Alimentação de sistemas de Telecomunicações
através da energia solar
Marcelo I. Ogura e Paulo Guerra Junior
Universidade Presbiteriana Mackenzie
Rua Itambé, 45 – Prédio 6 – Higienópolis
01239-902 – São Paulo – Brasil
[email protected]
RESUMO
Este trabalho demonstra como a energia solar pode ser transformada em
energia elétrica através da conversão fotovoltaica. Para isso, são mostradas as diversas
tecnologias utilizadas, os equipamentos, os princípios de conversão e armazenamento da
energia, além dos tipos de sistemas que podem ser implantados e suas restrições.
Também
demonstra
as
principais
aplicações
da
energia
fotovoltaica
em
Telecomunicações e suas vantagens em relação aos outros tipos de geração de energia.
Além de comentar o papel da energia solar no cenário energético e seu desenvolvimento
no mercado global.
1
ABSTRACT
This work shows as the solar energy can be transformed in electric power
through the photovoltaic conversion. For that, the several used technologies are shown,
the equipments, the conversion beginnings and storage of the energy, besides of the
types of systems that can be implanted and their restrictions. It also demonstrates the
main applications of the photovoltaic energy in Telecommunications and their
advantages in relation to the other types of generation of energy. Besides of
commenting on the role of the solar energy in the energy scenary and his/her
development in the global market.
2
1
INTRODUÇÃO
Em apenas uma hora, o Sol libera sobre a Terra uma quantidade de
energia superior ao consumo global de um ano inteiro.
A crescente demanda global por energia e a importância do impacto das
políticas energéticas sobre a sociedade e o meio ambiente, criaram a necessidade de se
optar por fontes de energia que possam abastecer a humanidade de forma inesgotável e
que possam servir de base para o desenvolvimento dos países.
A energia solar é a solução para levar a eletricidade a locais onde a rede
convencional não chegou ou é fornecida de maneira precária. A energia solar é cada vez
mais utilizada, principalmente no meio rural, para iluminação, TV, Telecomunicações,
bombeamento de água e eletrificação em geral.
Postos de saúde remotos também se beneficiam com a energia solar.
Com a utilização de painéis solares é possível abastecer refrigeradores para a
conservação de vacinas, prover iluminação e comunicação.
Graças à explosão da demanda verificada na última década, existem
diversas organizações, grupos de usuários e revistas especializadas na geração
independente de energia1.
Inicialmente o desenvolvimento da tecnologia apoiou-se na busca por
empresas do setor de Telecomunicações e 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
3
espaço. Outro uso espacial que impulsionou o desenvolvimento das células solares foi o
fornecimento de energia para satélites2.
A crise energética de 1973 renovou e ampliou o interesse em aplicações
terrestres. Porém, para tornar economicamente viável essa forma de conversão de
energia, foi necessário naquele momento, reduzir em até 100 vezes o custo de produção
das células solares em relação ao das células usadas em explorações espaciais.
Modificou-se, também, o perfil das empresas envolvidas no setor.
A geração de energia elétrica através da luz solar, se dá através do uso de
captadores, chamados painéis fotovoltaicos. Os painéis são compostos por materiais
semicondutores que reagem na presença da luz, deslocando elétrons e, por conseguinte
geram corrente elétrica.
Não há a necessidade de controle humano, pois funcionam
automaticamente. Geram energia na presença da luz e não necessitam da incidência
direta da luz solar, interrompendo a geração de energia na falta desta. Isto significa que
há geração mesmo em dias nublados, variando o rendimento da geração conforme há
maior ou menor intensidade luminosa. A condição de ser modular permite que se
calcule a quantidade necessária de painéis para o uso presente, podendo posteriormente
ser expandido, reduzido ou transferido conforme uma nova necessidade.
4
2
TIPOS DE CÉLULAS
TABELA 1
Eficiência conforme o material de fabricação.
Eficiência dos módulos
Material
Laboratório
Comercial
Silício monocristalino
24%
15%
Silício policristalino
18%
14%
Silício amorfo (a-Si)
15%
8 a 9%
Telureto de cádmio (CdTe)
16%
7 a 9%
Disseleneto de cobre e índio (CuInSe2)
18%
11%
Arsenieto de gálio (GaAs)
28%
***
Esta diferença de eficiência entre a célula de laboratório e painéis
comerciais, é devida a alguns fatores como perdas de interconexão entre células no
painel, área ativa do painel e rendimento do processo produtivo.
