacari............................................... 47
Figura 6.2: Confecção dos barramentos e caixas auxiliares ..................................... 49
Figura 6.3: Montagem das caixas auxiliares ............................................................. 50
Figura 6.4: Posicionamento dos painéis fotovoltaicos ............................................... 51
Figura 6.5: Etapas da instalação dos módulos fotovoltaicos ..................................... 51
Figura 6.6: Diagrama esquemático de cada sub-gerador ......................................... 52
Figura 6.7: Configuração do banco de baterias......................................................... 53
Figura 6.8: Detalhes do banco de baterias e painel de condicionamento ................. 53
Figura 6.9: Diagrama esquemático dos inversores e quadro de distribuição do
circuito 1 e 2 ....................................................................................................... 54
Figura 6.10: Diagrama esquemático dos inversores e quadro de distribuição do
circuito 3 e 4 ....................................................................................................... 55
8
Figura 6.11: Quadro de distribuição com chaves auxiliares ...................................... 55
Figura 6.12: Instalação dos medidores de energia e voltímetro digital...................... 56
Figura 6.13: Garrafa PET com a formatação de utilização ........................................ 58
Figura 6.14: Cortes e dobras das caixas Tetra Park ................................................. 58
Figura 6.15: Tubos de distanciamento ...................................................................... 59
Figura 6.16: Tubos de distanciamento conectando os tubos das colunas ................ 60
Figura 6.17: Colocação das garrasfas PET ............................................................... 60
Figura 6.18: Colocação das caixas Tetra Park .......................................................... 61
Figura 6.19: Configuração dos módulos do coletor ................................................... 61
Figura 6.20: Tubo de 40mm e 25 mm ....................................................................... 62
Figura 6.21: Dreno para retrolavagem periódica do coletor solar.............................. 62
Figura 6.22: Configuração final do coletor ................................................................. 63
Figura 6.23: Instalação final do coletor sobre o telhado ............................................ 63
Figura 6.24: Percentual de altura das furações conforme a altura da caixa d’água .. 64
9
LISTA DE TABELAS E GRÁFICOS
Tabela 1.1 Oferta interna de energia elétrica no Brasil ............................................. 16 Tabela 6.1: Equipamentos do sistema de produção e consumo de eletricidade ....... 48
Tabela 6.2: Capacidade dos painéis ......................................................................... 65
Tabela 6.3: Consumo mensal e diário de eletricidade no módulo central ................. 65
Tabela 6.4: Dados do teste de medição no inverno e verão ..................................... 66
10
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ABRAVA
Associação Brasileira de Refrigeração, Ar Condicionado,
Ventilação e Aquecimento
ANEEL
Agencia Nacional de Energia Elétrica
ART
Anotação de Responsabilidade Técnica
BEN
Balanço Energético Nacional
BIG
Banco de Informações de Geração
CATE
Centro de Aplicação de Tecnologias Eficientes
CEPEL
Centro de Pesquisas de Energia Elétrica
COHAB
Companhia Metropolitana de Habitação
CRESESB
Centro de Referencia para Energia Solar e Eólica Sergio de
Salvo Brito
ELETROBRAS
Centrais Elétricas Brasileiras
EPE
Empresa de Pesquisa Energética
IBGE
Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística
IDSM
Instituto de Desenvolvimento Sustentável Mamirauá
IEA
International Energy Agency
IEE
Instituto de Eletrotécnica e Energia da Universidade de São
Paulo
ISES
International Solar Energy Society
Mil tep
Milhões de toneladas equivalentes de petróleo
MME
Ministério de Minas e Energia
PET
Politereftalato de etileno
PNE 2030
Plano Nacional de Energia 2030
PROCEL
Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica
PVC
Policoreto de Vinila
11
SABESP
Companhia de Saneamento Básico do Estado de São Paulo
USP
Universidade de São Paulo
12
LISTA DE SÍMBOLOS
∑
Somatório
A
Ampére
FV
Fotovoltaico
ha
Hectar
Hz
Hertz
J
Joule
kg
Quilograma
kJ
Quilojoules
kV
Quilovolts
kW
Quilowatt
kWh
Quilowatts-hora
l
litros
m²
Metro quadrado
m³
Metro cúbico
m³/s
Metro cúbico por segundo
MJ
Megajoules
mm²
Milímetro quadrado
MW
Megawatts
MWh
Megawatts- hora
ºC
Grau Celsius
s
segundos
TWh
Tera Watts-hora
U$S
Dólares
V
Volume
V
volts
V CA
Volt de Corrente Alternada
V CC
Volt de Corrente Contínua
W
Watts
Wh
Watts-hora
13
SUMÁRIO
p.
1.
INTRODUÇÃO ................................................................................................... 16
2.
OBJETIVOS ....................................................................................................... 20
2.1
Objetivo Geral ............................................................................................... 20
2.2
Objetivo Específico ...................................................................................... 20
3.
MÉTODO DE TRABALHO ................................................................................ 21
4
JUSTIFICATIVA ................................................................................................ 22
5
ENERGIA SOLAR: PERSPECTIVA, EFICIÊNCIA E SUSTENTABILIDADE ... 24
5.1
Energia solar como fonte de aquecimento ................................................ 28
5.1.1 Componentes do sistema .............................................................................. 29
5.1.1.1 Coletor Solar ................................................................................................ 29
5.1.1.2 Reservatório de água quente ..................................................................... 30
5.1.1.3 Outros componentes do sistema ............................................................... 31
5.1.1.4 Tipos de circulação ..................................................................................... 32
5.1.2 Etapas para instalação residencial ............................................................... 33
5.1.3 Vantagens e desvantagens do sistema de aquecimento solar .................. 36
5.2
Energia solar como fonte elétrica ............................................................... 36
5.2.1 Componentes do sistema ............................................................................ 38
5.2.1.1 Painéis ou módulos de célular fotovoltaicas ............................................ 38
5.2.1.2 Suporte para painéis ................................................................................... 39
5.2.1.3 Controlador de carga de bateria ................................................................ 41
14
5.2.1.4 Banco de baterias........................................................................................ 41
5.2.1.5 Inversor de corrente .................................................................................... 42
5.2.2 Etapas para instalação residencial ............................................................... 43
5.2.3 Vantagens e desvantagens do sistema fotovoltaico................................... 43
6
Estudo de Caso ....................................................................................................... 46
6.1
Localização ................................................................................................... 46
6.2
Coleta de Dados de Campo ......................................................................... 46
6.2.1 Características do local instalado ............................................................... 46
6.2.1.1 Sistema fotovoltáico – Pousada Uacari..................................................... 46
6.2.1.2 Sistema de aquecimento solar utilizando garrasfa PET .......................... 47
6.2.2 Funcionamento do sistema ......................................................................... 48
6.2.2.1 Pousada Uacari ........................................................................................... 48
6.2.2.1.1 Levantamento dos equipamentos existentes na instalação ................ 48
6.2.2.1.2 Composição do sistema fotovoltaico na Pousada Uacari .................... 49
6.2.2.1.2.1 Elaboração de caixas auxiliares........................................................... 49
6.2.2.1.2.2 Montagem dos geradores fotovoltaicos .............................................. 50
6.2.2.1.2.3 Montagem do banco de baterias .......................................................... 52
6.2.2.1.2.4 Instalação elétrica predial do bloco central da Pousada Uacari ....... 54
6.2.2.2 Sistema de aquecimento solar com garrafas PET ................................... 57
6.2.2.2.1 Composição do Sistema de aquecimento solar com garrafas PET ..... 57
6.2.2.2.1.1 Coletores solar ...................................................................................... 57
15
6.2.2.2.1.2 Caixa d’água ou reservatório ............................................................... 64
7
ANÁLISE DOS RESULTADOS ......................................................................... 65
7.1 Energia fotovoltaica – Pousada Uacari ........................................................... 65
7.2 Aquecedor solar com garrafa PET ................................................................... 66
8
CONCLUSÕES .................................................................................................. 68
8.1 Painel fotovoltaico ............................................................................................ 68
8.2 Aquecedor Solar ................................................................................................ 69
9
RECOMENDAÇÕES.......................................................................................... 71
REFERÊNCIAS......................................................................................................... 72
ANEXO A .................................................................................................................... 1
16
1. INTRODUÇÃO
Com as constantes crises e preocupações dos recursos energéticos disponíveis de
se tornarem cada vez mais escassos e caros, esses recursos tendem a ser
compensados pelo surgimento de outro(s), pois a energia elétrica é indispensável à
sobrevivência do ser humano, principalmente para sua evolução, com o intuito de se
adaptar ao ambiente em que vive e de atender às suas necessidades.
Conforme a 2ª edição do atlas de energia elétrica do Brasil da ANEEL (2005),
grande parte dos recursos energéticos do Brasil são obtidos a partir do sistema
hidrotérmico de grande porte, com predominância de usinas hidrelétricas que se
localizam em regiões pouco desenvolvidas, distantes dos grandes centros
consumidores e sujeitos a restrições ambientais. Essa distância geográfica necessita
de sistemas de transmissão muito extensos e que não atendem por completo todas
as regiões. Devido a isso, se tornam fundamentais o conhecimento da
disponibilidade de recursos energéticos, de novas tecnologias e sistemas existentes
para o seu aproveitamento e suprimento das necessidades energéticas regionais e
setoriais do País. A Tabela 1.1 mostra a oferta interna de energia no Brasil.
