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How to cite this paperAn. 5. Enc. Energ. Meio Rural 2004
Geração de energia elétrica com célula solar fotovoltaica para população rural de baixa renda
André Fava Gastaldi Teófilo; Miguel de Souza; Rafael Pimenta Mesquita
Centro de Energias Renováveis - Unesp - Guaratinguetá. Av. Ariberto Pereira da Cunha, 333 - Bairro Pedregulho 12516-410 Guaratinguetá - SP E-mail: teofilo@feg.unesp.br
RESUMO
Com a crescente demanda de uso de energia elétrica e a quase não expansão da malha energética (basicamente compostas por usina hidroelétricas) existente no país, vários outros métodos de geração de energia alternativos se fizeram necessários. Além disso, à medida que fica mais caro, mais raro e politicamente mais inviável queimar combustíveis como petróleo e carvão, usar métodos de energia renováveis, que são energias "infinitas" (como o vento e a luz do sol, por exemplo), se tornou uma excelente alternativa. Nesse grupo, destaca-se a energia solar fotovoltaica. A "limpa" radiação solar tende a ser uma opção mais sensata e prática, e a tecnologia futura de armazenamento de energia poderá resolver o problema das regiões que têm menos dias ensolarados. Suas principais vantagens sobre as demais fontes alternativas de energia são a confiabilidade e a previsibilidade. A sua maior desvantagem consiste no fato de que limitações técnicas impedem que um gerador de energia solar distribua eletricidade para uma cidade.
Devemos salientar que, com o desenvolvimento de projetos como este em energia alternativa, áreas isoladas onde não há a presença de uma rede de distribuição (como muitas propriedades rurais), esse tem se tornado a opção mais viável de geração de energia elétrica, fazendo com que haja disponibilidade deste para o seu consumo sem necessitar que as companhias credenciadas cheguem até esses locais de consumo. Além disso, muitas regiões do país já contam com o sistema de energia solar para o aquecimento de água confirmando que em diversos locais poderia ser facilmente instalado um sistema de geração de energia fotovoltaico.
Neste projeto, apresentamos uma opção para a geração de energia elétrica através de células solares fotovoltaicas para a população rural de baixa renda. Essa opção consiste em usar materiais que apresentam custo mais baixo mantendo-se um nível de qualidade. Apresenta-se também uma tabela comparativa sobre um kit destinado a áreas rurais que contém: 3 lâmpadas fluorescente (potência de 9 W, 3 horas por dia, 7 dias por semana), 1 T.V. de 14'' (potência de 15 W, 3 horas por dia, 7 dias por semana), 1 Rádio (potência de 5 W, 6 horas por dia, 5 dias por semana).
Palavras-chave: Energia Alternativa,Energia Solar,População Rural,Baixa Renda
ABSTRACT
With the growing electric energy use demand and almost not expansion of the energy mesh (basically composed by hydroelectric plants) existing in the country, several others methods of alternative energy generation may be necessary. Beyond that, the usually employed energy is becoming much more costly, rarer and politically more impracticable like burn fuels as oil and coal. The use of renewable approaches of Energy, that are "infinite" energies (as the wind and the light of the sun, for example), can become an excellent alternative. In this new energy group, the solar energy transformed by the use of photo voltage cells is becoming very important. The "clear" solar radiation tends to be a more intelligent and practical option, and the future technology of energy storage will be able to solve the problem of the regions that have less sunny days. Its main advantages on the other alternative sources of energy are the trustworthiness and the previsibility. Its biggest disadvantage consists on the fact that technical limitations can not allow a solar energy generator to distribute electricity for a city.
It is interesting to notice that with the development of projects as this in alternative energy, isolated areas that does not access electricity distribution network (as some far regions), it has become the most viable option of generation of electric energy. Another point is that even with the distribution network it has to be checked if it is possible to use this electricity consulting the company credential that work at those localities of consumption. Moreover, many regions of the country already installed the solar energy system for water heating, confirming that, the existing structure allows the installation of a a solar cells generation energy system without many problems.
In this project, we introduce a method for electric energy generation by solar cells for rural population of low gains. This option uses low cost materials but with a good quality level. Also presents a comparative table showing a kit for rural areas employment which is constituted of: 3 fluorescent light bulbs (power of 9 W, 3 hours per day, 7 days per week), 1 T.V. of 14' ' (power of 15 W, 3 hours per day, 7 days per week) and 1 Radio (power of 5 W, 6 hours per day, 5 days per week).
