segunda-feira, 3 de outubro de 2011

Energia Solar Fotovoltaica


por Milton P. Nogueira Jr.

Nos últimos anos, a energia solar fotovoltaica tem provido energia elétrica para qualquer aplicação e em qualquer localização na Terra e no Espaço. Sendo que o meio urbano começa a se destacar como um grande absorvedor desta tecnologia ecológica.
Diferente dos sistemas solares para aquecimento de água, os sistemas fotovoltaicos (FV) não utilizam calor para produzir eletricidade. Interpretando a palavra; "photo" significa "produzido pela luz," e o sufixo "voltaico" refere-se a "eletricidade produzida por uma reação química." A tecnologia FV produz eletricidade diretamente dos elétrons liberados pela interação da luz do sol com certos semicondutores, tal como o silício no painel fotovoltaico. Esta energia é confiável e silenciosa, pois não existe movimento mecânico. O movimento dos elétrons forma eletricidade de corrente direta.
O elemento principal é a célula solar. Várias células são conectadas para produzir um painel fotovoltaico e muitos painéis conectados formam um "array" ou módulo fotovoltaico. Os painéis FV são encontrados comercialmente nos tamanhos que variam entre 10 e 300 Watts. Um sistema fotovoltaico completo consiste de um painel ou um módulo conectado a um inversor que converte a eletricidade de corrente direta em corrente alternada que é compatível com o sistema da rede elétrica. Baterias poderão ser incluídas no sistema para prover um sistema totalmente independente da rede elétrica "off grid" ou de "emergência" em caso a rede elétrica interrompa o serviço de energia elétrica por motivos diversos.

As células fotovoltaicas podem ser fabricadas através de diversos processos ou tecnologias e entre elas destacam-se as seguintes:
  • Silício cristalino
  • Silício poli-cristalino
  • Silício amorfo
  • Cádmium Telluride
  • Copper Indium Gallium
  • Diselenide
 Os tipos básicos de inversores são:

  • Inversor de onda senoidal, utilizado em sistemas ligados a rede elétrica "utility intertie". A maior parte das residências utilizam corrente alternada de 60Hz e 120 Volts. O inversor senoidal transforma a corrente direta do sistema FV(variando geralmente entre 12Vcd – 360Vcd) em 120 Vca, 60 Hz e sincroniza com a rede elétrica. 
  • O Inversor de onda senoidal modificada é semelhante ao anterior porém não produz energia com a mesma qualidade e desta maneira não é aceito pela rede elétrica e seu uso fica restrito para os sistemas independentes e de custo inferior.
Os sistemas fotovoltaicos produzem energia intermitente porque trabalham somente quando o sol está brilhando. O pico de produção da energia elétrica é alcançado num dia claro de intensidade solar máxima com ângulo direto, perpendicular ao módulo.
Dias nublados reduzem a energia produzida e não há produção elétrica durante a noite. Em localidades equatoriais o sistema FV produzirá em média a mesma quantidade de energia durante todo o ano, porém na medida em que se eleva a latitude do local, a maior produção da energia elétrica se efetua no verão, quando o sol está mais alto e os dias são mais prolongados. Geralmente esta disparidade é compensada em sistemas de bombeamento de água (necessita-se de mais água no verão) ou na utilização de energia elétrica para refrigeração.
A energia fotovoltaica geralmente é mais cara do que a energia convencional suprida pela companhia elétrica. Embora processos de fabricação tenham sido aperfeiçoados para a redução do custo do painel fotovoltaico desde os meados de 1970, a eletricidade FV tem um custo médio de U$0.25/KWh.
Na determinação do tamanho do sistema fotovoltaico necessário a sua aplicação, você deverá primeiramente calcular o consumo máximo de energia elétrica em termos de KWH (kilowatt-horas) diários ou mensais. Faça uma avaliação da energia solar recebida no local (existem mapas com a quantidade de radiação solar incidente disponíveis). A superfície para instalação do módulo deve estar livre de sombras e obstáculos que irão impedir a radiação solar. Observe que o sol se encontra ao Norte quando o local está situado ao Sul do Equador. Desta maneira a melhor orientação de um sistema FV a ser instalado em São Paulo será voltado para o Norte com um ângulo de 39 graus com a horizontal (24 de latitude + 15). Eu recomendo a adição de 15 graus para compensar os meses de inverno, quando o sol se situa a uma altitude mais baixa.