Tabela 1. 1 – Oferta interna de energia elétrica no Brasil
Fonte: MME (2008)
O Brasil é uma dos países tropicais com intensa irradiação solar, praticamente
durante o ano todo, devido à maior parte do seu território se localizar próximo a linha
17
do equador. Assim, o potencial de utilização da irradiação solar como fonte
alternativa para a energia elétrica e para o aquecimento de água, torna-se viável e
sustentável devido sua renovação constante.
A energia solar ainda, no Brasil, tem o seu custo alto em relação à fonte hidráulica,
mas o uso em pequena escala com baixo custo é uma possibilidade que deve ser
estudada e desenvolvida principalmente no uso residencial. A Figura 1.1 evidencia o
consumo setorial no Brasil mostrando que o consumo de energia no setor residencial
está entre os maiores, perdendo somente para o industrial.
Figura 1. 1 – Consumo de energia elétrica por setor no Brasil em 2007
Fonte: BEN (2008)
Atualmente, no Brasil e no mundo presencia-se um incentivo significativo na
utilização da energia solar devido sua disponibilidade no planeta. O governo
Brasileiro neste ano como incentivo, estabeleceu o programa habitacional “minha
casa, minha vida” (amplamente divulgado na mídia e com o sistema de
financiamento junto a Caixa Econômica Federal que utiliza a energia solar para o
aquecimento de água), e também no mundo como Alemanha e Espanha, há
incentivos governamentais em isenção de impostos para residências onde há uso de
energia solar.
Desta mesma forma, há a necessidade de se aproveitar, ao máximo e ao menor
custo, o potencial oferecido por essa fonte, tornando-a cada vez mais competitiva
para aplicações mais amplas. A Figura 1.2 apresenta o crescimento do grupo “outras
18
fontes” com um crescimento de mais de 100% o que inclui a energia solar que
apesar de inexpressível atualmente, mostra uma tendência de crescimento.
Figura 1. 2 – Participações de diversas fontes de energia no consumo
Fonte: IEA (2008)
A abordagem da utilização da energia solar tem como foco principal o fator
ambiental que é a não modificação do equilíbrio térmico da Terra. Além disso, não
há necessidade de uma grande infra-estrutura para instalação, podendo ser uma
alternativa para regiões afastadas do Brasil.
Segundo a 3ª edição de atlas de energia elétrica do Brasil da ANEEL (2008), o Brasil
é um país com cerca de 184 milhões de habitantes, conforme o IBGE, e se destaca
como a 5ª nação mais populosa do mundo. Em 2008, quase 95% da população tinha
acesso à rede elétrica. De acordo com os dados divulgados no mês de setembro de
2008 pela ANEEL, o país contava com mais de 61,5 milhões de unidades
consumidoras em torno de 99% dos municípios brasileiros. Destas, cerca de 90%,
são consumidores residenciais.
Com base no assunto exposto, torna-se evidente a importância da utilização da
energia solar como fonte elétrica e de aquecimento no uso residencial, pois utiliza
parte da irradiação disponível como calor ou como eletricidade útil não ocorrendo o
aumento ou diminuição líquida do calor. Além disso, estes sistemas são capazes de
contribuir para o suprimento de energia elétrica, sem a emissão de gases de efeito
estufa ou de gases ácidos, tendo também a vantagem de dispensar a necessidade
19
de transporte de combustível ou materiais. Também há a não formação de lagos,
evitando a alteração do equilíbrio ecológico local.
O presente trabalho tem como principal objetivo a explicação do funcionamento,
utilização e aplicação do sistema de placas solares para aquecimento de água e do
sistema fotovoltaico na área elétrica residencial com sua passividade em questão de
agressão ambiental.
20
2. OBJETIVOS
Identificar formas alternativas, eficientes e permanentes para utilização da energia
solar como fonte elétrica e de aquecimento em residências, com emprego de
técnicas desenvolvidas especialmente para utilização de placas de captação de
energia solar em ambientes tropicais.
2.1 Objetivo Geral
Apresentar a radiação solar como uma fonte de energia renovável, com o
aproveitamento desta energia tanto como fonte de calor quanto de luz, tornando-a
uma das alternativas energéticas promissoras para os desafios de escassez de
recursos e menor agressão ao meio ambiente.
Concentrando-se na utilização da energia solar, esse trabalho identificará
tecnologias, benefícios ecológicos e conscientes para o uso residencial de fontes
elétricas e de aquecimento.
2.2 Objetivo Específico
Descrever o sistema de placas instaladas em telhados como captação da energia
solar para aquecimento de água e energia elétrica.
Esse trabalho de pesquisa mostrará o aproveitamento da energia solar térmica no
aquecimento da água para uso em chuveiros e torneiras, e também a energia
fotovoltaica para fonte elétrica em aparelhos residenciais comuns.
Também serão abordadas as dificuldades, resistências, benefícios e impactos do
uso da energia solar.
21
3. MÉTODO DE TRABALHO
Para atingir os objetivos propostos, o trabalho foi desenvolvido primeiramente
utilizando princípios básicos de pesquisas a artigos e publicações técnico-científicas,
dissertações
e
teses,
além
de
pesquisas
na
internet
referente
artigos
disponibilizados em sites de associações técnicas e entidades científicas.
Após um primeiro contato com o tema e com informações suficientes para elaborar
um trabalho conciso e de relevância, as pesquisas se intensificaram em busca da
atuação de centros de pesquisas brasileiros na conservação e uso eficiente de
energia, fontes renováveis, diagnósticos energéticos, geração, transmissão e
distribuição de energia elétrica.
A avaliação e organização dos dados pesquisados, juntamente com um professor
orientador atuante nos processos de construção e pesquisas vinculadas a menor
agressão ao meio ambiente, conduziram o trabalho para identificação de significativo
e crescente consumo de energia elétrica em edificações. As soluções que podem
ser adaptadas à realidade brasileira para utilização da energia solar, o
funcionamento eficaz e benefícios dos equipamentos desenvolvidos e o estudo de
caso, atingirão os objetivos propostos.
Durante o processo de organização de dados, houve uma constante preocupação
de mostrar soluções que incorporem os aspectos de eficiência energética e conforto
ambiental, bem como técnicas de combate ao desperdício energético.
Para o estudo de caso foram pesquisados locais e centro de pesquisas que utilizam
de energia solar térmica e fotovoltaica, com entrevistas e coleta de informações.
Concluídas as etapas de pesquisas e estudo de caso foi elaborado o relatório
técnico que compõe o trabalho de conclusão de curso.
22
4 JUSTIFICATIVA
A energia solar é abundante, permanente, renovável, não polui e nem prejudica o
ecossistema, não emitindo poluentes ao sistema, reduzindo o aquecimento global e
o efeito estufa do nosso planeta.
O uso da energia solar em habitações é uma alternativa interessante e apresenta um
grande potencial de utilização.
A geração de energia em pequena escala e descentralizada pode contribuir
consideravelmente para a proteção do clima global e, ao mesmo tempo, da
qualidade de vida.
A energia solar também se apresenta como solução para áreas afastadas e ainda
não eletrificadas, especialmente porque há bons índices de insolação em grande
parte do território brasileiro.
No Brasil a utilização de grandes usinas hidrelétricas para geração de energia,
tende alagar áreas extensas, modificando o comportamento e as características dos
rios barrados. Com isso a biota e os ecossistemas podem ser alterados. O novo lago
pode afetar o comportamento da bacia hidrográfica, micro e macro clima e outros
fatores intervenientes. Outros fatores antrópicos e bióticos podem ocasionar
mudanças na qualidade da água.
A energia solar possui características positivas para o sistema ambiental, pois o sol
irradia na Terra um potencial energético extremamente elevado e incomparável a
qualquer outro sistema de energia, sendo fonte básica e indispensável para as
formas de vida conhecidas, principalmente para os humanos.
A utilização dessa forma de energia implica saber captá-la, armazená-la e utilizá-la
com a melhor eficiência, sendo assim, necessários os desenvolvimentos
tecnológicos, as pesquisas científicas, a capacitação de laboratórios e técnica.
23
A energia é fundamental para as atividades econômicas e esta expansão faz com
que se busquem eficiências energéticas alternativas exigindo mudança de hábitos
para se evitar o esgotamento dos recursos utilizados na produção de energia e
impacto no meio ambiente.
24
5 ENERGIA SOLAR: PERSPECTIVA, EFICIÊNCIA E
SUSTENTABILIDADE
A energia solar é uma fonte direta de calor e luz. Uma iluminação solar passiva,
somente com uma arquitetura bioclimática, que visa uma construção harmônica de
clima, características locais e ocupação, beneficiando-se da luz e do calor solar, já
haveria uma considerável redução de utilização de energia elétrica, sem precisar de
placas e mecanismos de aproveitamento dessa irradiação incidente e abundante.
Conforme a redação do site Ambiente Brasil, para um melhor aproveitamento dessa
fonte renovável e tão intensa na Terra, atualmente os processos de utilização se
aperfeiçoam para sua melhor eficiência como fonte elétrica e de aquecimento. A
Figura 5.1 classifica a utilização da energia solar.
Energia solar ‐ Passiva ‐ Ativa Arquitetura solar ‐ Heliotérmica ‐ Fotovoltaica ‐ Solar térmica ‐ Disco Parabólico ‐ Torre central ‐ Cilindro parabólico ‐ Geração centralizada autônoma ‐ Conexão a rede elétrica ‐ Aquecimento de água ‐ Refrigeração ‐ Secagem ‐ Aquecimento industrial ‐ Concentradores Figura 5. 1 – Fluxograma das aplicações práticas de energia solar
Fonte: PEREIRA et al., modificado (2004)
De acordo com a 2ª edição do atlas de energia elétrica do Brasil da ANEEL (2005),
entre vários conceitos de eficácia da energia solar, os mais usados atualmente são
os de geração fotovoltaica de energia elétrica e de placas térmica para aquecimento
de água e ambientes.
