ENERGIA SOLAR
EQUIPE:
IGOR SACELOTI – 1º PERÍODO
MAÍRA TAVARES – 1º PERÍODO
NILTON CARRACE – 1º PERÍODO
DÍSCIPLINA: PROJETO INTEGRADOR
PROFESSOR: Mateus Freitas Braga
Juiz de Fora, setembro de 2017
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Energia Solar: On-grid vs Off-grid - Importância, Diferenças e Vantagens, Trabalhos de Física
Saiba mais sobre a importância da energia solar no contexto de fontes renováveis de energia elétrica, diferenças entre on-grid e off-grid, vantagens sociais e ambientais, e detalhes sobre sistemas on-grid e off-grid. Este documento também aborda a homologação e o uso de energia solar no brasil.
O que você vai aprender
- Quais são as vantagens sociais e ambientais da energia solar?
- Qual é a importância da energia solar no contexto de fontes renováveis de energia elétrica?
- Como funciona a homologação de um sistema on-grid de energia solar no Brasil?
- Quais são as principais diferenças entre on-grid e off-grid em termos de energia solar?
- Quais são as principais componentes de um sistema off-grid de energia solar?
Tipologia: Trabalhos
2020
1 / 19
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ENERGIA SOLAR
EQUIPE:
IGOR SACELOTI – 1º PERÍODO
MAÍRA TAVARES – 1º PERÍODO
NILTON CARRACE – 1º PERÍODO
DÍSCIPLINA: PROJETO INTEGRADOR
PROFESSOR: Mateus Freitas Braga Juiz de Fora, setembro de 2017
SUMÁRIO
- INTRODUÇÃO
- CAPÍTULO 1 – POR QUE ENERGIA SOLAR?...........................................
- CAPÍTULO 2 – MODULOS SOLARES……………...……………………….
- CAPÍTULO 3 – SISTEMA ON-GRID E OFF-GRID…………………………
- CAPÍTULO 4 – INSTALAÇAO E MANUTENÇAO.......................................
- CAPÍTULO 5 – DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA...........................................
- CAPÍTULO 6 – ASPECTOS DE SEGURANÇA...........................................
- CAPÍTULO 7 – VANTAGENS E DESVANTAGENS....................................
- CAPÍTULO 8 – HOMOLOGAÇÃO...............................................................
- CONCLUSÕES
- REFERÊNCIAS
Mesmo em meio a previsões que vez ou outra aparecem na mídia decretando o fim destas fontes na natureza, o fato é que promover o desenvolvimento sustentável é uma tarefa urgente e imprescindível para a continuidade da vida humana no planeta. Dados divulgados em 2016 pela Agência Internacional de Energia (IEA) apontam que o consumo proveniente de fontes não limpas, como o carvão, o petróleo e o gás natural crescerá relativamente menos nos próximos anos. Ainda assim, elas continuarão sendo utilizadas para suprir o aumento estimado em 30% na demanda de consumo até 2040 ‒ e continuarão representando mais da metade da produção, cerca de 70%. Já no Brasil, de acordo com dados divulgados pelo Ministério das Minas e Energia (MME), o uso de fontes não renováveis para a produção de energia representou 58,8% do total em 2015, sendo:
- 37,3% oriundos de petróleo e derivados;
- 13,7% de gás natural;
- 5,9% de carvão mineral;
- 1,3% de urânio;
- 0,6% de outras fontes não limpas. Os resultados dessa dependência energética não renovável podem ser sentidos de várias maneiras, principalmente em relação a questões socioeconômicas e ambientais, causando dependência de países em relação a produtores e o grande impacto no efeito estufa por conta da alta taxa de liberação de gases tóxicos ao ambiente. A utilização de energias renováveis para a produção de eletricidade aos poucos vem ocupando um espaço maior no mundo. No Brasil, há um plano para aumentar a participação dessas fontes de 10% para 23% (no caso da energia solar, eólica e biomassa) até 2030 ‒ prevendo um corte de 43% nas emissões domésticas de CO2. Em um mundo onde até 2040 pelo menos 500 milhões de pessoas ainda não terão acesso à eletricidade (de acordo com relatório divulgado pela IEA), as
vantagens sociais e ambientais da energia solar são inúmeras. É uma energia limpa, eficiente, livre de carbono e econômica.