O a-Si apresenta uma característica que a princípio se mostrou uma
limitação para esta tecnologia. Painéis de a-Si sofrem um decréscimo intrínseco, mas
reversível, em sua performance que se estabiliza após um declínio em eficiência de
aproximadamente 15 a 20%; é o chamado efeito Staebler-Wronski. Em termos práticos,
no entanto, esta diminuição de rendimento é assumida pelo fabricante, que já na
especificação do painel inclui a margem de degradação.
5
Desta forma, logo que adquirido, um painel solar de a-Si apresenta uma
performance superior à especificada para o produto. Após aproximadamente um ano em
operação é que a performance estabiliza nos níveis da garantia do produto3.
3
VIDA ÚTIL DO SISTEMA FOTOVOLTAICO
Testes práticos e de laboratório demonstram que a vida útil dos módulos
fotovoltaicos é superior a 20 anos.
Os outros componentes do sistema apresentam vida útil variável: baterias
entre 5 a 15 anos, e os componentes eletrônicos em torno de 10 anos4.
4
ENERGIA FOTOVOLTAICA APLICADA ÀS TELECOMUNICAÇÕES
As Telecomunicações, em particular as estações repetidoras de
microondas, constituem a aplicação mais antiga da tecnologia fotovoltaica no país. Na
sua imensa maioria, as instalações têm estado a cargo de organismos públicos5.
Ao fornecer energia para sistemas de Telecomunicações é preciso estar
sempre seguro de sua qualidade. As pessoas não podem ficar sem comunicação por falta
de energia. Em locais isolados ou de difícil acesso, os cuidados devem ser redobrados.
Existem grandes dificuldades em abastecer os equipamentos de forma confiável e com
energia de qualidade.
Os sistemas fotovoltaicos de energia são amplamente utilizados em
aplicações isoladas onde os consumos de energia elétrica não são muito elevados e onde
se necessita confiabilidade e baixo nível de manutenção. Estes sistemas, além de evitar
6
a construção de linhas de transmissão de energia, melhoram a confiabilidade das
estações ao reduzir as interrupções por defeitos e acidentes na linha elétrica e
principalmente por ficarem menos sujeitas aos distúrbios elétricos6.
Os sistemas de Telecomunicações alimentados por energia fotovoltaica
são encontrados também em telefonia em locais isolados, estações móveis de
Telecomunicações, telemetria, pequenas centrais telefônicas, rádio ou TV VHF/UHF.
4.1
ESTAÇÕES FIXAS
As estações repetidoras de Telecomunicações são projetadas para locais
remotos e elevados, muitas vezes de difícil acesso. Devido suas características exigirem
graus elevados de confiabilidade operacional, a única solução é a construção de uma
linha de distribuição conectando-a ao sistema elétrico da região. Esta solução, muitas
vezes onerosa considerando as distâncias envolvidas e as condições de acesso,
representa um risco para o sistema ao conduzir para dentro da estação os distúrbios
causados pelas descargas atmosféricas que incidem normalmente em uma linha elétrica
principalmente quando ela está mais exposta e elevada. Neste caso o suprimento
energético fica debilitado comprometendo a confiabilidade do sistema energético da
região e da própria linha elétrica em si6.
7
Figura 1. Estação repetidora de microondas, rádio ou TV VHF,UHF
Como opção os sistemas poderão ser fornecidos com uma ou mais fontes
complementares à fonte solar, podendo ser incluídos motogeradores (diesel, gás,
gasolina, óleos vegetais, álcool ou outros combustíveis) e aerogeradores para esta
geração complementar.
Para o projeto e instalação dos sistemas fotovoltaicos é feita uma análise
dos requisitos técnicos e energéticos da estação de telecomunicação através de um
estudo técnico e de viabilidade, onde são levados em consideração os requisitos da
carga, autonomia, nível de confiabilidade necessária e as condições locais de insolação,
vento, disponibilidade e custo do combustível, etc. Nesse estudo são dimensionados os
equipamentos e é proposta uma configuração otimizada para o sistema.