25
Segundo o primeiro estudo de planejamento integrado dos recursos energéticos
efetuado no âmbito do governo brasileiro (PNE 2030, 2007, p.28 apud 3ª edição do
atlas de energia elétrica do Brasil, ANEEL, 2008, p.85) reproduz dados do Atlas
Solarimétrico do Brasil e mostra que essa radiação varia de 8 a 22 MJ/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, o Nordeste possui radiação solar equivalente às
melhores regiões do mundo nesses parâmetros, como a cidade de Dongola, no
deserto do Sudão, e a região de Dagget, no Deserto de Mojave, Califórnia. O que
não ocorre com outras localidades afastadas da linha do Equador, como as regiões
Sul e Sudeste, onde estão concentradas as maiores indústrias e atividades
econômicas do país. A Figura 5.2 ilustra esta variação.
Figura 5. 2 – Variação da radiação solar no Brasil
Fonte: EPE (2007)
Vale ressaltar que mesmo as regiões com baixa variação de radiação solar
apresentam grandes potenciais de aproveitamento.
26
O Brasil é privilegiado em relação à radiação solar, embora a participação do sol na
matriz energética nacional seja bem reduzida, o mais utilizado é o de aquecimento
de água.
De acordo com os dados da ELETROBRÁS/PROCEL atualmente, no Brasil, o
aquecimento de água em residências contribui com 1/4 do consumo de energia
elétrica e o aquecimento solar destaca-se como uma das alternativas para redução
da demanda em horários de “pico energético”, tendo o seu potencial na substituição
da energia elétrica para o aquecimento de água. O Brasil possui hoje uma área
instalada de 2 milhões m² de coletores solares, com um mercado que se expande:
cerca de 200 mil m² de coletores solares são instalados por ano.
Apesar de uma boa mobilização do Brasil para utilização da tecnologia de
aquecimento solar de água, principalmente em residências, o custo para aquisição
ainda é muito alto tendo um retorno do capital investido somente após alguns anos
de utilização do sistema. Porém, se houver uma expansão considerável, que
viabilize os desenvolvimentos tecnológicos, além de incentivos fiscais do governo, a
tendência é haver uma considerável redução de valores para aquisição. Um exemplo
disso, é que recentemente em São Paulo, foi publicado o Decreto 49.148, de 21 de
janeiro de 2008, que regulamenta a Lei 14.1459, de 03 de julho de 2007, que dispõe
sobre a instalação de sistemas de aquecimento de água por energia solar nas novas
edificações do Município de São Paulo. Pelo decreto torna-se obrigatório a
instalação do sistema de aquecimento solar de água em novos edifícios residenciais
e não-residenciais. Mesmo sendo uma imposição, há uma preocupação em se
minimizar o uso de outras energias para fins de aquecimento.
Conforme a 2ª edição do atlas de energia elétrica do Brasil da ANEEL (2005), os
fatores que têm contribuído para a expansão dessa tecnologia são: investimentos do
governo na construção de conjuntos habitacionais e casas populares, como
Programa Minha Casa Minha Vida (que prevê a construção de um milhão de casas
para famílias com renda de até dez salários mínimos), Projeto Cingapura, Conjuntos
Habitacionais SIR e Maria Eugênia (COHAB) em Governador Valadares;
financiamentos em bancos para particulares com interesse na instalação de painéis
27
solares; e a conscientização e divulgação dos benefícios do uso da energia solar
para a própria economia e o meio ambiente.
Segundo a Abrava (2001), outro elemento incentivador dessa tecnologia é a Lei n°
10.295, de 17 de outubro de 2001, que dispõe sobre a Política Nacional de
Conservação e Uso Racional de Energia que visa à alocação eficiente de recursos
energéticos e a preservação do meio ambiente e também a divulgação da eficiência
nas edificações construídas no País. O crescimento médio no setor, que já conta
com aproximadamente 140 fabricantes e possui uma taxa histórica de crescimento
anual de aproximadamente 35%, foi acima de 50% em 2001.
Há expectativa de que o Brasil não só utilize a energia solar como fonte de
aquecimento, mas que se instalem e cresçam os números de usinas solares
principalmente em regiões rurais que se localizam a grandes distâncias das redes de
distribuição energética, como exemplo a conversão direta de luz em eletricidade
(Efeito Fotovoltaico), podendo citar, a usina solar PS10 na Espanha com capacidade
de produzir 11 megawatts (National Geographic, 2009).
De acordo com a 3ª edição do atlas de energia elétrica do Brasil da ANEEL (2008),
O Programa Luz para Todos, lançado em 2003 pelo Ministério de Minas e Energia,
instalou vários sistemas fotovoltaicos no Estado da Bahia, com o objetivo de levar
energia elétrica a uma população de cerca de 10 milhões de pessoas que residem
no interior do país, ele visa o atendimento das demandas do meio rural através de
três tipos de iniciativas: extensão da rede das distribuidoras, sistemas de geração
descentralizada com redes isoladas e sistemas de geração individuais.
No Banco de Informações de Geração, da ANEEL (2009), só consta uma usina
fotovoltaica – Araras, no município de Nova Mamoré, Estado de Rondônia, gerando
20,48 kW. Porém não registra qualquer outra usina fotovoltaica a outorgar ou em
construção. O que existe no país são pesquisas e implantação de projetos pilotos da
tecnologia, como o Laboratório de Energia Solar, localizado no Campus do Vale da
Universidade Federal do Rio Grande do Sul, na cidade de Porto Alegre, Rio Grande
do Sul; projeto Sistemas Fotovoltaicos Domiciliares, da Universidade de São Paulo,
que instalou 19 sistemas fotovoltaicos na comunidade de São Francisco de Aiuca,
28
na Reserva de Desenvolvimento Sustentável Mamiruá, no Amazonas; Casa Solar
Eficiente do CEPEL, parte do segmento residencial do CATE e do CRESESB.
5.1 Energia Solar como fonte de aquecimento
O sistema de coletores solares para aquecimento de água em residências pode ser
feito com placas planas com a existência ou não de dispositivos de concentração da
irradiação solar. Seu funcionamento está baseado na captação do calor da
incidência solar sobre as placas coletoras, que são instaladas nos telhados das
residências, com uma serpentina de cobre interligada a uma superfície com
eficiência de absorção de energia luminosa que aquecerá a água que será mantida
em um reservatório termicamente isolado (Boiler) com uma temperatura menor que
100º C. Porém, como o sistema não possui 100% de eficiência, é necessária a
instalação de um sistema complementar para aquecimento auxiliar nas interligações
hidráulicas até o ponto de consumo, que aquecerá a água quando o sistema de
aquecimento solar for ineficiente (quando não receber uma boa irradiação solar) ou
durante a noite. A Figura 5.3 ilustra o sistema.
Para atendimento de uma única residência a instalação necessária é cerca de 4m²
de coletor para suprimento de água quente de uma residência típica (três ou quatro
moradores).
Figura 5. 3 – Ilustração de um Sistema Solar de aquecimento de água
Fonte: GREEN, M. A. et al. Solar cell efficiency tables: version 16. Progress in
Photovoltaics: Research and Ap-plications, Sydney, v. 8, p. 377-384, 2000 (modificado).
EPE (2007)
29
5.1.1 Componentes do sistema
5.1.1.1 Coletor solar
O coletor solar é o dispositivo responsável pela captação de energia do sol e sua
conversão em calor utilizável, podendo ser planos ou de concentração. A maior
parte é fabricada com materiais nobres como alumínio e cobre. A Figura 5.4 ilustra
os componentes do coletor solar (CARDOSO, 2008).
Figura 5. 4 – Vista expandida indicando componentes do coletor solar
Fonte: Cardoso (2008)
A instalação dos coletores deve atender as normas abaixo:
•
Orientação geográfica, conforme a NBR 12269 (ABNT 1992): voltados para o
norte geográfico, com desvio gráfico de 30° desta direção, como mostrado na
Figura 5.5.
Figura 5. 5 – Desenho da orientação geográfica do coletor solar
Fonte: Fossa (2008)
30
•
Ângulo de inclinação, conforme a NBR 12269 (ABNT 1192): Sugere que o
ângulo de inclinação deva ser igual ao da latitude do local acrescido de 10°,
como mostrado na Figura 5.6.
Figura 5. 6 – Desenho do ângulo de inclinação do coletor solar
Fonte: Fossa (2008)
5.1.1.2 Reservatório de água quente
Reservatório isolado termicamente que é responsável pelo armazenamento de toda
a água quente para consumo do usuário. Normalmente é fabricado de aço inoxidável
com uma cobertura de alumínio. A Figura 5.7 mostra os componentes do
reservatório e a Figura 5.8 os componentes do Boiler (TÉCHNE, 2008).
Figura 5. 7 – Componentes do reservatório térmico
Fonte: Cardoso (2008)
31
Figura 5. 8 – Vista expandida indicando componentes boiler
Fonte: Cardoso (2008)
5.1.1.3 Outros componentes do sistema
Como outros componentes utilizam-se uma fonte auxiliar de energia que em
situação decorrente de vários dias sem insolação ou com insolação ineficiente, o
aquecedor auxiliar, que utiliza outras fontes de energia, entra em ação para suprir
eventuais necessidades. Usualmente são utilizados equipamentos a gás ou
elétricos.
Para um bom funcionamento e melhor custo é possível a utilização de um sistema
híbrido de chuveiro elétrico e aquecedor solar. Neste caso os próprios moradores
acionam o chuveiro elétrico quando não há água aquecida e não precisam ter gastos
com aquecedores térmicos instalados diretamente no reservatório térmico do
aquecedor solar.