CAPITULO 2 – MÓDULOS SOLARES
O módulo solar é um conjunto de células solares interligadas eletricamente e encapsuladas, para gerar energia elétrica. A célula solar é a unidade básica que faz conversão direta de radiação solar em energia elétrica. Os painéis solares são um ou mais módulos solares conectados eletricamente, formando uma estrutura única. A figura abaixo apresenta uma ilustração que mostra cada um dos componentes apresentados. Ilustração: Carol Rivello (http://americadosol.org) Quando se fala em eficiência do painel solar, fala-se em porcentagem, isso é, a porcentagem de energia do sol que atinge a superfície do painel e é transformada em energia elétrica para o consumo. Quanto maior é a eficiência do painel fotovoltaico, mais Watts por metro quadrado o seu sistema gera. Quanto maior é a eficiência do painel fotovoltaico, menor é o painel para a mesma produção de energia.
Há diversos tipos de painéis, com outros materiais, além do silício. Entre os mais conhecidos estão: Painel solar fotovoltaico de silício monocristalino: as células deste tipo de painel são feitas a partir de um único cristal de sílicio ultrapuro, e fornecem para o painel, entre 14 e 21 % de eficiência. Painel solar fotovoltaico de silício policristalino: também chamado de polisilico, é diferente do monocristalino no processo de fundição. Neste painel, os cristais são fundidos em blocos, dando a formação de múltiplos cristais. Geram eficiência entre 13 e 16,5%. Painel solar de filme fino: estes são diversos. Cada tipo possui um substrato sobre o qual são depositadas várias camadas finas de material fotovoltaico. São diferenciados pelo material que é depositado sobre este substrato. São eles: silício amorfo (a-Si), Telureto de cádmio (CdTe), Cobre, índio e gálio seleneto (CIS / CIGS) e Células solares fotovoltaicas orgânicas (OPV). Estes painéis possuem eficiência entre 7 e 13%. Painel solar hibrido: São novos no mercado, conhecidos também como heterojunção. A fabricação é similar à de painéis monocristalinos, porém, possuem uma passivação com camada de Silício Amorfo (a-Si), e possui outras diferenças. Dependendo do tipo de painel solar, há uma variedade grande dos valores. No Brasil, so recentemente, esse mercado vem crescendo. No mundo todo, o painel solar é negociado por dólares por Watt, sendo que o tipo de instalação residencial é bastante padronizado, ficando o custo basicamente definido mundialmente. Embora os painéis solares sejam fabricados no brasil, a célula tem que ser importada, o que encarece todo o sistema. A média do valor da placa solar por watt, é cerca de U$0,60, mas chega no país por cerca de U$0,80, devido a alfandega, frete, impostos e taxa de cambio. É difícil estabelecer custos precisos, uma vez que o mercado tem altos e baixos, há diversas empresas no ramo competindo preços e os valores variam de acordo com a eficiência das células e painéis. Mas pode-se dizer que o preço que o consumidor final paga, por watt, entre R$3,10 e R$3,90.
CAPÍTULO 3 – SISTEMAS ON-GRID E OFF-GRID
Neste capítulo os dois sistemas serão apresentados de forma sucinta, sendo que o capítulo 4 trará mais informações sobre eles.
- Off-grid O Sistema off-grid é um sistema autônomo, não necessitando da rede de distribuição de energia elétrica, pois se sustentam de baterias. São basicamente compostos por painéis solares, estrutura de suporte, cabos, que compõem juntos o bloco de geração de energia; inversores e controladores de carga, que formam o bloco de condicionamento de potência; e as baterias, que são do bloco de armazenamento. Esse sistema é utilizado localmente, para funções especificas, como alimentação de bombas d’água e cercas elétricas e iluminação em geral A energia que não for utilizada enquanto está sendo gerada, é armazenada nas baterias, e esta fornece energia para o sistema quando não há a produção suficiente de energia elétrica pelos painéis, ou seja, períodos noturnos ou de pouca iluminação.