1.Introdução
Na sociedade moderna, a energia (principalmente elétrica) é o combustível para a existência das indústrias, para vários meios de transporte e até mesmo para a agricultura e a comodidade da vida moderna. Com essa crescente utilização de energia efetivamente baseada no petróleo (que é um combustível esgotável), vários métodos de geração de energia (principalmente os renováveis) se tornaram necessários. Entre as fontes de energia mais utilizadas podemos destacar: hidroelétricas e o petróleo como fontes esgotáveis e energia eólica e solar como fontes renováveis.
Este último método tem se destacado bastante principalmente devido ao relativo baixo custo de implantação, manutenção e de produção de energia. Outras vantagens são os fatos dessa energia ser "gratuita", abundante e "inesgotável".
1.1.Fontes renováveis
Limitações técnicas impedem que um gerador de energia solar distribua eletricidade para uma cidade. Mas vários distribuidores prometem repassar parte do dinheiro dos consumidores para instituições que estudam formas de baratear o uso de energia vinda de fontes renováveis.
A produção de energia eólica e solar vem crescendo no mundo nos últimos anos. Mesmo assim, essas fontes alternativas não chegam a representar 1% da energia consumida em todo o mundo.
1.2.Os Sistemas Fotovoltaicos
Em apenas 1 hora o Sol despeja sobre a Terra uma quantidade de energia superior ao consumo global de um ano inteiro. Um sistema de geração de energia através da luz do sol (sistema fotovoltaico) pode apresentar várias configurações, dependendo da sua aplicação. Em geral, ele é composto por um conjunto de equipamentos complementares incluindo um subsistema de condicionamento de potência e de armazenamento. Ele pode apresentar várias aplicações como: Eletrificação Rural, Bombeamento d'água, Sistemas de conexão à rede, Refrigeradores, Telecomunicações, Iluminação Pública, residencial e de sistemas de emergência, Telemetria, Náutica, etc.
Como os painéis fotovoltaicos geram eletricidade em corrente contínua, temos que o subsistema será composto também por um inversor. O inversor transforma a corrente continua em corrente alternada, podendo, portanto, alimentar os aparelhos eletro-eletrônicos convencionais. Temos que o sistema de armazenamento é composto pelas baterias, que armazenam a eletricidade obtida da luz solar durante o dia, possibilitando o funcionamento das lâmpadas e dos aparelhos elétricos à noite ou em períodos chuvosos. O subsistema de condicionamento também é composto pelo controlador de carga. Este é instalado entre os módulos e as baterias e gerencia o processo de carga e descarga das baterias, evitando que as mesmas sejam sobrecarregadas ou descarregadas além de limites pré-determinados. Assim, o tempo de vida útil das baterias é maior.
Os sistemas fotovoltaicos podem ser classificados em três configurações principais: isolados, híbridos e interligados a rede.
Os sistemas isolados, como o próprio nome diz, produzem eletricidade independentemente de outras fontes de energia. Eles podem ser divididos em dois grupos: com ou sem armazenamento de energia. Os sistemas sem armazenamento são utilizados em sistemas de bombeamento de água, nos quais o armazenamento é obtido em forma de água no reservatório. Os sistemas com armazenamento são utilizados onde se necessita alimentar cargas à noite ou em períodos chuvosos. Os sistemas isolados compreendem a maioria das aplicações de sistemas fotovoltaicos em regiões remotas (como fazendas, sítios e áreas onde não há rede de distribuição de energia elétrica).
Os sistemas híbridos produzem eletricidade através de sistemas fotovoltaicos em conjunto com uma outra fonte de energia (como geradores eólicos, Diesel, gás, etc). Os sistemas híbridos são usualmente mais econômicos que os só fotovoltaicos no fornecimento de eletricidade em projetos isolados de maior escala. Isso porque um sistema fotovoltaico, complementado por outra fonte de energia, requer menor potência instalada de painéis fotovoltaicos e baterias, reduzindo, portanto, os custos totais do sistema. Os sistemas mais comuns são: fotovoltaico-eólico, fotovoltaico-Diesel e fotovoltaico-gás.