Há também dispositivos que são sensores controladores de temperatura que
impedem a mistura de água fria da caixa d’água com a já aquecida no reservatório
em dias nublados ou durante a noite e também fazem o acionamento do sistema
auxiliar ou não, dependendo da necessidade.
32
5.1.1.4 Tipos de circulação
A circulação pode ser natural ou forçada.
•
Circulação natural (Termosifão), onde a circulação ocorre devido à diferença
entre a água fria e a água quente. A água fria, sendo mais densa, acaba
empurrando a água quente que é menos densa, realizando a circulação. A
Figura 5.9 ilustra o sistema e seus componentes.
Figura 5. 9 – Sistema de circulação natural
Fonte: Fossa (2008)
•
Circulação forçada, onde a circulação da água ocorre com auxilio de uma
motobomba instalada no circuito. Esse sistema é adotado de um termosensor,
responsável pelo acionamento da bomba. A Figura 5.10 ilustra essa
circulação.
33
Figura 5. 10 – Sistema de circulação forçada
Fonte: Fossa (2008)
5.1.2 Etapas para instalação residencial
Segundo o site da consultora de instalação de aquecedores solares, Agência
Energia (2009), a primeira medida para instalação deste tipo de sistema é o
anteprojeto, cujo o objetivo é fazer o levantamento das informações do uso da água
quente, o local onde o sistema será implantado, os pontos de consumo, demanda de
utilização, perfil de consumo, entre outras. Esta etapa é primordial, pois nela é onde
o desempenho do sistema será definido e também serão verificadas as condições
para instalação e o espaço disponível.
O segundo passo será efetuar o projeto executivo, onde será desenvolvido um
projeto completo de engenharia contendo todos os detalhes importantes para
instalação adequada, operação e futura manutenção do sistema. Nesta etapa será
imprescindível a solicitação da ART (Anotação de Responsabilidade Técnica) do
responsável pelo projeto.
Nessa fase será feito o dimensionamento do aquecedor, calculando-se o volume de
água quente necessária através da equação (1) (CARDOSO, 2008):
34
Equação (1)
Onde:
V consumo é o volume do consumo diário em m³;
Vu corresponde à vazão do ponto de utilização em m³/s;
t é tempo de utilização em segundos;
fr é a frequência de uso da peça de consumo
De acordo com Cardoso (2008) em matéria publicada à revista TÉCHNE (2008) a
partir dessa equação será quantificado o volume de água quente a ser consumido
diariamente, sendo que esse volume total corresponde à quantidade de água quente
para temperatura de um banho, que está em torno de 36º C e 40º C. Que
corresponde a uma parte de água aquecida pelo sol e outra parte proveniente da
água fria.
Usualmente trabalha-se com os seguintes princípios (CARDOSO, 2008):
Duchas: 40l a 60l/ banho;
Cozinha: 10l a 15l/ pessoa;
Lavatório e ducha higiênica: 3l a 5l/ pessoa;
Lavanderia: 10l e 15l/ kg de roupa seca;
Após desse dimensionamento, encontra-se ao volume final do reservatório. E em
seguida será dimensionada a área necessária para o coletor. Nesse ponto será feito
um balanço da energia necessária para o aquecimento do volume dimensionado e a
produção específica do coletor. Na equação (2) segue o cálculo apresentado de
demanda (CARDOSO, 2008):
Equação (2)
A demanda energética mensal pode ser definida pela equação (3) (CARDOSO,
2008):
35
Equação (3)
Onde:
DE é a demanda energética mensal, em kWh;
V o volume de água quente em m³;
p é o peso específico da água, considerando 1.000 kg/m³;
cp é o calor específico da água, 4,18 kJ/kgºC;
Tp é a temperatura de armazenagem da água quente, em ºC;
Tl é a temperatura de água fria, em ºC;
A produção específica de energia do coletor pode ser calculada para qualquer
condição de clima, desde que atenda as dimensões do coletor solar e a curva de
eficiência térmica. A Figura 5.11 apresenta a curva de eficiência.
Figura 5. 11 – Curva de eficiência térmica
Fonte: Cardoso (2008)
Após essa etapa será necessário a compra do sistema junto a uma empresa
confiável e uma supervisão completa e precisa dos vários itens que compõe a
instalação do sistema de aquecimento solar (AGÊNCIA ENERGIA, 2009).
36
5.1.3 Vantagens e desvantagens do sistema de aquecimento solar
A maior vantagem deste sistema é que não polui durante o uso e seus componentes
para serem fabricados e instalados, não necessitam de constantes manutenções,
desta forma evitando gasto de outros produtos.
Torna-se economicamente viavel para toda região brasileira, sendo um grande
aliado para a economia de energia elétrica especialmente no uso de chuveiros
elétricos.
Mesmo sendo um sistema que trás benefícios além dos economicos,
há
desvantagens, como utilização em regiões onde haja variação de incidencia solar,
como locais em latitudes média e altas, ou que sofrem com nebulosidade por muitos
dias e épocas do ano, fazendo com que percam sua funcionalidade. Também não
há rendimento durante a noite, sendo necessário um sistema híbrido (elétrico mais
solar) para garantir coonforto aos usuários suprindo uma possivel ineficiencia dos
painéis .
Mas devido os combustíveis fósseis (carvão, petróleo e gás), e a energia hidrelétrica
(água), serem recursos finitos, precisa-se investir em melhores tecnologias e
menores custos para uma perfeita eficiencia para utilização das placas solares.
5.2 Energia solar como fonte elétrica
O sistema de energia solar fotovoltaico é obtido através da conversão direta de luz
em eletricidade (efeito fotovoltaico). Relatado por Edmond Becquerel, em 1839, o
sistema fotovoltaico não utiliza calor para produzir eletricidade, mas é o
aparecimento de uma diferença de potencial que produz eletricidade diretamente
dos elétrons liberados pela interação da luz do sol com certos materiais
semicondutores nos extremos de sua estrutura, tal como o silício cristalino na forma
de monocristal ou policristal. A célula fotovoltaica é a unidade principal do processo
de conversão e o movimento dos elétrons forma eletricidade de corrente direta
(NOGUEIRA JR., 2009 e CRESESB, 2000).
37
A expansão e aprimoramento desta tecnologia deu-se com o início da corrida
espacial, em meados da década de 50, que buscava uma forma alternativa de
geração de energia, capaz de suprir os instrumentos de navegação e operação de
satélites. No lançamento do satélite Vanguard 1, instalou-se pequenos painéis para
testar a conversão da luz solar em energia elétrica. Com isso, em vez de alguns
meses de operação, como era previsto, o satélite operou por seis anos (KISS, 2009).
Há dois sistemas de utilização. Segundo Dias (2004) há os sistemas que são
conectados à rede elétrica que se constituem por dois elementos principais: um
deles é o módulo fotovoltaico, ou painel solar, que converte a luz em energia elétrica
de corrente contínua (12v) e o outro é o inversor eletrônico que converte a energia
em corrente alternada, que é compatível com a rede elétrica da concessionária, que
no Brasil opera em freqüência de 60 Hz (todos os componentes são modulares); o
outro se pode utilizar baterias para prover um sistema totalmente independente da
rede elétrica "off grid" ou de "emergência" para o caso da rede elétrica interromper o
serviço de energia elétrica por algum motivo. A Figura 5.12 ilustra o sistema
completo de geração fotovoltaica de energia elétrica.
Figura 5. 12 – Sistema de geração fotovoltaica.
Fonte: CRESESB, adaptado (2000)
38
5.2.1 Componentes do sistema
5.2.1.1 Painéis ou módulos de células fotovoltaicas
Conforme Dias (2004) os módulos são construídos com materiais resistentes às
intempéries e que em sua aparência não sofrem envelhecimento com o decorrer dos
anos. Podem ser fabricados com algum aspecto construtivo diferenciado, como a
laminação entre vidros; e também há a opção por módulos solares flexíveis, que são
fabricados com elementos fotossensíveis depositados sob substratos flexíveis
metálicos ou plásticos. A eficiência de conversão é menor que aos módulos rígidos
de silício mono ou policristalino (cerca de 8% contra 15%), porém é uma alternativa
extremamente interessante para instalações em telhados que não suportariam o
peso de módulos rígidos.
De acordo com Kiss (2009) diversos semicondutores são utilizados para produção
de células fotovoltaicas. O mais tradicional é o silício cristalino como um monocristal
ou policristal. Os painéis de silício se encontram geralmente com células da ordem
de 300 mícrons, mas há células mais modernas que são fabricadas com apenas 1
mícron, que é o caso das células de silício amorfo hidrogenado, que hoje em dia é o
mais viável comercialmente. Há também películas de telureto de cádmio ou
disseleneto de cobre e índio que são os mais indicados para fabricação de peças
para revestimento de telhas ou entre duas placas de vidros.
Conforme a Solarterra (2009) para se obter um condutor com elétrons livres,
acrescentam-se porcentagens de outros elementos. Este processo denomina-se
dopagem. Mediante a dopagem obtém-se um material com elétrons livres ou
materiais com portadores de carga negativa (N). Realizando o mesmo processo,
mas acrescentando outro elemento obtém-se um material com características
inversas, ou seja, material com cargas positivas livres (P).
Cada célula solar compõe-se de uma camada fina de material tipo N e outra com
maior espessura de material tipo P, conforme ilustrado na Figura 5.13.
39
Figura 5. 13 – Módulos de células fotovoltaicas.