- On-grid Este sistema, também chamado de grid-tie, é diferente do sistema off-grid justamente por não conter baterias para armazenamento da energia excedente. Não possui também os controladores de carga. A ausência destes dois elementos torna o kit de instalação mais barato. Este sistema possui inversores, que transformam a corrente continua (CC) em corrente alternada (AC) e também sincroniza o sistema com a rede pública. Toda a energia excedente deste sistema é transferida para a rede pública de distribuição, isso faz com que o relógio medidor da energia gire ao contrário, ou seja, o usuário paga a energia que usar menos a energia que gerar. A pesar de ainda utilizar a rede de distribuição pública, este sistema auxilia na economia de energia, gerando até créditos para utilização em até 36 meses. A tabela abaixo compara os dois sistemas, mostrando algumas vantagens e desvantagens de ambos.
Remover quaisquer joias ou adereços do pescoço, mãos e pulsos antes do trabalho Vestir roupas e usar equipamentos de proteção adequados ao trabalho e em bom estado de conservação (camisa, calça, cinto de segurança, capacete, máscara, luvas, calçado, entre outros) Sempre usar ferramentas adequadas, secas e com cabos isolados, para montar o gerador fotovoltaico. Descarregar a eletricidade estática do corpo, tocando um condutor aterrado antes de tocar os terminais dos módulos, especialmente em locais e dias de clima seco. Fazer as conexões elétricas respeitando sempre a polaridade e as instruções do fabricante. Um aspecto importante da pré-instalação é a melhor localização do gerador fotovoltaico. Em geral, não existem restrições quanto ao local de instalação, pois os módulos são equipamentos desenvolvidos para resistir ao tempo (sol, chuva, geadas etc.) durante vários anos. Recomenda-se apenas que o mesmo seja instalado em local com boa incidência de radiação solar e o mais próximo possível das baterias e cargas. Esta última recomendação tem o compromisso de minimizar as perdas devido à queda de tensão nos cabos. A primeira, mesmo sendo obvia, merece bastante cuidado durante sua avaliação, uma vez que o sombreamento provocado por prédios, árvores, cercas, postes, dentre outros objetos do entorno, pode reduzir significativamente o potencial de geração do sistema. O gerador fotovoltaico deve ser colocado suficientemente distante de objetos que possam encobrir a luz do sol, para que nenhuma sombra ocorra especialmente nas horas de melhor irradiância, usualmente entre 9 e 15 horas. Para uma operação adequada e eficiente, os módulos devem estar em direção ao Norte Verdadeiro. Porém, esta regra pode não ser válida caso o clima local varie muito durante um dia típico; por exemplo, caso ocorra neblina durante a manhã e a maioria da incidência de radiação solar ocorra à tarde.
- Baterias e cabos As baterias não devem ser montadas diretamente sobre o solo ou em locais úmidos para não elevar a taxa de auto descarga, comprometendo sua eficiência. Deve-se garantir um bom isolamento do solo, com as unidades instaladas em uma
bancada, prateleira ou estante de madeira ou sobre material isolante e resistente ao ácido. Todos os componentes de um Sistema Fotovoltaico (módulos, baterias, controladores de carga, inversores, cargas etc.) devem ser interconectados por meio de condutores elétricos de bitola e tipo adequados. A bitola dos condutores depende principalmente do circuito onde os mesmos são instalados. Seu comprimento depende do posicionamento dos vários elementos do sistema, desde que não sejam excedidos os limites permitidos para a queda de tensão. O tipo de cabo, incluindo seu isolamento, depende do ambiente (temperatura, umidade, radiação ultravioleta etc.) a que está submetido e do tipo de instalação (aérea, subterrânea, em condutos etc.) em que será utilizado.
