manual de engenharia sistemas fotovoltaicos 2014 , Manuais, Projetos, Pesquisas de Engenharia Civil

Baixe manual de engenharia sistemas fotovoltaicos 2014 e outras Manuais, Projetos, Pesquisas em PDF para Engenharia Civil, somente na Docsity! Organizadores: João Tavares Pinho Marco Antonio Galdino Grupo de Trabalho de Energia Solar - GTES CEPEL - DTE - CRESESB Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos Apresentação O Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos foi uma iniciativa do Grupo de Trabalho de Energia Solar (GTES), criado em 1992 a partir da necessidade de fomentar, discutir e difundir questões ligadas à tecnologia solar fotovoltaica no Brasil. Destinava- se a auxiliar o pessoal técnico envolvido com projetos de sistemas fotovoltaicos, tendo sido concebido de forma a atender a necessidade básica de se ter, à época, literatura sobre o assunto na língua portuguesa e em conformidade com a realidade brasileira. A versão original da publicação, editada em 1996, foi reproduzida na forma de apostila, tendo sido distribuídos, através de fotocópias, mais de mil exemplares em todo o país. Em 1999, o Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio de Salvo Brito (Cresesb), do Cepel, lançou a primeira edição da publicação na forma de livro, com conteúdo revisado e atualizado, cujo enfoque era, prioritariamente, voltado para aplicações de sistemas fotovoltaicos isolados de pequeno porte. Considerando, entretanto, o constante interesse na aquisição desta publicação, a grande evolução da tecnologia fotovoltaica no período de 1999 a 2014 e a crescente utilização de sistemas fotovoltaicos conectados à rede no Brasil, o Cepel/Cresesb dedicou-se, mais uma vez, a realizar uma reformulação completa do documento. É neste contexto que a nova edição do Manual traz muitas novidades. Com mais de 500 páginas, a publicação traça um histórico do caminho da energia fotovoltaica no Brasil, com exemplos de projetos instalados nos últimos anos. Juntamente com informações sobre o uso de sistemas fotovoltaicos conectados à rede, são incluídos tópicos relacionados às normas e regulamentos aplicáveis ao setor, além de aspectos econômicos. A partir da perspectiva de aumento do uso de sistemas fotovoltaicos de energia no país - seja como uma opção para atender aos desafios da universalização dos serviços de energia elétrica, seja como uma alternativa de geração distribuída conectada à rede elétrica convencional - esta nova edição do Manual, totalmente revisada, atualizada e ampliada, visa a promover uma melhor qualificação técnica dos profissionais envolvidos na área. Esta qualificação deve abranger os conceitos básicos, o conhecimento das tecnologias atualmente empregadas, assim como a orientação para elaboração de projeto e os procedimentos de instalação e manutenção dos equipamentos. Com recursos do Ministério de Minas e Energia (MME), oriundos do Convênio de Cooperação Técnica e Financeira nº 721906/2009, esta publicação é resultado de um trabalho conjunto com a Universidade Federal do Pará (UFPA) tendo contado, também, com a colaboração de diversos professores e pesquisadores, de outras instituições, de reconhecida competência técnica na área. O MME espera, com esta iniciativa, estimular o desenvolvimento de formas sustentáveis de geração de energia, com baixa emissão de gases de efeito estufa, contribuindo, m, para a manutenção de uma matriz elétrica fortemente baseada em fontes renováveis. O MME e o Cepel têm a satisfação de publicar esta nova edição do Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos, documento já considerado um clássico da literatura fotovoltaica no Brasil, sendo visto como um valioso instrumento didático e de difusão de informação técnica especializada, voltado ao treinamento e à formação de pessoal qualificado na área de energia solar. Jorge Paglioli Jobim Diretor do Departamento de Desenvolvimento Energético do MME Ary Vaz Pinto Junior Chefe do Departamento de Tecnologias Especiais do Cepel SUMÁRIO LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS LISTA DE FIGURAS LISTA DE QUADROS E TABELAS GLOSSÁRIO CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO 1.1 — Energia solar térmica 1.2 — Energia solar fotovoltaica 1.2.1 — História e situação atual da energia solar fotovoltaica no mundo 1.2.2 — Breve histórico da energia solar fotovoltaica no Brasil 1.3 — Referências CAPÍTULO 2 - RECURSO SOLAR 2.1 O Sol e suas características 2.2 — Geometria Sol-Terra 2.3 — Radiação solar sobre a terra 2.3.1 — Distribuição da irradiação solar média diária no mundo 2.4 — Instrumentos de medição da radiação solar 2.5 — Potencial solar e sua avaliação 2.6 — Tratamento e análise dos dados solarimétricos 2.6.1 — Avaliação da qualidade dos dados medidos 2.6.2 — Tratamento dos dados primários e sua análise 2.7 — Bases de dados solarimétricos e programas computacionais 2.7.1 — Informações a partir de medições de superfície 2.7.2 — Informações a partir de medições por satélites 4.3.3.5 — Efeito da temperatura 4.3.3.6 — Sulfatação 4.3.3.7 — Hidratação 4.3.3.8 — Sedimentação 4.3.3.9 Água para baterias 4.3.4 — Baterias Níquel-Cádmio e Níquel-hidreto metálico 4.3.4.1 — Efeito da temperatura em baterias Ni-Cd 4.3.5 — Baterias Li-íon 4.3.6 — Características ideais para uso de baterias em sistemas fotovoltaicos isolados 4.3.7 — Transporte, descarte e reciclagem de baterias 4.3.8 — Salas de baterias 4.4 — Outros sistemas de armazenamento 4.5 — Controladores de carga 4.5.1 — Tipos de controladores de carga 4.5.2 — Detalhamento das características e funções de controladores de carga 4.5.3 — Controladores de carga baseados em tensão 4.5.4 — Controladores de carga baseados em estado de carga da bateria 4.5.5 — Carga em 3 estágios 4.5.6 — Controlador SPPM 4.5.7 — Registro do Inmetro 4.5.8 — Controladores de carga para outros tipos de baterias 4.6 — Inversores 4.6.1 — Classificação dos inversores 4.6.1.1 — Dispositivos semicondutores utilizados em inversores 4.6.1.2 — Inversores comutados pela rede (para SFCR) 4.6.1.3 — Inversores autocomutados 4.6.2 — Princípio de funcionamento dos conversores c.c.-c.a. 4.6.3 — Características dos inversores 4.6.4 — Inversores para SFCRs 4.6.5 — Critérios de qualidade de um inversor 4.6.6 — Registro do Inmetro 4.7 — Conversores c.c.-c.c. 4.8 — Seguimento do ponto de potência máxima (SPPM) 4.8.1- Algoritmos de seguimento do ponto de potência máxima 4.9 — Dispositivos de proteção, supervisão e controle, e aquisição e armazenamento de dados 4.9.1 — Proteção 4.9.2 — Supervisão e controle, aquisição e armazenamento de dados 4.9.2.1 — Sistema de coleta de dados operacionais (SCD) 4.10 — Referências CAPÍTULO 5 — APLICAÇÕES DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS 5.1 — Sistemas fotovoltaicos isolados 5.1.1 — Sistemas isolados individuais 5.1.2 — Sistemas isolados em minirrede 5.2 — Sistemas de bombeamento de água 5.2.1 — Tipos de bombas 5.2.1.1] — Bombas centrífugas 5.2.1.2 — Bombas volumétricas 5.2.2 — Tipos de motores 5.2.2.1] — Motores c.c. 5.2.2.2 — Motores c.a. 5.2.3 — Qualidade da água 5.3 — Sistemas de telecomunicações e monitoramento remoto 5.4 — Outras aplicações 5.4.1 — Proteção catódica 5.4.2 — Cerca elétrica 5.4.3 — Dessalinização da água 5.5 — Sistemas conectados à rede 5.5.1 — Micro e minigeração fotovoltaica 5.5.1.1] — Medição bidirecional de registros independentes 5.5.1.2 — Medições simultâneas 5.5.2 — Sistemas fotovoltaicos integrados a edificações 5.5.3 — Usinas fotovoltaicas (UFVs) 5.6 — Referências CAPÍTULO 6 — PROJETO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS 6.1 — Etapas preliminares de projeto de um sistema fotovoltaico 6.1.1 — Avaliação do recurso solar 6.1.2 — Localização 6.1.3 — Escolha da configuração 6.1.4 — Levantamento da demanda e do consumo de energia elétrica 6.1.4.1 — Estimativa da curva de carga 6.2 — Dimensionamento de sistemas fotovoltaicos isolados pelo método do mês crítico 6.2.1 — Projeto de sistemas isolados para geração de energia elétrica segundo a RN 493/2012 6.2.1.1 — SIGFI 6.2.1.2 - MIGDI 6.3 — Projeto de sistemas fotovoltaicos para bombeamento de água 6.3.1 — Estimativa de consumo de água 6.3.2 — Dimensionamento do sistema de geração 6.4 — Projeto de sistemas fotovoltaicos conectados à rede 6.4.1 — Dimensionamento do gerador fotovoltaico 6.4.2 — Dimensionamento do inversor 6.4.3 — Compromisso entre forma e função dos SFCRs 6.5 — Projeto elétrico 8.6 — Manutenção de centrais fotovoltaicas 8.7 — Manutenção de sistemas fotovoltaicos de bombeamento de água 8.8 — Análise de dados de desempenho de um sistema fotovoltaico 8.9 — Referências APÊNDICE 1 - NORMAS E REGULAMENTOS APÊNDICE 2 — ASPECTOS ECONÔMICOS APÊNDICE 3 — EXEMPLOS DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS INSTALADOS NO BRASIL APÊNDICE 4 — ESPECIFICAÇÃO DE EQUIPAMENTOS PRINCIPAIS PARA SISTEMAS FOTOVOLTAICOS ISOLADOS E PLANILHAS AUXILIARES PARA DIMENSIONAMENTO APÊNDICE 5 — PLANILHA PARA INSPEÇÃO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS u-Si ABENS Abinee ABNT ACL ACR AM ANEEL a-Si BID BIG BIPV BOS BSF ca. cc. CBEE CBENS CB-Solar cce CCEE CCEI CDE cds CdTe Ceal LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS Micro-crystalline Silicon (Silício Microcristalino) Associação Brasileira de Energia Solar Associação Brasileira da Indústria Elétrica e Eletrônica Associação Brasileira de Normas Técnicas Ambiente de Contratação Livre Ambiente de Contratação Regulada Air Mass (Massa de Ar) Agência Nacional de Energia Elétrica Amorphous Silicon (Silício Amorfo) Banco Interamericano de Desenvolvimento Banco de Informações de Geração Building Integrated Photovoltaic (Sistema Fotovoltaico Integrado a Edificações) Balance of System (Balanço do Sistema) Back Surface Field (Campo Retrodifusor) Corrente Alternada Corrente Contínua Centro Brasileiro de Energia Eólica Congresso Brasileiro de Energia Solar Centro Brasileiro para Desenvolvimento da Energia Solar Fotovoltaica Conta de Consumo de Combustíveis Câmara de Comercialização de Energia Elétrica Contrato de Compra de Energia Incentivada Conta de Desenvolvimento Energético Sulfeto de Cádmio Telureto de Cádmio Companhia Energética de Alagoas (ou Eletrobras Distribuição Alagoas) Ceam CEB CEEE Celesc Celg Celpa Celpe Cemig Cepel Ceron Cesp CETEC-MG cIGS cIs CLP CNPq Coelba Coelce COFINS Copel Cosern CPFL CPV Cresesb c-Si cs csP CSTR Companhia Energética do Amazonas (ou Eletrobras Amazonas Energia) Central Energética de Brasília Companhia Estadual de Energia Elétrica Centrais Elétricas de Santa Catarina Companhia Energética de Goiás Centrais Elétricas do Pará Companhia Energética de Pernambuco Companhia Energética de Minas Gerais Centro de Pesquisas de Energia Elétrica Companhia Energética de Rondônia (ou Eletrobras Distribuição Rondônia) Companhia Energética de São Paulo Fundação Centro Tecnológico de Minas Gerais Disseleneto de Cobre, Índio e Gálio Disseleneto de Cobre e Índio Controlador Lógico Programável Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico Companhia de Eletricidade do Estado da Bahia Companhia Energética do Ceará Contribuição para o Financiamento da Seguridade Social Companhia Paranaense de Energia Companhia Energética do Rio Grande do Norte Companhia Paulista de Força e Luz Concentrated Photovoltaics (Fotovoltaica com Concentração) Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio de Salvo Brito Crystalline Silicon (Silício Cristalino) Current Source Inverter (Inversor de Fonte de Corrente) Concentrated Solar Power (Potência Solar Concentrada) Centro de Saúde e Tecnologia Rural IPCC ISO ISS LABSOL LED Li-ion LpT LSF LVD MBE MCT MIGDI MME MOCVD MODES MOSFET MPPT Intergovernmental Panel on Climate Change (Painel Intergovernamental de Mudanças Climáticas) International Standards Organization (Organização Internacional de Padrões) Imposto Sobre Serviços Laboratório de Energia Solar Light Emitting Diode (Diodo Emissor de Luz) Ton de Lítio Programa Luz para Todos Laboratório de Sistemas Fotovoltaicos Low Voltage Disconnect (Desconexão por Baixa Tensão) Molecular Beam Epitaxy (Epitaxia por Feixe Molecular) Ministério da Ciência e Tecnologia (atual Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovação - MCTI) Microssistema Isolado de Geração e Distribuição de Energia Elétrica Ministério de Minas e Energia Metalorganic Chemical Vapour Deposition (Deposição Química de Organometálicos em Fase Vapor) Modelos de