Fonte: SOLARTERRA (2009)
As placas são eletricamente neutras quando separadas, mas ao serem unidas (P-N),
gera-se um campo elétrico devido aos elétrons tipo N que ocupam os vazios da
estrutura do tipo P.
Por meio de um condutor externo, conecta-se a camada negativa à positiva, gerando
uma corrente elétrica na conexão, que enquanto a luz continuar a incidir na célula, o
fluxo de elétrons se manterá. A intensidade da corrente gerada variará
proporcionalmente conforme a intensidade da luz incidente (SOLARTERRA, 2009).
Cada módulo fotovoltaico é formado por uma determinada quantidade de células
conectadas em série. Este fluxo repete-se até chegar à última célula do módulo, da
qual fluem para o acumulador ou a bateria e cada elétron que abandona o módulo é
substituído por outro que regressa do acumulador ou da bateria (SOLARTERRA,
2009).
5.2.1.2 Suporte para painéis
Segundo Nogueira Jr. (2009), a instalação poderá ser feita com estrutura fixa ou
rastreadora "tipo tracking" que segue o movimento do sol.
Com a utilização de módulos incorporados à arquitetura o suporte para o painel será
de acordo com a sua utilização. Se uso for em fachadas será necessário o emprego
de caixilharia especial, com elementos de fixação próprios que devem ser definidos
na fase de projeto. Se a opção for colocar os módulos em estruturas de fixação
40
sobre os telhados, podem-se utilizar modelos padronizados de fixação de alumínio
ao aço galvanizado que será instalado conforme citado na instalação das placas
solares para aquecimento de água. A Figura 5.14 ilustra a utilização desses painéis
sobre telhado.
Figura 5. 14 – Instalação de painéis fotovoltaicos sobre telhado.
Fonte: Dias (2004)
Conforme Dias (2004) a utilização de módulos fotovoltaicos incorporados à
arquitetura é uma das áreas que mais crescem no mundo inteiro, inclusive, criou-se,
a denominação BIPV (Building Integrated Photovoltaics) para as técnicas
desenvolvidas que utilizam a energia solar em projetos de arquitetura com os painéis
solares, que além de gerarem energia elétrica, incorporam beleza à construção. A
Figura 5.15 ilustra essa utilização.
41
Figura 5. 15 – Módulos solares em placas de vidro.
Fonte: Dias (2004)
5.2.1.3 Controlador de carga de bateria
O controlador de carga e descarga interrompe o fornecimento de energia aos painéis
fotovoltaicos. É responsável principalmente pela vida útil da bateria evitando sua
sobrecarga ou descarga completa. Sua função é monitorar o nível de tensão da
bateria e deste principio conectá-la ou não ao módulo solar e habilitar ou não o
inversor.
De acordo com a Solarterra (2009), existem vários tipos de controladores de carga.
O tipo mais simples é onde se envolve uma só etapa de controle, que é onde o
controlador monitora constantemente a tensão da bateria de acumuladores,
verificando a tensão até alcançar um valor para o qual a bateria se encontre
carregada (aproximadamente 14.1 Volts para bateria de chumbo ácido de 12 Volts
nominais) o controlado interrompe o processo de carga. Isto pode ser conseguido
abrindo o circuito entre os módulos fotovoltaicos e a bateria (controle tipo série) ou
curto-circuitando os módulos fotovoltaicos (controle tipo shunt). Quando o há muito
consumo e a bateria começa a descarregar-se, o controlador reconecta o gerador à
bateria e o ciclo recomeça.
5.2.1.4 Banco de baterias
As baterias podem ser um componente de um sistema fotovoltaico autônomo
(remotos) ou para reserva elétrica de um sistema interligado a rede.
42
O
bom
funcionamento
do
sistema
fotovoltaico
também
depende
do
dimensionamento do banco de bateria, pois o sistema pode ser composto por uma
ou mais baterias, onde será armazenada de energia eléctrica para uso durante a
noite ou em períodos de nebulosidade, quando não há baixa radiação solar.
Segundo a Solarterra (2009), uma bateria tem sua tensão determinada pelo seu
estado de carga, temperatura, tempo de uso, regime de carga e descarga, entre
outros. Esta tensão é imposta a todos os outros elementos que estão ligados a ela,
incluindo o módulo fotovoltaico.
5.2.1.5 Inversor de corrente
O inversor de corrente converte a corrente contínua (12 volts) das baterias em
corrente alternada (110 ou 220 volts) que nos parâmetros residenciais servem para
utilização em eletrodomésticos que só utilizem a corrente alternada. A Figura 5.16
exemplifica a utilização do inversor de corrente.
Figura 5. 16 – Funcionamento residencial para o inversor de corrente.
Fonte: SOLARTERRA (2009)
Conforme Dias (2004) os inversores são dispositivos eletrônicos sofisticados.
Possuem a característica de aproveitar o máximo da energia proveniente dos
43
módulos solares e podem vir acompanhados de sistemas de monitoração e controle,
que fazem as leituras de funcionamento e operação do conjunto de fotovoltaico,
podendo saber com exatidão a energia que está sendo gerada no momento ou
acumulada num período. Pode-se, ainda, detectar eventuais defeitos ou falhas de
operação, sendo tudo é feito de forma automática.
5.2.2 Etapas para instalação residencial
Segundo a apostila do curso de energia solar fotovoltaica da consultoria Solarterra
(2009), a primeira medida para instalação é verificar a tensão nominal do sistema,
onde se verificará a tensão típica em que operam as cargas para conexão e, além
disso, determinar se a referida tensão é alternada ou contínua.
Outro dado essencial é a verificação da potencia máxima exigida pela carga e sua
variância ao longo do dia, juntamente com seu perfil de utilização.
A localização geográfica do sistema é um dos fatores que irão determinar o ângulo
de inclinação dos painéis para instalação e seu nível de radiação. Com isso será
previsto o número de dias em que diminuirá ou não haverá geração de energia para
isso se fazer um adequado dimensionamento das baterias de acumuladores.
Para assegurar uma operação correta das cargas deve-se efetuar a escolha e
posição de instalação adequada dos condutores e cabos de ligação, tanto daqueles
que ligam o gerador solar às baterias como aqueles que interligam com as cargas.
5.2.3 Vantagens e desvantagens do sistema fotovoltaico
A principal vantagem é que o sistema fotovoltaico além de não poluente, a fonte que
se utiliza para produção da energia é "inesgotável", que é tudo o que é necessário
hoje em dia e para as próximas décadas. Além disto, é gerado energia elétrica (e
não térmica), podendo alimentar diretamente os equipamentos.
44
Um fator interessante da energia fotovoltaica interligada a rede elétrica é que há
alternativa de que a energia não utilizada pode ser vendida a concessionária,
transformando as residências em usinas. Conforme Dias (2004) a geração de
energia pelos módulos fotovoltaicos faz com que o medidor de energia gire ao
contrário, contabilizando ao final do mês quanto efetivamente o usuário terá que
pagar de energia elétrica à concessionária.
De acordo com Dias (2004) adicionalmente ao fator financeiro de se gerar
eletricidade, e compartilhá-la com a concessionária, há o aspecto visual que pode
ser explorado incorporando os painéis às fachadas.
Um forte aliado ao sistema é que a manutenção é praticamente inexistente.
Segundo Dias (2004) os componentes usados são projetados para uma vida longa e
útil e não possui peças móveis, o que gera confiabilidade de funcionamento.
Também os módulos incorporados em fachadas podem ser limpos como quaisquer
vidros utilizados em fachadas.
Segundo Kiss (2009) a grande desvantagem no sistema ainda está no custo de
implantação de centrais fotovoltaicas, que exige investimentos muito altos, o que
resulta numa energia bem mais cara ao consumidor final do que a praticada no
Brasil (hidrelétrica), porém evita-se a inundação de cerca de 56 m2 de terra na
instalação de hidrelétricas segunda a Abrava (2001). Porém a principal vantagem para o Brasil e que compensaria o alto custo é a de
acordo com Dias (2004) poder gerar energia elétrica em locais remotos e de difícil
acesso, principalmente em projetos de telecomunicação, eletrificação rural em
comunidades afastadas e bombeamento d'água.
Há índices que no Brasil existam cerca de 12 milhões de pessoas vivendo sem luz
nos mais distantes locais e em centros urbanos que seria ideal a utilização de uma
geração de energia elétrica descentralizada como a fotovoltaica.
A geração de eletricidade durante a noite pode ser um desafio. De acordo com a
reportagem na revista National Geographic, o pesquisador Daniel Nocera, apresenta
45
um catalizador que é autorrenovável podendo permitir o uso da água como
armazenamento. “A casa vira uma usina”, diz NOCERA. A Figura 5.17 ilustra o
funcionamento desta usina.
Figura 5. 17 – Casa como usina solar
Fonte: Nocera, National Geographic (2009)
46
6 ESTUDO DE CASO
Para realização do estudo de caso foi estabelecido duas frentes de pesquisa: para o
sistema elétrico foi efetuado um estudo a partir de uma comunidade Amazonense
que possui dificuldades para acesso a energia elétrica tradicional, e outra para o
conhecimento do sistema de aquecimento solar que possui o entrave de custo, para
isso foi verificado um estudo de caso com aquecedor solar feito com garrafa PET.
6.1 Localização
•
Para instalação do sistema fotovoltaico: Pousada de Uacari, localizada na
reserva Mamirauá, Amazonas, Brasil.
•
Para instalação do sistema de aquecimento solar com garrafa PET: residência
do comerciante José Alcino Alano, Tubarão, Santa Catarina, Brasil.