8
O sistema é composto pelos módulos descritos na figura 2. Os módulos
fotovoltaicos e os demais geradores de energia enviam a energia gerada para um centro
de controle de geração e carga que armazena esta energia em um banco de baterias. A
energia armazenada pode ser usada a qualquer momento tanto em corrente contínua,
quanto em corrente alternada, mesmo na ausência de Sol ou com os motogeradores
desligados6.
Figura 2. Diagrama de blocos para repetidoras de microondas, rádio ou TV UHF/VHF.
4.2
ESTAÇÕES MÓVEIS
Os sistemas fotovoltaicos para estações móveis de Telecomunicações são
geralmente instalados em veículos do tipo furgão, trabalhando em conjunto com o
motor do veículo, sendo, portanto um sistema híbrido. A partir do momento em que o
motor do veículo é desligado e o equipamento de Telecomunicações passa a consumir a
energia acumulada nas baterias, o sistema fotovoltaico entra em ação realizando sempre
que necessário a recarga das baterias.
9
Figura 3. Estação móvel de Telecomunicações.
4.3
SATÉLITES
Os sistemas fotovoltaicos utilizados em aplicações espaciais são de
tecnologia mais sofisticada, devido à necessidade de uma alta taxa de eficiência das
10
células fotovoltaicas. O arsenieto de gálio é muito utilizado para este fim, pois oferece
maiores taxas de eficiência em relação ao silício. Entretanto, o arsênio e o gálio são
elementos de pouca abundância na natureza e muito caros, fazendo com que os
processos de fabricação se tornem inviáveis para sua comercialização7.
Figura 4. Satélite de comunicação, sensoreamento, pesquisa,etc.
4.4
TELEFONIA
Nas regiões de difícil acesso e em comunidades isoladas onde não há
energia elétrica, torna-se praticamente impossível terem a seu alcance um meio de
comunicação.
Com a aplicação da energia fotovoltaica, esse fato, tornaria a ser
realidade. Existem telefones públicos, já em funcionamento, que utilizam a tecnologia
fotovoltaica8.
11
Na figura 5 um telefone público em uma jangada que pode atender
comunidades de difícil acesso, só possível por meio de embarcações.
Figura 5. Jangada com orelhão celular em Maceió.
Figura 6. Cabine telefônica celular fotovoltaica.
12
A figura 6 mostra o sistema composto por telefone público (a cartão
indutivo), placa de energia solar e transceptor celular fixo. O TCP-F
(telefone celular público fotovoltaico) resolve a questão da telefonia
pública em locais distantes, que pode ser instalado em 24 horas em locais
que haja sinal de telefonia celular. É resistente às intempéries e pode ser
usado como orelhão, equipamento de comunicação de segurança e meio de
comunicação de emergência em rodovias, entre outros9.
5
PAPEL DA ENERGIA FOTOVOLTAICA NO QUADRO ENERGÉTICO
As aplicações da energia solar podem ser divididas em duas modalidades
principais: as térmicas e as fotovoltaicas. No nível de tecnologia e escala de produção
atual, pode-se afirmar que, na área urbana, as aplicações térmicas podem representar
uma boa economia de energia elétrica para o consumidor final, ao passo que a
fotovoltaica pode servir como fonte de energia elétrica de emergência, concorrendo,
neste caso, com os geradores portáteis.
Uma outra situação possível envolve a utilização de um sistema de
geração fotovoltaico como uma fonte local de eletricidade conectada em paralelo com a
rede elétrica. O consumidor utiliza primariamente a energia gerada localmente pelos
painéis fotovoltaicos. Qualquer diferença entre o consumo e a geração local é fornecida
ou consumida pela rede de energia, dispensando o uso de baterias. O sistema de geração
fotovoltaica junto à outra forma de geração de energia apresenta vantagens específicas
13
tanto para o consumidor como para o próprio sistema de energia elétrica, além dos
ganhos ambientais associados à fonte de energia renováveis. Do ponto de vista do
sistema de energia, as vantagens são a liberação de capacidade de geração e transmissão
de energia, o nivelamento da curva de carga, a redução de custos e a descentralização da
geração, entre outros.