Quando o accesso ao telhado ou sua orientação não permitem a montagem do módulo fotovoltaico, a instalação poderá ser feita no terreno com estrutura fixa ou rastreadora "tipo tracking"que segue o movimento do sol. Um outro local atrativo para instalações comerciais é a utilização dos telhados de estacionamentos. Assegure-se de que a localidade para a instalação do módulo esteja livre de qualquer sombreamento, pois a eficiência do sistema será substancialmente reduzida.
O tamanho do telhado para acomodar o sistema FV depende da capacidade geradora. A maioria dos sistemas residenciais requerem 5 metros quadrados para um sistema pequeno, podendo chegar entre 50 a 100 metros quadrados para prover a quantidade total de eletricidade consumida pela residência. Sistemas commerciais são geralmente bem maiores. Considere a área de 1 metro quadrado equivalente a 100 watts para estimativa, quando utilizando módulos de silício cristalino ou poli-cristalino. Observe a seguinte tabela para estimação da área ocupada por um sistema fotovoltaico.



Enquanto o sistema FV pode ser instalado em qualquer telhado, alguns tipos de telhados são mais simples e fáceis de trabalhar. O telhado que possui as células fotovoltaicas integradas já é encontrado no mercado Norte Americano e pode ser um bom candidato para o mercado Brasileiro.
Vários são os fatores que influenciam a escolha do tamanho do sistema FV. Para iniciar, avalie o quanto o seu sistema FV deverá suprir no seu consumo elétrico atual. A sua conta elétrica mostra o seu consumo mensal ou diário nas unidades de KWh. Um sistema FV de 2KW (2000 Watts) produzirá em média 7 KWH diários na região sul do Brasil.
Observe que um sistema solar FV é modular e com devido planejamento será permitido a adição de outros módulos no futuro.


A fotografia acima consta de um sistema FV interligado a rede elétrica na cidade de San Francisco, Califórnia. É um sistema de 3,6 KWp (3,1 KWp Corrente Alternada) constando de 30 módulos de 120 Wp cada. Cada painel possui 24 Volts e 3,6 ampéres de potência. São conectados em 15 linhas paralelas de 2 painéis em série para o total de 48 Volts (DC) e 54 amperes. O inversor é senoidal (pois a companhia elétrica está comprando a energia elétrica produzida pelo sistema durante o dia). O valor médio em dólar Americano produzido pelo sistema e descontado integralmente da conta elétrica do residente e dono do sistema é aproximadamente U$ 50,00 por mês. (variando de acordo com as estações ou seja; mais no verão e menos no inverno). Este sistema teve um custo total (incluindo impostos, material, instalação e abatimento pela companhia elétrica) de U$ 25,000.00 (U$ 8.500,00 foram pagos pela companhia elétrica). A área total ocupada pelo módulo FV é de 35 metros quadrados.


Diagrama típico da instalação
Este programa de abatimento faz parte da reestruturação das companhias elétricas na Califórnia. A lei AB 1890 prevê U$ 540 milhões (a ser coletado de todos os usuários das 3 maiores companhias elétricas pertencentes a investidores na Califórnia) para promover a competitividade do mercado de energias renováveis. Este sistema foi projetado por Milton P. Nogueira Jr. da companhia Solar Depot. Uma residência típica Californiana, recebe a energia solar durante um ano equivalente a 8 vezes a demanda de energia elétrica que esta mesma residência utiliza durante o ano.

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SOBRE O AUTOR
Engenheiro Mecânico registrado no CREA-Pr., formado pela Faculdade de Engenharia de Joinville. Entusiasta da Energia Solar desde 1987, atualmente serve na Diretoria da Associação de Energia Solar do Norte da Califórnia e é Engenheiro para a companhia Solar Depot situada em San Rafael, Califórnia.


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GALERIA DE FOTOS


Location: Santa Rosa, CA50KWpPV panels: 500 ea 120Wp (120W, 12VDC)
Inverters: 24ea SMA 2.5KWp (21 panels in series per inverter)
3 phase system

Location: Half Moon Bay9.5 KWp152ea BP75 (75W, 12VDC)
Inverter: 2ea SW5548 (240 VAC, 11KW, 48 VDC)

Location: Inverness2.4KWp24ea 120W (120W, 12VDC) PV panels in series
Inverter: SMA 2.5KW




Location: Palo Alto2.4KWp24ea 120W (120W, 12VDC) PV panels
Inverter: SW5548 (208VAC 3 phase, 36VDC)


Location: San Rafael4.8KWp48 ea 120W (120W, 12VDC) panels
Inverter: SW5548 (120VAC, 5.5KW, 48VDC)




Location: San Rafael4.8KWp48ea 120W PV Panels
Inverter: 2ea SMA 2.5KW (24 panels in series per inverter)

















Um comentário:

  1. gostei muito deste sistema, mas só funciona fora do brasil com um custo razoável, aqui para ter um aproveitamento prático voce teria que gastar entre 15 e 20 mil reais, e a cada 5 anos teria que substituir o banco de baterias com um elevado custo acima de 2 ou 3 mil reais

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