6.2 Coleta de Dados de Campo
6.2.1
Características do local instalado
6.2.1.1 Sistema fotovoltaico – Pousada Uacari
A pousada Uacari é composta por um conjunto de sete estruturas de madeira
cobertas com palha, construídas sobre toras de madeira flutuantes no rio. No estudo
de caso serão detalhadas as instalações existentes no módulo central da pousada
flutuante Uacari.
O Amazonas possui clima equatorial, sendo quente e úmido. As temperaturas
médias variam entre 26° a 27°. Com radiação em média de 16 a 18 MJ/m²/dia.
A Pousada foi projetada com mínimo de impacto ambiental possível ao meioambiente com instalações sustentáveis, inclusive com aproveitamento da energia
47
solar para eletricidade. É possível verificar o complexo e o bloco central através da
Figura 6.1.
Figura 6. 1 – Foto aérea da Pousada Flutuante Uacari
Fonte: IDSM (2008)
6.2.1.2 Sistema de aquecimento solar com garrafa PET
Para instalação do sistema de aquecimento solar utilizando garrafas PET na
residência do Sr. José Alano, utilizou-se um sistema básico para o aquecimento de
água em dois banheiros, com um consumo médio para quatro pessoas em banhos
que não ultrapassem 8 minutos que consome em torno de 200 litros d’água.
A região de Tubarão possui invernos rigorosos e compromete o isolamento térmico,
com temperaturas de 22 a 25°C no verão e 13 a 16° C no inverno.
Em consequência dessas diferenças entre as estações do ano e a redução da
radiação solar no inverno há queda de rendimento do sistema, porém utiliza-se
chuveiros elétricos para compensação ou aumento de reservatório térmico para
armazenamento e maior quantidade de água para utilização.
48
6.2.2
Funcionamento do sistema
6.2.2.1 Pousada Uacari
Serão apresentados os resultados obtidos a partir de informações do trabalho sobre
“PROBLEMAS E SOLUÇÕES EM SISTEMAS FOTOVOLTAICOS AUTÔNOMOS NA
AMAZÔNIA: O ESTUDO DE CASO DA POUSADA FLUTUANTE UACARI”
apresentado no II Congresso Brasileiro de Energia Solar e III Conferência Regional
Latino-Americana da ISES - Florianópolis, 18 a 21 de novembro de 2008, onde
foram obtidos dados por meio de entrevistas a funcionários, levantamentos locais,
fotos e medições de parâmetros elétricos das reais condições nas instalações locais
do sistema autônomo.
6.2.2.1.1 Levantamento dos equipamentos existentes na instalação
Para inicio do projeto e instalação do sistema fotovoltaico o grupo de estudo
elaborou um levantamento do consumo elétrico da pousada com os principais
equipamentos de utilização e consumo de energia elétrica, pertencentes ao bloco
central. Além das informações fornecidas pelos funcionários da pousada, juntamente
com a potência instalada no local, foi possível obter uma estimativa do consumo
médio diário de eletricidade kWh, conforme dados apontados na tabela 6.1.
Tabela 6. 1 – Equipamentos do sistema de produção e consumo de eletricidade
Fonte: MACEDO, et al. Trabalho sobre “Problemas e soluções em sistemas fotovoltaicos autônomos
na Amazônia: O estudo de caso da pousada flutuante Uacari”, modificado (2008).
49
O consumo estimado da edificação (7.287 Wh) e de acordo com as informações
contidas na Tabela 6.1, a capacidade de produção do gerador fotovoltaico projetado
(8.000 Wh) é compatível com a necessidade de utilização.
6.2.2.1.2 Composição do sistema fotovoltaico na Pousada Uacari
Os dados obtidos no trabalho sobre “PROBLEMAS E SOLUÇÕES EM SISTEMAS
FOTOVOLTAICOS AUTÔNOMOS NA AMAZÔNIA: O ESTUDO DE CASO DA
POUSADA FLUTUANTE UACARI” (2008) são de diagnósticos de problemas e
soluções encontradas para os defeitos do sistema da pousada Uacari, porém no
trabalho aqui apresentado serão extraídos dados das instalações e processos de
funcionamento do sistema como um todo de um sistema autônomo.
6.2.2.1.2.1 Elaboração de caixas auxiliares
Foram elaboradas caixas para condicionamento dos inversores, conexão dos
geradores fotovoltaicos e de condicionamento dos barramentos positivos e negativos
do banco de baterias, com o objetivo principal de prover facilidades na instalação e
manutenção do sistema. Na Figura 6.2 é possível verificar a montagem e na Figura
6.3 a instalação das caixas auxiliares e barramento.
Figura 6.2 – Confecção dos barramentos e caixas auxiliares
Fonte: MACEDO, et al. Trabalho sobre “Problemas e soluções em sistemas
fotovoltaicos autônomos na Amazônia: O estudo de caso da pousada flutuante
Uacari”, (2008).
50
Figura 6.3 – Montagem das caixas auxiliares
Fonte: MACEDO, et al. Trabalho sobre “Problemas e soluções em
sistemas fotovoltaicos autônomos na Amazônia: O estudo de caso da
pousada flutuante Uacari”, (2008).
Após a preparação das caixas, o próximo passo contempla a montagem destas
caixas no quadro instalado no forro do bloco central e na varanda, para facilitar o
processo
de
conexão
das
diversas
partes
do
sistema
de
produção
e
dimensionamento de eletricidade.
6.2.2.1.2.2 Montagem dos geradores fotovoltaicos
Após a fixar as caixas com os equipamentos de condicionamento de potência,
passou-se à etapa de montagem dos módulos fotovoltaicos.
Optou-se pela instalação na fachada com orientação 15° noroeste e uma fixação
sobre uma estrutura metálica do gerador fotovoltaico, facilitando a instalação e
limpeza dos módulos fotovoltaicos. A Figura 6.4 ilustra o posicionamento efetuado
para os módulos fotovoltaicos como também a localização para o acesso necessário
para a manutenção e instalação e a Figura 6.5 mostra os processos para instalação.
51
Figura 6.4 – Posicionamento dos painéis fotovoltaicos
Fonte: MACEDO, et al. Trabalho sobre “Problemas e soluções em sistemas
fotovoltaicos autônomos na Amazônia: O estudo de caso da pousada flutuante
Uacari”, (2008).
Figura 6.5 – Etapas da instalação dos módulos fotovoltaicos.
Fonte: MACEDO, et al. Trabalho sobre “Problemas e soluções em sistemas
fotovoltaicos autônomos na Amazônia: O estudo de caso da pousada flutuante
Uacari”, (2008).
Os módulos fotovoltaicos foram instalados no telhado, com uma inclinação de
aproximadamente 17° e com uma orientação mais adequada possível ao local de
irradiação, uma vez sua orientação varia de acordo com os períodos de seca e
cheia, permeando anualmente entre +20° e -20° em relação ao norte geográfico.
Para as conexões elétricas entre os módulos fotovoltaicos foram realizadas para se
obter dois sub-geradores fotovoltaicos com 125 W cada. Cada sub-gerador foi
52
conectado ao banco de baterias através de um controlador de carga de 40 A. Na
Figura 6.6 o diagrama apresenta maiores detalhes da configuração de cada subgerador.
Figura 6.6 – Diagrama esquemático de cada sub-gerador.
Fonte: MACEDO, et al. Trabalho sobre “Problemas e soluções em sistemas
fotovoltaicos autônomos na Amazônia: O estudo de caso da pousada flutuante
Uacari”, (2008).
6.2.2.1.2.3 Montagem do banco de baterias
Apos os geradores fotovoltaicos instalados, deu-se inicio ao processo de
montagem do banco de baterias.
Para a configuração do sistema fotovoltaico foi calculado uma tensão de 24 V, com
uma distância adequada entre o banco de bateria e os inversores e
dimensionamento da bitola dos cabos. A Figura 6.7 ilustra a configuração do
53
banco, com a inclusão de quatro barramentos CC, dois positivos e dois negativos,
para facilitar na implantação, operação e manutenção do sistema.
Figura 6.7 – Configuração do banco de baterias
Fonte: MACEDO, et al. Trabalho sobre “Problemas e soluções em sistemas
fotovoltaicos autônomos na Amazônia: O estudo de caso da pousada
flutuante Uacari”, (2008).
Foram instaladas 20 baterias para garantir uma profundidade de descarga diária
próxima a 20%, e assim, manter a vida útil das mesmas. A Figura 6.8 mostra o
banco de baterias instalado, e logo acima o painel com os inversores, barramentos
e controladores anteriormente instalados.
Figura 6.8 – Detalhes do banco de baterias e painel de condicionamento.
Fonte: MACEDO, et al. Trabalho sobre “Problemas e soluções em sistema fotovoltaicos
autônomos na Amazônia: O estudo de caso da pousada flutuante Uacari”, (2008).
54
6.2.2.1.2.4 Instalação elétrica predial do bloco central da Pousada Uacari
Nesta etapa houve a modelação dos circuitos de distribuição, mantendo um padrão
e uma instalação simples. Para isso, os circuitos foram divididos em quatro, e cada
um deles alimentado por um inversor de 1.500 VA, tal como mostram as Figuras
6.9 e 6.10.
Para a escolha dos quatro inversores foi verificado e estudado a confiabilidade do
suprimento do sistema, com o possível aumento da demanda e na melhor relação
custo benefício.
Figura 6.9 – Diagrama esquemático dos inversores e quadro de distribuição do circuito 1 e 2.
Fonte: MACEDO, et al. Trabalho sobre “Problemas e soluções em sistema fotovoltaicos autônomos
na Amazônia: O estudo de caso da pousada flutuante Uacari”, (2008).