Sistemas de Energia Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (Transistor de Efeito de Campo Metal-Óxido-Semicondutor) Maximum Power Point Tracking (na terminologia brasileira: Seguidor do Ponto de Potência Máxima - SPPM) m-Si MTE NaNicl NASA NBR NEA Mono-crystalline Silicon (Silício Monocristalino) Ministério do Trabalho e Emprego Cloreto de Níquel e Sódio National Aeronautics and Space Administration (Administração Nacional de Aeronáutica e Espaço) Norma Brasileira Núcleo de Energias Alternativas Nepa NiCd NiMH NOCT NR NREL n-Si O&M OLADE OPV OPzS OPzV Org. P&D P&O Pb-ácido PBE PCH PET Petrobras PIE PIS PRC Procel Prodeem Núcleo de Estudos e Pesquisas em Alimentação Níquel-Cádmio Hidreto Metálico de Npiquel Nominal Operating Cell Temperature (Temperatura Nominal de Operação da Célula) Norma Regulamentadora National Renewable Energy Laboratory (Laboratório Nacional de Energias Renováveis dos Estados Unidos da América) Nano-crystalline Silicon (Silício Nanocristalino) Operação e Manutenção Organização Latino Americana de Energia Organic Photovoltaics (Fotovoltaica Orgânica) Ortsfest Panzerplatte Spezial (Bateria Estacionária com Placas Tubulares, Eletrólito Fluido e Separadores Especiais) Ortsfest Panzerplatte Verschlossen (Bateria Estacionária com Placas Tubulares, Eletrólito em Gel e Válvula de Segurança) Organização Pesquisa e Desenvolvimento Perturb & Observe (Perturbar & Observar) Chumbo-ácido Programa Brasileiro de Etiquetagem Pequenas Centrais Hidrelétricas Tereftalato de polietileno Petróleo Brasileiro S.A. Produtor Independente de Energia Programa de Integração Social Plano de Revitalização e Capacitação do Prodeem Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica Programa de Desenvolvimento Energético de Estados e Municípios PRODIST p-Si PTU PUC-RS Pvc PvF PWM RAM RGR RMS RN SBFV SFCR SFD SFH SFI SFIE SFV Si-Cz Si-FZ SIGFI SIN SLI SNESF SONDA SPDA SPPM SSE Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica da Aneel Poli-crystalline Silicon (Silício Policristalino, ou Multicristalino) Programa do Trópico Úmido Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul Polyvinyl Chloride (Cloreto de Polivinila) Polyvinyl Fluoride (Fluoreto de Polivinila) Pulse Width Modulation (Modulação por Código de Pulso) Bateria Alcalina Recarregável de Manganês Reserva Global de Reversão Root Mean Square (Raiz Média Quadrática) Resolução Normativa Sistema de Bombeamento Fotovoltaico Sistema Fotovoltaico Conectado à Rede Sistema Fotovoltaico Domiciliar Sistema Fotovoltaico Híbrido Sistema Fotovoltaico Isolado Sistema Fotovoltaico Integrado a Edificação Sistema Fotovoltaico Silício por Czochralski Silício por Fusão Zonal Sistema Individual de Geração de Energia Elétrica com Fonte Intermitente Sistema Interligado Nacional Starting, Lighting, Ignition (Partida, Iluminação, Ignição) Simpósio Nacional de Energia Solar Fotovoltaica Sistema de Organização Nacional de Dados Ambientais Sistema de Proteção Contra Descargas Atmosféricas Seguidor do Ponto de Potência Máxima Surface Meteorology and Solar Energy (Meteorologia de Superfície e Energia Solar) LISTA DE FIGURAS CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO Figura 1.1 — Evolução do Mercado Brasileiro de Aquecimento Solar. Figura 1.2 — Desenvolvimento das células fotovoltaicas. Figura 1.3 — Representação dos eventos-chave no desenvolvimento das células fotovoltaicas. Figura 1.4 — Produção mundial de células fotovoltaicas. Figura 1.5 — Evolução da potência instalada em sistemas fotovoltaicos no mundo. Figura 1.6 — Distribuição da produção mundial de células fotovoltaicas em 2012. CAPÍTULO 2 — RECURSO SOLAR Figura 2.1 — Estrutura do Sol. Figura 2.2 — Órbita da Terra em torno do Sol, com seu eixo N-S inclinado de um ângulo de 23,45º, indicando as estações do ano no hemisfério Sul. Figura 2.3 — Variação da irradiância solar extraterrestre (19.7) ao longo do ano. Figura 2.4 — Ilustração dos ângulos &, a e js (representando a posição do Sol em relação ao plano horizontal) e da orientação de uma superfície inclinada em relação ao mesmo plano: ângulos 2, y, yse 0. Figura 2.5 — Irradiância direta