- Manutenção A manutenção a ser realizada em Sistema Fotovoltaico, especialmente nos de pequeno porte, é relativamente rápida e simples. Nos individuais de pequeno porte, alguns procedimentos para uma boa manutenção preventiva podem ser realizados pelo próprio usuário do sistema. Na inspeção visual devem ser verificadas as condições físicas de cada módulo fotovoltaico, certificando-se de que a superfície frontal está íntegra e limpa, as células não apresentam sinais de rachadura e descoloração, a estrutura de fixação do painel fotovoltaico está fixa, sem pontos de corrosão e devidamente aterrada. Deve-se ainda observar a presença de algum sombreamento causado pelo crescimento de vegetação próxima ao painel. Apostila Sistemas Autônomos (OFF-GRID) 43 Caso haja necessidade de limpeza dos módulos antes de efetuar as medidas, deve-se utilizar uma flanela limpa e água. Cuidados devem ser tomados para evitar que o vidro seja arranhado por partículas abrasivas que fiquem presas na flanela. Por este mesmo motivo, o uso de sabão e joias (anéis e relógios) não é recomendado. Durante a limpeza, o trabalhador deve observar o seu posicionamento, evitando apoiar-se nos módulos. Nos dias em que o tempo estiver claro e com poucas nuvens, os módulos deverão ser limpos preferencialmente no início da manhã ou no final da tarde, de forma a evitar que possíveis choques térmicos, resultantes de água fria sobre um módulo muito quente, danifiquem o vidro de cobertura do módulo. Se os módulos estiverem instalados em ambiente muito empoeirado, recomenda-se limpá-los mais frequentemente, pois períodos muito longos sem limpeza podem prejudicar significativamente o desempenho do sistema. Perdas de até 10 % no desempenho já foram verificadas em módulos instalados no
O único componente dos sistemas fotovoltaicos que é comum tanto aos sistemas isolados quanto aos sistemas conectados à rede, é o painel fotovoltaico, mas a configuração, geralmente, é diferente. Na maioria dos casos, mesmo sendo de mesma potência-pico, a tensão de trabalho dos dois sistemas é diferente, o que dificultaria a mudança de um sistema para o outro. Os principais componentes de um sistema fotovoltaico autônomo são descritos a seguir e mostrados na imagem: http://www.inovacare.solar
- Placa fotovoltaica. É o componente ativo do sistema, responsável por converter a energia do sol em energia elétrica aproveitável.
- Dispositivo de condicionamento de potência. O controlador de carga é o principal representante desta categoria. Os melhores controladores de carga possuem MPPT, sigla em inglês que significa seguidor do ponto de máxima potência. Este dispositivo/funcionalidade permite melhor aproveitamento da potência gerada pelo painel fotovoltaico.
- Banco de baterias, que tem a função de armazenar a energia gerada pelo painel fotovoltaico. As baterias fornecem energia para as cargas, tanto nos períodos sem insolação, quanto nos períodos de sol, no caso de cargas que consumam grandes correntes em períodos curtos. O banco de baterias é o principal componente de um sistema PV autônomo. A função do painel fotovoltaico é carregar as baterias.