55
Figura 6.10 – Diagrama esquemático dos inversores e quadro de distribuição do circuito 3 e 4
Fonte: MACEDO, et al. Trabalho sobre “Problemas e soluções em sistema fotovoltaicos autônomos
na Amazônia: O estudo de caso da pousada flutuante Uacari”, (2008).
Houve a necessidade de uma reestruturação dos quadros gerais de distribuição,
conforme mostrado na Figura 6.11, que faz a utilização de um inversor por circuito
ou um inversor alimentando dois circuitos ao mesmo momento (deixando o outro
em “standby”). Conforme a necessidade foram inseridos medidores de energia para
o monitoramento da energia consumida na pousada, que possibilitará um
acompanhamento para a necessidade de ampliação ou não conforme o consumo,
verificado na Tabela 6.1.
Figura 6.11 – Quadros de distribuição com chaves auxiliares
Fonte: MACEDO, et al. Trabalho sobre “Problemas e soluções em sistema
fotovoltaicos autônomos na Amazônia: O estudo de caso da pousada flutuante
Uacari”, (2008).
56
Foi adicionado aos medidores de energia elétrica, um voltímetro digital que foi
instalado no piso superior da pousada (conforme mostrado na Figura 6.12),
proporcionando a monitoração do nível de tensão do banco de baterias, que
possibilita a utilização adequada do sistema de produção e armazenamento da
eletricidade e, consequentemente, uma redução do consumo de energia elétrica.
Figura 6.12 – Instalação dos medidores de energia e voltímetro digital
Fonte: MACEDO, et al. Trabalho sobre “Problemas e soluções em sistema fotovoltaicos
autônomos na Amazônia: O estudo de caso da pousada flutuante Uacari”, (2008).
Referente às cargas, o ponto principal modificado foi o sistema de iluminação.
Aumento-se o fluxo luminoso e a praticidade de instalação e manutenção, com o
rebaixo do pé-direito e a utilização de lâmpadas fluorescentes compactas, que são
simples, eficientes e econômicas.
Para a etapa final referente à instalação elétrica predial, foi elaborado um sistema
de aterramento. Para isso, utilizaram as massas das toras de madeira encharcadas
de água como um caminho alternativo para o escoamento de descargas
indesejáveis. Com isso, elaborou-se uma malha de aterramento composta por
hastes de aço cobreadas fixadas nas bóias de madeira e distribuídas de para
contornar toda pousada na borda flutuante, sendo estas interligadas por cabo de
cobre nu.
57
6.2.2.2 Sistema de aquecimento solar com garrafas PET
A instalação deste sistema não se diferencia do usual, pode-se utilizar o sistema de
circulação natural (Termosifão) ou circulação forçada como explicado no item 5.1.1.4
deste trabalho. A única diferença dá-se pela substituição do material.
6.2.2.2.1 Composição do Sistema de aquecimento solar com garrafas PET
6.2.2.2.1.1 Coletores solar
O coletor solar precisa ser dimensionado de acordo com a caixa d’água a ser
utilizada ou acumulador, pois a água circula no coletor para ser aquecida e também
recebe água fria que equilibra a temperatura dentro dos tubos de PVC. Para limitar a
temperatura a níveis que mantenham a rigidez do PVC (temperatura máxima de
55ºC quando aplicado em sistemas com baixa pressão), sem causar danos dos
mesmos, comprometendo a estrutura do coletor solar ou de todo o conjunto,
podendo provocar vazamentos ou a causar a destruição do coletor solar.
Objetivando uma redução de custo foram utilizadas colunas de absorção térmica,
tubos e conexões de PVC, que não possuem um desempenho tão eficiente quanto
aos tradicionais de cobre ou alumínio.
As garrafas PET e as caixas Tetra Pak, substituem a caixa metálica, o painel de
absorção térmica e o vidro utilizado nos coletores convencionais.
•
Garrafa PET
Para a construção do sistema residencial foram necessárias 240 garrafas PET para
um aquecedor solar que utiliza em média 200 litros de água.
As garrafas precisam ter a capacidade de 2 litros, acinturadas, transparentes, limpas
e pressurizadas, para isso é necessário que depois de escorrida a água para
limpeza da mesma, seja levada a geladeira sem a tampa e ao ser retirada e
58
tampada, na temperatura ambiente tenha sua expansão máxima a fim de evitar autoamasse.
Nas garrafas é necessário que se corte o fundo, deixando-as como na Figura 6.13.
Figura 6.13 – Garrafa PET com a formatação de utilização
Fonte: Alano (2008)
A caixa metálica com vidro ou as garrafas PET, protegem o interior do coletor das
interferências externas, como os ventos e oscilações da temperatura, constituindo
um ambiente próprio.
•
Caixas Tetra Park
São necessárias 220 unidades de caixas de 1 litro, limpas e armazenadas abertas e
no plano.
As caixas Tetra Pak têm sua composição com 5% de alumínio, 20% de polietileno e
75% de celulose, oferecendo um excelente resultado, pois devido a sua composição
evita que se deformem na temperatura a que serão submetidas, dentro das garrafas,
ao contrário de um papel comum.
As caixas precisam ser cortadas no tamanho de 22,5 cm de comprimento, com um
corte de 7,0 cm na parte de baixo da caixa, para isso foi elaborado um gabarito
conforme mostrado na Figura 6.14.
Figura 6.14 – Cortes e dobras das caixas Tetra Park
Fonte: Alano (2008)
59
Após os preparativos descritos é necessário que as caixas sejam pintadas de tinta
preta fosca para uma melhor absorção do calor.
O calor absorvido pelas caixas Tetra Park, pintadas em preto fosco, é retido no
interior das garrafas e transferido para a água através das colunas de PVC, também
pintadas em preto.
•
Cortes e pintura dos tubos de PVC
Os tubos das colunas do coletor solar devem ser cortados, com 100,0 cm para
colunas com 5 garrafas cinturadas, desta forma não há dificuldades de instalação do
coletor em relação à altura da caixa d’água, pois há diferença em relação à
inclinação dependendo da latitude local. No caso da cidade de Tubarão/SC a latitude
é de 28°28’ S. Estes tubos devem ser pintados com tinta preta fosca, com
isolamento das pontas com fita crepe.
Para os tubos de distanciamento entre colunas, são cortados tubos com 8,0 cm, sem
pintura que distanciam os tubos de 20 mm (1/2) entre as colunas.
A confecção e montagem destes tubos serão compostas com 5 conexões “T” e 5
espaçadores de 8,0 cm conforme mostrado na Figura 6.15.
Figura 6.15 – Tubos de distanciamento
Fonte: Alano (2008)
60
•
Montagem do coletor
A Figura 6.16 apresenta os tubos de distanciamento conectando os tubos das
colunas que serão encaixados com adesivo na parte de encaixe, formando o
barramento superior do coletor.
Figura 6.16 – Tubos de distanciamento conectando os tubos das colunas
Fonte: Alano (2008)
Após a fixação dos tubos de coluna são encaixadas as garrafas PET e colocadas as
caixas Tetra Park, conforme ilustradas pelas Figuras 6.17 e 6.18, respectivamente.
Figura 6.17 – Colocação das garrafas PET
Fonte: Alano (2008)
61
Figura 6.18 – Colocação das caixas Tetra Park
Fonte: Alano (2008)
A configuração final dos módulos de coletores ficará conforme mostrado na Figura
6.19.
Figura 6.19 – Configuração dos módulos do coletor
Fonte: Alano (2008)
Para a residencia do estudo de caso, foi efetuada a utilização de 2 coletores com 4
módulos, que antes de serem levados ao telhado ou ao suporte foram preparados.
Depois de montados os coletores, foram amarrados 2 tubos de esgoto de 40 mm ao
barramento sobre as conexões “T”, que serviram para instalação interna de um tubo
62
de 25 mm que trás a água da caixa d’água para ser aquecida, conforme ilustrado na
Figura 6.20.
Figura 6.20 – Tubo de 40mm e 25 mm
Fonte: Alano (2008)
Também foram utilizados drenos nas tubulações para retrolavagem, conforme
mostrado pela Figura 6.21.
Figura 6.21 – Dreno para retrolavagem periódica do coletor solar
Fonte: Alano (2008)
Na Figura 6.22 há a demonstração do projeto final do coletor solar, com os itens
apontados de funcionamento do fluxo de água, onde o número 1 é a saída de água
63
fria fechada por um tampão; o número 2 é a saída de água quente fechada por um
tampão; o número 3 é o dreno para limpeza; o número 4 é o retorno de água quente;
e o número 5 é à entrada de água fria.
Figura 6.22 – Configuração final do coletor
Fonte: Alano, modificado (2008)
Para a instalação final deve-se colocar suportes, respeitando os desníveis
obrigatórios e também a inclinação em relação a latitude local. No estudo de caso foi
utilizada uma configuração conforme a Figura 6.23.
Figura 6.23 – Instalação final do coletor sobre o telhado
Fonte: Alano (2008)
64
6.2.2.2.1.2 Caixa d’água ou reservatório
Utilizou-se uma caixa d’água de 250 litros somente como reservatório de água
quente. A Figura 6.24 ilustra detalhadamente com o percentual de altura das
furações conforme a altura da caixa d’água.
Figura 6.24 – Percentual de altura das furações conforme a altura da caixa d’água
Fonte: Alano(2008)
Não há obrigatoriedade de ter uma caixa d’água para o fornecimento somente de
água quente, pode ser utilizada a mesma para fornecimento de água quente e fria,
desde que a quantidade de água fria não ultrapasse o volume de 1/3 da água a ser
aquecida.