Os sistemas de geração fotovoltaica junto à outra forma de geração de
energia vêm recebendo grande atenção em vários países. Projetos como Niewland
(complexo residencial de 5000 casas, 1 MW de capacidade de geração fotovoltaica), na
Holanda, bem como outros projetos igualmente expressivos nos EUA, Japão e
Alemanha, são indicativos da determinação destes países em promover a utilização da
energia fotovoltaica em centros urbanos. Nestes países a geração de energia elétrica é
essencialmente realizada a partir de usinas termelétricas a carvão, o que aumenta o
interesse na energia solar sob o ponto de vista ambiental. No caso do Brasil, a extensão
territorial e os níveis elevados de irradiação solar durante todo o ano e em praticamente
todo o território nacional, estão entre os principais fatores que justificariam uma política
de apoio à geração fotovoltaica com outra fonte de geração de energia10.
14
Figura 7. Gráfico de comparação do uso da energia Brasil x mundo.
Devemos levar em conta se é mais vantajoso estender linhas de
transmissão até o local do consumidor ou instalar um sistema fotovoltaico. Além disso,
é de grande importância considerar os impactos ambientais causados na geração de
energia elétrica convencional. Vários países perceberam que além do custo da energia
produzida, principalmente por usinas termelétricas, está em questão a emissão de CO2
na atmosfera, que provoca uma enorme gama de doenças na população, fazendo com
que o governo tenha que investir no tratamento médico da população. No Brasil não
ocorre tanto essa preocupação com emissão de poluentes à atmosfera por possuir sua
matriz energética baseada em recursos hídricos, conforme mostra a figura 7. Porém não
devemos esquecer do impacto ambiental causado pelas regiões de alagamento causados
por esse tipo de geração de energia.
15
A energia fotovoltaica chega a evitar 0,6 Kg/KWh de CO2 conectado à
rede e 1 Kg/KWh substituindo diesel.
Figura 8. Emissão de CO2 no Brasil por setores de consumo de energia em
1994.
Com o crescimento da demanda de energia, dentre as várias fontes de
energia, a nuclear é a única que permanece estável com tendência a decréscimo e as
energias renováveis têm tido um crescimento constante. Contudo algumas
conseqüências tornaram-se importantes fatores a serem analisadas:
•
Esgotamento, a médio prazo, dos recursos energéticos não renováveis;
•
Impactos ambientais, tanto em termos de emissão de CO2 com potencial de
alteração do equilíbrio do balanço energético do sistema global em relação à
mudanças climáticas quanto em termos de resíduos sólidos de difícil absorção
pelos mecanismos de regeneração da natureza, ambos com potencial de afetar
seriamente as condições de vida no planeta.
16
Em termos relativos ao crescimento do Produto Interno Bruto mundial a
demanda por energia tem diminuído, indicando um crescimento econômico menos
intensivo em energia, mas ainda assim não suficiente para reverter a tendência de
crescimento absoluto de consumo.
Atualmente existe uma busca de soluções para os problemas energéticos,
como fontes renováveis menos agressivas ao meio ambiente, melhores equipamentos
transformadores de energia e combate ao desperdício de energia. Todos envolvem um
maior conhecimento por parte do utilizador final, dos recursos energéticos e mudanças
de comportamento da sociedade.
O Brasil é particularmente bem dotado de recursos energéticos
renováveis. Além de atualmente ter cerca de 85% de suas necessidades de energia
elétrica supridas por hidrelétricas, tem grande potencial de utilização de energia solar
(térmica e fotovoltaica), eólica e biomassa11.
6
CONCLUSÃO
A energia solar se mostra uma grande alternativa para geração de energia
elétrica, pois nos dias atuais, em que os problemas ambientais se agravam e as matériasprimas se esgotam, torna-se arriscada, a exploração continuada dos combustíveis fósseis
e nucleares para sustentar a crescente demanda a que nossa sociedade está habituada. A
energia solar é a solução para levar a eletricidade a locais onde a rede convencional não
chegou ou é fornecida de maneira precária.
Ao longo dos últimos anos, os preços têm se mantido no mesmo patamar
e continuam sendo um dos fatores que mais limitam uma difusão mais rápida dessa
17
tecnologia. Entretanto, o desenvolvimento dessa tecnologia está melhorando aos poucos
a eficiência dos materiais utilizados.
As principais aplicações da tecnologia fotovoltaica no Brasil são
relativas às Telecomunicações, à eletrificação rural e ao bombeamento de água. As
Telecomunicações, em particular as estações repetidoras de microondas, constituem a
aplicação mais antiga da tecnologia fotovoltaica no país.
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