incidente sobre uma superfície horizontal e Irradiância direta incidente sobre uma superfície inclinada. Figura 2.6 — Equação do tempo ao longo do ano. Figura 2.7 — Fluxo de potência global (em Wim). Figura 2.8 — Componentes da radiação solar. Figura 2.9 — Distribuição espectral da irradiância no topo da atmosfera; da irradiância ao incidir perpendicularmente sobre uma superfície inclinada (37º) ao nível do mar e voltada para a linha do Equador; e da irradiância após atravessar uma massa de ar de 1,5. Figura 2.10 — Mapa mundial de irradiação solar em média anual. Figura 2.11 — Mapa brasileiro de irradiação solar em média anual. Figura 2.12 — Mapa europeu de irradiação solar em média anual. Figura 2.13 — Piranômetro termoelétrico. Figura 2.14 — Piranômetro fotovoltaico. Figura 2.15 — Resposta espectral dos piranômetros. Figura 2.16 — Desenho esquemático de um pireliômetro. Figura 2.17 — Pireliômetro montado em um rastreador solar. Figura 2.18 — Banda de sombreamento com ajuste manual. Figura 2.19 — Disco de sombreamento com rastreamento em dois eixos. Figura 2.20 — Interface de utilização do programa RADIASOL2. Figura 2.21 — Médias mensais e anual da radiação solar média diária incidente sobre um coletor inclinado de 10ºN na região de Rio Branco. Figura 2.22 — Médias mensais e anual da radiação solar média diária incidente sobre um coletor inclinado de 10ºN na região de Manaus. CAPÍTULO 3 - CÉLULAS E MÓDULOS FOTOVOLTAICOS Figura 3.1 — Distribuição das tecnologias usadas na produção industrial de células fotovoltaicas. Figura 3.2 — Estrutura de bandas de energia em condutores, semicondutores e isolantes. Figura 3.3 — Geração de pares elétron-lacuna pela incidência de fótons no material semicondutor. Figura 3.4 — Níveis de energia em materiais tipo n e p. Figura 3.5 — Junção pn no escuro em equilíbrio térmico, mostrando a barreira de potencial (Vo) as correntes de difusão (Ly) e de deriva (ip) de portadores. Figura 3.6 — Estrutura básica de uma célula fotovoltaica de silício. Figura 3.7 — Corrente fotogerada na junção pn iluminada (célula fotovoltaica). Figura 3.8 — Fatores que limitam a eficiência de uma célula fotovoltaica. Figura 3.9 — Corrente elétrica em função da diferença de potencial aplicada em uma célula fotovoltaica de silício de 156 mm x 156 mm, sob condições-padrão de ensaio. Figura 3.10 — Circuito equivalente básico para uma célula fotovoltaica (modelo com um diodo). Figura 3.11 — Símbolo de módulo fotovoltaico. Figura 3.12 — Potência elétrica em função da tensão elétrica de uma célula fotovoltaica de silício cristalino de 156 mmx 156 mm, sob condições-padrão de ensaio. Figura 3.13 — Efeito da resistência série (Rs) na curva I-V de uma célula fotovoltaica, sendo todas as curvas para a mesma temperatura e irradiância (STC), considerando em aberto a resistência paralelo (Rç=59). Figura 3.14 — Efeito da resistência paralelo (Rp) na curva I-V de uma célula fotovoltaica, sendo todas as curvas para a mesma temperatura e irradiância (STC), considerando nula a resistência série (Rs=0). Figura 3.15 — Obtenção das resistências série e paralelo pela curva I-V de uma célula. Figura 3.16 — Curvas 1-V de duas células fotovoltaicas de silício cristalino conectadas em série e em paralelo. Figura 3.17 — Influência da variação da irradiância solar na curva característica I-V de uma célula fotovoltaica de silício cristalino na temperatura de 25 ºC. Figura 3.18 — Influência da temperatura da célula fotovoltaica na curva 1-V (para irradiância de 1.000 Wi/m?, espectro AMI,5). Figura 3.19 — Estrutura básica de uma célula fotovoltaica de silício cristalino. Figura 3.20 — Célula fotovoltaica de silício cristalino. Figura 3.21 — Fabricação de tarugos (lingotes) de m-Si pelas técnicas de Float-Zone (FZ) e Czochralski. Figura 3.22 — Células m-Si coloridas; célula p-Si verde e dourada. Figura 3.23 — Esquema dos componentes de um módulo fotovoltaico com células de silício cristalino. Figura 3.24 — Degradação máxima de módulos, de acordo com 3 diferentes formas de garantia. Figura 3.25 — Vistas em corte de células fotovoltaicas de filmes finos. Figura 3.26 — Corte simplificado