No projeto como o consumo de utilização de 2 chuveiros ao mesmo tempo, fez-se
necessário a instalação de uma torneira bóia de alta vazão, para que a mesma
reponha a água consumida rapidamente, mas sem causar turbulência. Por isso
também foi instalado um redutor de turbulência, pois o jato d’água liberado pela bóia
é dirigido até o fundo impossibilitando que a água retorne para cima.
65
7 ANÁLISE DOS RESULTADOS
7.1 Energia fotovoltaica - Pousada Uacari
Foram instalados painéis com capacidade de atendimento à Pousada. A Tabela 6.2
mostra os dados do sistema.
Tabela 6. 2 – Capacidade dos painéis
Fonte: MACEDO, et al. Trabalho sobre “Problemas e soluções em sistema fotovoltaicos autônomos
na Amazônia: O estudo de caso da pousada flutuante Uacari”, modificado (2008).
A Tabela 6.3 mostra o consumo mensal e diário de eletricidade no módulo central da
Pousada.
Tabela 6. 3 – Consumo mensal e diário de eletricidade no modulo central
Fonte: MACEDO, et al. Trabalho sobre “Problemas e soluções em sistema fotovoltaicos autônomos
na Amazônia: O estudo de caso da pousada flutuante Uacari”, (2008).
Segundo estimativas do IEE, o custo de 1 MWh de energia fotovoltaica gira em torno
de U$S 250, devido os investimentos necessários com equipamentos, enquanto o
66
custo dessa mesma quantidade produzida em usina hidrelétrica é de U$S 120,
ficando mais baratos porque os investimentos em infra-estrutura nesse tipo de
geração são menores. Seriam necessários hoje U$S 15 mil em equipamentos para
atender totalmente uma residência ocupada por quatro pessoas, com consumo
mensal de 200 kWh.
Para a pousada foi investido cerca de 8 kWh o que resultou em um custo total de
U$S 600,00, mas com mão de obra própria para instalação.
7.2 Aquecedor solar com garrafa PET
Com base nos testes efetuados em um coletor com 100 garrafas (2,0 m²), com uma
vazão constante de 0,02 L/s, obteve-se um rendimento médio instantâneo alcançado
de 36%, que pode ser acompanhado na Tabela 6.2, com três ciclos de aquecimento
diário, no inverno e verão.
Tabela 6. 4 – Dados do teste de medição no inverno e verão
Fonte: Alano, modificado (2008).
Somente a partir das 10 horas é que se notou o aumento da temperatura da água,
mas sendo após 6h no verão ou 5h no inverno, em dias ensolarados, que o mesmo
atingiu a temperatura máxima. Mesmo em dias semi-encobertos e dependendo da
região, haverá algum rendimento, e lógico, com parcial economia de energia elétrica.
67
Na residência do estudo de caso, o sistema abastece dois banheiros e o custo inicial
foi de R$ 83,00 e consegue economizar até 120 quilowatts de energia elétrica por
mês.
No sistema convencional de um painel solar bem dimensionado e corretamente
instalado tende a fornecer em média 75% dos dias do ano (nove meses) de
aquecimento de água gratuita e de uma fonte não poluente e inesgotável de energia.
68
8 CONCLUSÕES
8.1 Painel fotovoltaico
A tecnologia fotovoltaica pode ser utilizada para qualquer aplicação elétrica em
áreas isoladas ou conectadas à rede elétrica local.
Com análises preliminares, a melhor aplicação deste sistema é a utilização em locais
que não possuam rede elétrica local, pois há um ótimo atendimento pelo fator de
redução de custos operacionais.
Quanto ao seu alto custo inicial, a geração fotovoltaica é mais viável
economicamente, se comparada com a geração a diesel e hidrelétrica a longo prazo.
Outra vantagem é seu caráter ecologicamente limpo, que é ressaltado na estação,
preservando a fauna e da flora locais e não emissão de carbono para atmosfera.
As primeiras fotocélulas foram produzidas com um custo médio de US$ 600/Wp
(máxima potência fornecida por um módulo nas condições de referência). Em 1975
foram produzidos cerca de 100 kWp de fotocélulas, sendo o preço médio de US$
45/Wp. Já em 1983, houve uma produção de 18 MWp, correspondendo a um total
de vendas de US$ 150.000.000, o que representa uma redução do preço médio para
US$ 8,333 / Wp. (KISS, 2009)
Atualmente considerando um consumo mensal de 200 KWh/mês (residência padrão
de 4 pessoas) o sistema tem um custo de U$S 15.000,00.
A economia gerada pelo sistema está em torno de R$ 900,00 a R$1.000,00 por ano
(considerando dados da AES Eletropaulo SP em setembro de 2009 do custo de R$
0,259760 kWh mais os tributos em torno de R$ 27,00), a economia obtida na conta
de energia elétrica trará o retorno do investimento em média em 27 anos.
69
Futuramente o alto custo tende a se reverter, de acordo com o pesquisar do IEE e
professor da USP, Roberto Zilles afirma em entrevista que "Assim como aconteceu
com os computadores e todas as novas tecnologias, o preço dos painéis tende a cair
fortemente, o que irá viabilizar a geração".
8.2 Aquecedor solar
Apesar do alto investimento inicial no caso de utilizar o sistema convencional com
placas solares e não o do estudo de caso, o aquecimento solar oferece grandes
benefícios, principalmente no Brasil. O entrave maior para a implantação dessa
tecnologia não está apenas no preço, mas a própria cultura brasileira, que busca
resultados imediatos, principalmente no bolso.
Os sistemas solares são projetados para funcionar por período de 15 a 20 anos. A
manutenção envolve a limpeza dos coletores duas a três vezes ao ano.
No uso residencial, o tempo de retorno de investimento é de até quatro anos. Porém,
se levada em consideração à alta durabilidade do produto, pode-se embutir na
redução de custo a satisfação e economia do consumidor.
Considerando um consumo mensal de 220 KWh/mês (estima-se que o chuveiro
elétrico de uma residência de uma família com 4 pessoas permanece ligado em
média 1,4 horas por dia, com a potência média anual do chuveiro de 5,00 KW,
sendo responsável por um consumo familiar de 365 dias x 5,0 KW x 1,4 hora = 2555
KWh), a um custo de R$ 0,259760 kWh mais os tributos em torno de R$ 27,00
(dados da AES Eletropaulo SP em setembro de 2009), a economia obtida na conta
de energia elétrica trará o retorno do investimento entre 24 e 36 meses (em torno de
R$ 1.600,00 com a instalação).
Segundo a Abrava, os sistemas de aquecimento solares não têm desvantagens.
"Nem para o governo, nem para o usuário, e muito menos para o meio ambiente",
opina Carlos Felipe da Cunha Faria, que também afirma que o uso desses
aquecedores cresce de 20% a 22% ao ano em todo o mundo, enquanto no Brasil
caminha dos 8% para os 15%, em crescimento anual.
70
Além da redução na conta de luz, ao aproveitarmos essa fonte de energia gratuita
contribui, principalmente nos horários de pico de utilização, aliviando o sistema
gerador e distribuidor de energia elétrica.
71
9 RECOMENDAÇÕES
O desafio atual é priorizar e desenvolver novas tecnologias que viabilizem a
utilização mais abrangente da energia solar com um melhor desempenho e menor
custo, pois a energia solar utiliza uma fonte (sol) inesgotável e disponível a todos.
Para o uso residencial a energia fotovoltaica apresenta viabilidade econômica em
regiões afastadas da rede atual de transmissão e menor agressão ambiental.
Apresentando potencial econômico e com prospecção de novas tecnologias que a
tornem mais viável economicamente e com rendimento melhor.
Para o aquecimento de água com energia solar foi demonstrado que é possível uma
boa redução de gastos com a energia elétrica na utilização em chuveiros com um
sistema utilizando garrafa PET. Demonstrando que o custo do sistema habitual pode
ser vencido com atitudes pequenas (reciclagem).
A utilização de energia solar como fonte de elétrica e de aquecimento em nível
residencial é extremamente importante um demonstrativo expressivo de um
desenvolvimento sustentável.
72
REFERÊNCIAS
ABNT. Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 10184: Coletores
solares planos para líquidos: determinação do rendimento térmico. Rio de Janeiro,
1988 a.
ABNT. Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 10185: Reservatórios
térmicos para líquidos destinados a sistemas de energia determinação de
desempenho térmico. Rio de Janeiro, 1988 b.
ABNT. Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 12269: Execução de
instalações de sistemas de energia solar que utilizam coletores solares planos para
aquecimento de água. Rio de Janeiro, 1992.
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fotovoltaico – A fonte da eternidade, Ed.41, julho 2008 – Paulo KISS. Disponível
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PINI - TÉCHNE: A REVISTA DO ENGENHEITO- PINI. Artigos relacionados ao
sistema de aquecimento solar de água – Pesquisa indica que banho de
74
chuveiro elétrico é mais barato, abril 2009 – Rafael FRANK. Disponível em:
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Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica - PROCEL. Pesquisa geral
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SÃO PAULO (Cidade) Decreto 49.148, de 21 de janeiro de 2008, Lei 14.1459, de 03
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SOLARTERRA Energias Alternativas. Guia prático: energia fotovoltáica.
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Universidade Federal do Rio Grande do Sul - UFRGS. Pesquisa Laboratório de
Energia Solar. Disponível em: <http:// www.solar.ufrgs.br>. Acesso em: mar. 2009.
75
ANEXO A
Lista de materiais para 1 aquecedor solar com 200 garrafas PET, sem os materiais
para distribuição de água quente.