- Inversor autônomo. A eletricidade gerada pelos sistemas fotovoltaicos é em corrente contínua. Para utilizar os aparelhos convencionais em corrente alternada, a eletricidade é convertida nesse aparelho. O uso do inversor traz tanto benefícios, quanto perdas: o inversor consome uma parte da energia convertida, mas seu uso permite, além do uso de aparelhos elétricos cotidianos, um dimensionamento mais econômico do cabeamento para as cargas. Com o aumento da tensão, é possível utilizar correntes menores para uma mesma potência (potência = tensão x corrente), o que diminui perdas por efeito joule. De todos os dispositivos citados acima, os módulos fotovoltaicos são os que duram mais. Os fabricantes dão garantia de eficiência na conversão entre 10 e 20 anos. Os que duram menos são as baterias: entre 2 e 7 anos. Existem baterias especiais feitas para durar mais tempo, que excedem os 10 anos. Como são mais caras, geralmente não são tão utilizadas. Quanto aos dispositivos eletrônicos, como os controladores e inversores, a vida média é de 10 anos. - Sistema Interligado à Rede (ON-GRID): O sistema fotovoltaico conectado à rede não utiliza baterias para armazenamento de energia, pois a própria rede elétrica é utilizada como meio de armazenamento. Toda a energia gerada pelo sistema fotovoltaico é imediatamente injetada na rede elétrica, sendo consumida internamente ou exportada para a concessionária, de acordo com os níveis de geração e consumo instantâneos. Na prática, uma residência ou empresa que possui um sistema fotovoltaico dentro do sistema de compensação de créditos passa a consumir menos ou nenhuma
regulamentadoras Nº 35 (trabalho em altura) e Nº 10 (segurança em instalações e serviços de eletricidade). Mas além das normas regulamentadoras, há outras observações como:
- Como subir no telhado para instalação, sem escorregar
- Como fixar os painéis
- O telhado suporta o peso dos painéis e dos instaladores, para instalação e manutenção
- Os instaladores são capacitados
- Como será o procedimento caso esteja chovendo e ventando no dia da instalação
- Quais os equipamentos de segurança serão utilizados sem que atrapalhem o serviço
- Manter área isolada onde possa cair algum equipamento
- Evitar que crianças e animais estejam próximo dos locais de instalação
- Remover rebarbas e restos dos materiais para evitar machucar alguém após instalação
- Se possível, içar partes do sistema que será montado no telhado, para evitar exceder o peso máximo da plataforma usada para içar os materiais
- Deixar espaços disponível para manutenções futuras
- Instalar sistema contra queda em sistemas maiores, e, em manutenções, certificar antes de usá-los se foram verificados em manutenções anteriores
- Instalar interruptores e disjuntores de segurança em locais onde possam ser acessados de forma rápida e fácil
- Entregar os manuais de manutenção e operação, juntamente com os documentos ao cliente, proprietário do sistema.
CAPÍTULO 7 – VANTAGENS E DESVANTAGENS
Vantagens da energia solar
- A energia solar não polui durante seu uso. A poluição decorrente da fabricação dos equipamentos necessários para a construção dos painéis solares é totalmente controlável utilizando as formas de controle existentes atualmente.
- As centrais necessitam de manutenção mínima.
- Os painéis solares são cada dia mais potentes, ao mesmo tempo em que seu custo vem decaindo. Cada vez mais isso torna a energia solar uma solução economicamente viável.
- Em países tropicais, como o Brasil, a utilização da energia solar é viável em praticamente todo o território, e, em locais longe dos centros de produção energética.
- Os painéis fotovoltaicos não fazem um único barulho ao gerarem energia solar.
- O sistema fotovoltaico é muito fácil de instalar, mais fácil do que instalar um ar condicionado central, por exemplo.
- A energia solar fotovoltaica é uma das melhores alternativas em regiões isoladas onde não se tem rede elétrica, muito mais barata que geradores a diesel ou óleo combustível. Desvantagens da Energia Solar
- Existe variação nas quantidades produzidas de acordo com a situação climatérica (chuvas, neve), além de que durante a noite não existe produção alguma, o que obriga a que existam meios de armazenamento da energia produzida durante o dia em locais onde os painéis solares não estejam ligados à rede de transmissão de energia.
- Locais em latitudes médias e altas (Ex: Finlândia, Islândia, Nova Zelândia e Sul da Argentina e Chile) sofrem quedas bruscas de produção durante os meses de inverno devido à menor disponibilidade diária de energia solar. Locais com frequente cobertura de nuvens tendem a ter variações diárias de produção de acordo com o grau de nebulosidade.
- As formas de armazenamento da energia solar são pouco eficientes quando comparadas, por exemplo, aos combustíveis fósseis (carvão, petróleo e gás), e a energia hidrelétrica (água).
- Os painéis solares têm um rendimento de apenas 25%, apesar deste valor ter vindo a aumentar ao longo dos anos.
REFERÊNCIAS
Fotovolt, Publicação especial da revista Eletricidade Moderna, Ano 1, Nº 1, Agosto 2015 https://www.ecycle.com.br https://www.portalsolar.com.br http://www.guiatrabalhista.com.br http://americadosol.org http://www.cemig.com.br http://www.fiepr.org.br