Nos sistemas interligados a rede, temos que o arranjo fotovoltaico atua como uma fonte complementar ao sistema elétrico a qual está conectado. Esses sistemas, em sua maioria, não utilizam armazenamento de energia, pois toda a energia gerada durante o dia é entregue à rede e, durante a noite ou em períodos chuvosos, dela é extraída a energia necessária para alimentar as cargas. Mas esses tipos de conexão são, em sua grande maioria, de pequeno porte.
1.3.O Módulo Fotovoltaico
Visto que a célula solar é responsável pela conversão da energia solar em energia elétrica, temos que é o dispositivo mais importante do sistema fotovoltaico.
A energia solar é obtida através de uma placa solar. Para a captação dessa energia, podemos utilizar três métodos básicos: conversão química, conversão elétrica e térmica.
Existem dois tipos de placas: as que utilizam a luz solar para o aquecimento de água e as que utilizam essa luz para a geração de energia elétrica. O primeiro tipo consiste em uma superfície escura que absorve a energia do sol e a transforma em calor. Já o segundo tipo converte a energia do sol diretamente em eletricidade. É composta de células solares feitas de materiais semicondutores (silício, em geral). São as chamadas células fotovoltaicas. Quando as partículas da luz solar (fótons) colidem com os átomos desses materiais, provocam o deslocamento dos elétrons, gerando uma corrente elétrica, usada para carregar uma bateria. Essa corrente é coletada pelos contatos metálicos nas superfícies. Dependendo do processo de fabricação utilizado, as células solares podem ser quadradas ou redondas.
As placas são encapsuladas com materiais plásticos (E.V.A. ou P.V.B.), para proteger as células solares. O lado onde a radiação incide é coberto com vidro temperado e a parte posterior com plástico Tedlar. Finalmente o módulo é emoldurado com uma estrutura de alumínio anodizado, que o protege contra as intempéries.
Como a tensão fornecida por cada célula é apenas uma fração de Volt, convém conectar várias células em série para obter-se uma tensão que possibilite carregar uma bateria. Este conjunto de células conectadas é chamado módulo fotovoltaico. Normalmente são utilizadas de 28 a 36 células de silício cristalino em cada módulo, dependendo do local onde os sistemas serão instalados (clima quente ou frio). Desta forma, temos que quando o módulo é exposto ao sol, ele gera energia elétrica em corrente continua, com tensão máxima variando entre 15 e 20 V, carregando, assim, uma bateria de 12 V (descontando as perdas devido aos cabos e diodos de bloqueio).
Para alcançarmos a potência desejada, convém ligar vários módulos em série. Isso depende muito do local onde está sendo instalado o sistema e a aplicação para a qual ele estará submetido. A esse sistema dá-se o nome de painel fotovoltaico.
1.4.Outras Características
O desempenho de um dado coletor de calor depende muito de sua localização. Nas regiões onde a maior parte do tempo a intensidade solar é adversamente afetada por nuvens, neblinas, e outros tipos de absorção atmosférica, o rendimento médio pode ser substancialmente inferior aos climas ensolarados; pode mesmo mostrar-se impraticável o uso do aquecimento solar durante parte do ano. Em qualquer caso, o uso dos coletores solares exige um dimensionamento cuidadoso, levando em consideração pormenores das condições climáticas do local do usuário. Isto demanda medidas precisas do perfil da intensidade solar durante dias, semanas e anos.
Atualmente, segundo dados da ANEEL, cerca de 20 milhões de pessoas no Brasil vivem sem utilizar a energia elétrica. Esse número (altíssimo) deve-se, principalmente, ao fato de que até os dias de hoje, a política energética brasileira se dedicou apenas à construção de usinas hidroelétricas (para a geração) e linhas de transmissão (para a distribuição). Em virtude do alto custo de implantação desse processo, outras formas de geração ganharam espaço (principalmente as de energia renováveis, como solar, eólica, etc.). Temos também que muitas das regiões necessitadas de energia elétrica são favoráveis à instalação de métodos alternativos de geração de energia.
De acordo com a Figura [1] podemos ver que o Brasil possui um grande potencial solar, podendo ser utilizada tanto para aquecimento de água quanto para a geração de energia elétrica.
A Figura 1 apresenta o índice médio anual de radiação solar no País, em watt-hora por metro quadrado ao dia (Wh/m2.dia), segundo o Atlas de Irradiação Solar no Brasil. Como pode ser visto, os maiores índices de radiação são observados na Região Nordeste, com destaque para o Vale do São Francisco, onde a média anual é de aproximadamente 6 kWh/m2.dia. Vale lembrar que a Região Nordeste é pobre em recursos hídricos para a geração de energia elétrica, excetuando-se poucas áreas (principalmente à do Rio São Francisco). Além disso, essa é uma região carente de energia elétrica. Já os menores índices são observados na Amazônia Ocidental, no Amapá e Leste do Pará, onde se observa índices inferiores à média nacional.
2.Como Produzir Sistemas Populares de Geração de Energia, através de Células Solares Fotovoltaicas
Para produzirmos um sistema popular através de células fotovoltaicas, foi necessária uma pesquisa prévia, na qual obtivemos materiais por preços mais baixos, mas mantendo-se um nível de qualidade. Abaixo, apresenta-se uma tabela comparativa sobre um kit destinado a áreas rurais, contendo: 3 lâmpadas fluorescente (potência de 9 W, 3 horas por dia, 7 dias por semana), 1 T.V. de 14'' (potência de 15 W, 3 horas por dia, 7 dias por semana), 1 Rádio (potência de 5 W, 6 horas por dia, 5 dias por semana).
Considerando que a tensão contínua seja de 12 V e a alternada seja de 120 V, que tenha 5 dias de sol por semana e que a eficiência do inversor seja de 0.9, dimensionamos o seguinte sistema:
• 2 módulos solares de 50 W cada, ligados em paralelo;
• 2 baterias ligadas em paralelo;
• 1 regulador que limite a corrente em 10 A;
• 1 inversor de 100 W que converta 12 V de tensão contínua em 120 V de tensão alternada.
Tomando-se esses dados, montamos a seguinte tabela (tabelas 1 a 4), na qual podemos comparar vários fabricantes e modelos, a fim de construirmos um modelo de geração de energia solar para a população rural de baixa renda.
Através desta tabela, vemos que esse sistema pode sair por R$ 3550,00 (sem mão-de-obra), enquanto que ele é encontrado no mercado por R$ 5000,00. Esse preço pode parecer muito alto, mas se considerarmos que a garantia dele é de aproximadamente 20 anos, temos um custo de R$ 177,50 por ano, que resulta em R$ 14,80 mensais. Assim, esse método se torna viável, inclusive, com os programas do governo de incentivo à geração de energia elétrica. Hoje em dia, também existem concessionárias de Energia Elétrica implantando o sistema de energia elétrica e cobrando dos moradores uma quantia equivalente à tarifa cobrada para consumidores de baixa renda como, por exemplo, o projeto Luz Solar da CEMIG.
O único problema desse método é o fato de que as baterias precisam ser trocadas num tempo inferior aos 20 anos, mas os moradores podem ser treinados para realizar isso, além de realizarem a limpeza dos módulos .
Como o sistema instalado não suportava o uso de chuveiros elétricos foi proposto o uso de aquecedores solares.
Agradecimentos
Os autores agradecem as Baterias Delphi, a AVANT, a Protec e WB Eletro-Eletrônica. Também a PROEX-Unesp pela Bolsa de Extensão Universitária.
Referências
[1] AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA - ANEEL; Atlas de energia elétrica do Brasil; ANEEL; Brasília; 2002.
[2] CENTRO DE REFERÊNCIA PARA A ENERGIA SOLAR E EÓLICA SÉRGIO DE SALVO BRITO (CRESESB); Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos; Rio de Janeiro: Centro de Pesquisas em Energia Elétrica - CEPEL; novembro de 1999.
[3] EMBRATER: I ENCONTRO SOBRE SISTEMA ENERGÉTICO INTEGRADO PARA O PRODUTOR RURAL - ANAIS; EMBRATER; 1986.
[4] Gacia, Pedro Donoso; UMA VISÃO SOBRE ENERGIA FOTOVOLTAICA - DEELT-UFMG; Belo Horizonte; 1995
[5] Silva, Alexandre Stamford da; Souza ,Fernando Menezes Campello de;O USO DOS RECURSOS ENERGÉTICOS, ÁGUA E ENERGIA SOLAR: IMPLICAÇÕES ECONÔMICAS E DECISÃO ATRAVÉS DE MODELOS DINÂMICOS; Tese apresentada ao curso de doutorado do programa de pós-graduação em economia - PIMES, da Universidade Federal de Pernambuco, em cumprimento às exigências para obtenção do grau de doutor em economia; Recife; 1999