mostrando como é feita a definição das células fotovoltaicas, bem como sua conexão em série, em um módulo fotovoltaico de filme fino de a-Si. Figura 3.27 — Esquema simplificado de uma célula fotovoltaica com corante e eletrólito. CAPÍTULO 4 — COMPONENTES BÁSICOS DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS Figura 4.1 — Curva característica 1-V e curva de potência P-V para um módulo com potência nominal de 100 Wp. Figura 4.2 — Definição do fator de forma. Figura 4.3 — Efeito causado pela variação da irradiância solar sobre a curva característica I-V para um módulo fotovoltaico de 36 células de silício cristalino (c-Si) a 25 ºC. Figura 4.4 — Efeito causado pela variação da temperatura das células sobre a curva característica I-V para um módulo fotovoltaico de 36 células de silício cristalino (c-Si) sob irradiância de 1.000 Wim? Figura 4.5 — Modelo de etiqueta do Inmetro afixada nos módulos. Figura 5.3 — Sistema fotovoltaico conectado à rede. Figura 5.4 — Diagrama unifilar de um sistema fotovoltaico domiciliar em c.c. Figura 5.5 — Diagrama simplificado do sistema fotovoltaico domiciliar em c.c. Figura 5.6 — SFD no município Xapuri, na comunidade extrativista Dois Irmãos, no Acre. Figura 5.7 — Esquema unifilar de SFD com atendimento exclusivamente em c.c. Figura 5.8 — Esquema unifilar de SFD com atendimento c.c. e c.a. Figura 5.9 — SFD constituído por um único inversor alimentando todas as cargas da instalação. Figura 5.10 — Sistema MIGDI fotovoltaico da comunidade de Sobrado no Amazonas. Figura 5.11 — Diagrama esquemático de um sistema fotovoltaico de abastecimento de água. Figura 5.12 — Região de aplicação dos SBFVs. Figura 5.13 — Tipos de motobombas para SBFVs em função da profundidade e da vazão. Figura 5.14 — Configurações utilizadas para sistemas de bombeamento fotovoltaico. Figura 5.15 — Vista em corte de uma bomba centrífuga. Figura 5.16 — Corte de uma bomba tipo parafuso. Figura 5.17 — Diagrama expandido de uma bomba de deslocamento positivo tipo diafragma. Figura 5.18 — Proteção catódica com anodo galvânico. Figura 5.19 — Proteção catódica por corrente impressa (sistema com fonte elétrica convencional). Figura 5.20 — Perfil da tensão ao longo de uma tubulação protegida por um sistema de proteção catódica. Figura 5.21 — Diagrama de um sistema fotovoltaico para proteção catódica. Figura 5.22 — Diagrama genérico para cerca elétrica com alimentação fotovoltaica. Figura 5.23 — Esquema de dessalinização fotovoltaica por osmose reversa. Figura 5.24 — Sistema fotovoltaico instalado no estádio Pituaçu, BA. Figura 5.25 — Medição bidirecional de registros independentes com a utilização de um medidor bidirecional e com a utilização de dois medidores unidirecionais. Figura 5.26 — Medições simultâneas. Figura 5.27 — Sistemas de grande porte. Figura 5.28 — UFV Tanquinho. CAPÍTULO 6 —- PROJETO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS Figura 6.1 — Diagrama de blocos de sistemas fotovoltaicos isolados. Figura 6.2 — Diagrama de blocos de sistemas fotovoltaicos: Microgeração conectada à rede. Figura 6.3 — Exemplo de perfis de radiação solar diária com valores equivalentes de HSP. Figura 6.4 — Média mensal da irradiância global diária no plano horizontal para os períodos especificados - vila de São Tomé (Pará). Figura 6.5 — Exemplo de uma curva de carga de uma comunidade da Amazônia. Figura 6.6 — Exemplo de curva de carga estimada para uma dada localidade. Figura 6.7 — Configuração básica de um sistema fotovoltaico de abastecimento de água. Figura 6.8 — Níveis de interesse em um SBFV. Figura 6.9 — Exemplos de gráficos fornecidos por fabricantes para determinação da potência FV necessária para cada aplicação. Figura 6.10 — Taxa de desempenho (TD) de 527 SFCRs instalados na Europa ocidental entre 1991 e 2005. Figura 6.11 — Exemplos de cargas mecânicas impostas por três módulos FV distintos. Figura 6.12 — Curvas I-V de um gerador FV em função da temperatura e a compatibilidade, com as janelas de tensão do SPPM e de operação do inversor. Figura 6.13 — Gráfico de eficiência do inversor em função do nível de carga e da tensão de operação. Figura 6.14 — Planta Piloto do Megawatt Solar - Eletrosul - Florianópolis - 11,97 KWp. Figura 6.15 — Vista em planta da distribuição elétrica dos geradores fotovoltaicos da planta-piloto. Figura 6.16 — Sistema FV plano inclinado a 27 ºN, com 10,24 kWp, integrado ao Centro de Cultura e Eventos da UFSC (Sistema de referência). Figura 6.17 — Comparação da produtividade entre a Planta Piloto (subsistemas 1, 2 e 3) e o Sistema de Referência. CAPÍTULO 7 — INSTALAÇÃO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS E RECOMENDAÇÕES DE SEGURANÇA Figura 7.1 — Exemplo de placa de advertência de risco de choque elétrico. Figura 7.2 — Exemplo de placa de advertência de acesso restrito. Figura 7.3 — Exemplo de placa de advertência de risco de choque elétrico devido à geração própria de sistemas conectados à rede. Figura 7.4 — Fator de espaçamento versus latitude do local da instalação do gerador fotovoltaico. Figura 7.5 — Ilustração para definição do espaçamento mínimo entre gerador fotovoltaico e obstáculo, para evitar sombreamento. Figura 7.6 — Orientação da face dos módulos fotovoltaicos para o norte verdadeiro em um dado local no hemisfério Sul. Figura 7.7 — Exemplo de correção para uma declinação magnética local de 20º negativos. Figura 7.8 — Ângulo de inclinação dos módulos fotovoltaicos. Figura 7.9 — Exemplo de uma estrutura de sustentação de módulos fotovoltaicos. Figura 7.10 — Formas usuais de instalação de módulos fotovoltaicos. Figura 7.11 — Sistema fotovoltaico residencial instalado em localidade isolada do Rio Grande do Sul. Figura 7.12 — Detalhe de sistema de fixação em parede de residência. Figura 7.13 — Principais tipos de fundações utilizadas. Figura 7.14 — Fixação da estrutura no solo com fundação tipo bloco de cimento. Figura 7.15 — Fixação da estrutura diretamente no solo. Figura 7.16 — Geradores fotovoltaicos instalados sobre uma plataforma flutuante. Figura 7.17 — Sistema de ventilação de uma sala de baterias. Figura 7.18 — Detalhe de compartimento para baterias com orifícios na parte superior para ventilação. Figura 7.19 — Vista de baterias no interior de uma caixa especialmente construída para seu acondicionamento. Figura 7.20 — Abrigo de baterias bem ventilado e instalado na lateral de uma escola. Figura 7.21 — Abrigo de madeira devidamente ventilado e isolado e com tela para impedir a entrada de pequenos insetos e animais. Figura 7.22 — Armário de baterias. Figura 7.23 — Banco de baterias em MIGDI da Celpa, na Ilha de Araras (Marajó-PA). Figura 7.24 — Forma de conexão de banco de baterias. Figura 7.25 — Exemplos de controladores de carga e inversores instalados na parede da sala de controle. LISTA DE QUADROS E TABELAS CAPÍTULO 2 — RECURSO SOLAR Tabela 2.1 — Principais características do Sol. Tabela 2.2 — Unidades para a radiação solar (irradiância e irradiação) e fatores de conversão. Tabela 2.3 — Valores típicos de albedo para diferentes tipos de superfícies. CAPÍTULO 3 - CÉLULAS E MÓDULOS FOTOVOLTAICOS Tabela 3.1 — Bandas proibidas E, para diversos materiais semicondutores à temperatura de 300 K. Tabela 3.2 — Propriedades do silício à temperatura de 300 K e baixas concentrações de dopantes. Tabela 3.3 — Níveis de energia de ionização para impurezas utilizadas como dopantes tipos p e n em silício. Tabela 3.4 — Eficiência das melhores células fotovoltaicas fabricadas em laboratórios até 2012. Tabela 3.5 — Áreas ocupadas por de módulos de diferentes tecnologias. Tabela 3.6 — Eficiências de células fotovoltaicas coloridas. Tabela 3.7 — Normas e regulamentos sobre módulos fotovoltaicos. CAPÍTULO 4 — COMPONENTES BÁSICOS DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS Tabela 4.1 — Dados técnicos que constam na etiqueta do módulo. Tabela 4.2 — Dados técnicos adicionais que podem constar na folha de dados do módulo. Tabela 4.3 — Classes de eficiência de módulos fotovoltaicos no Brasil. Tabela 4.4 — Dados técnicos de catálogos de baterias recarregáveis disponíveis comercialmente. Tabela 4.5 — Densidade do eletrólito H>SOy (valores típicos a 25 ºC). Tabela 4.6 — Exemplos de resistências internas (Ri) de dois modelos de baterias sem manutenção. Tabela 4.7 — Tensões características de células e baterias de chumbo-ácido. Tabela 4.8- Redução da vida útil de baterias Chumbo-ácido tipo VRLA em função da temperatura média anual de operação. Tabela 4.9- Valores máximos admissíveis de impurezas em água para baterias. Tabela 4.10- Concentração máxima de impurezas permitida na água destilada e/ou deionizada. Tabela 4.11 — Tensões características de células e baterias de níquel-cádmio. Tabela 4.12-Exemplo de especificações para os pontos de ajuste um controlador de carga on-off baseado em tensão. Tabela 4.13 — Características de dispositivos semicondutores de chaveamento. Tabela 4.14 — Lógica de acionamento de uma ponte trifásica (6 tempos). Tabela 4.15 — Exemplo de especificações de potência de pico e de limitações térmicas da potência de um inversor. Tabela 4.16 — Comparação de características de inversores para conexão à rede com e sem transformador. CAPÍTULO 5 — APLICAÇÕES DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS Tabela 5.1 — Especificação dos SIGFIs, segundo RN Aneel 493/2012. Tabela 5.2 — Condutividade e salinidade das águas. Tabela 5.3 — Condutividade da água de poços na região Nordeste. Tabela 5.4 — Densidade de corrente para proteção catódica. CAPÍTULO 6 — PROJETO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS Tabela 6.1 — Exemplo de cálculo de consumo diário de energia (média semanal). Tabela 6.2 — Valores estimados de consumo médio mensal de alguns equipamentos elétricos. Tabela 6.3 — Exemplos de equipamentos elétricos que devem ser evitados ou proibidos em sistemas isolados de pequeno porte. Tabela 6.4 — Disponibilidades mensais de energia por unidade consumidora. Tabela 6.5 — Estimativa de consumo médio de água por uso final. Tabela 6.6 — Perda de carga em tubulações de PVC. Tabela 6.7 — Perdas de carga em conexões de PVC. Tabela 6.8 — Eficiências de SBFVs. Tabela 6.9 — Níveis de tensão considerados para conexão de micro e minicentrais geradoras. Tabela 6.10 — Requisitos mínimos em função da potência instalada. Tabela 6.11 — Principais características dos programas pesquisados e suas respectivas páginas na internet. CAPÍTULO 7 — INSTALAÇÃO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS E RECOMENDAÇÕES DE SEGURANÇA Tabela 7.1 — Normas nacionais recomendadas para consulta. Tabela 7.2 — Normas internacionais recomendadas para consulta. Tabela 7.3 — Vantagens e desvantagens das diferentes formas de instalação. Tabela 7.4 — Componentes de Proteção (chaves, disjuntores, DPS e fusíveis). CAPÍTULO 8 - OPERAÇÃO E MANUTENÇÃO Quadro 8.1 — Ações recomendadas em caso de acidente com ácido de baterias. Quadro 8.2 — Gerador Fotovoltaico. Quadro 8.3 — Baterias. Quadro 8.4 — Controladores de carga. Quadro 8.5 — Inversor. Quadro 8.6 — Cargas. Quadro 8.7 — Verificações típicas de sistemas de microgeração conectados à rede. Tabela 8.1 — Falhas típicas dos sistemas do programa alemão 1.000 Telhados. Tabela 8.2 — Recomendações de equipe e sistema de monitoramento em função do tamanho da central FV. Constante solar Controlador de carga Conversores c. Corrente alternada Corrente contínua Curva de carga Datalogger Declinação Magnética Declinação solar Demanda Densímetro Dessalinização Dessalinizador Diodo de bloqueio Diodo de desvio ou by- pass Efeito fotovoltaico Eletrificador Energia Energia cinética Irradiância solar incidente num plano perpendicular à direção de propagação no topo da atmosfera terrestre. Valor: 1.367 W/m?. Dispositivo responsável por regular e gerenciar o fluxo energético dos geradores fotovoltaicos para as baterias, bem como protegê-las de uma descarga profunda decorrente de um longo período sem geração. Em geral, utilizado como controlador de carga de baterias a partir da energia gerada por geradores fotovoltaicos. Corrente cuja polaridade e intensidade variam periodicamente no tempo. Corrente cuja polaridade e intensidade são constantes. Gráfico que mostra a evolução no tempo da quantidade de potência solicitada por uma carga ou um conjunto de cargas. Dispositivo eletrônico responsável pela aquisição e armazenamento de dados ao longo do tempo. Diferença entre a direção do Norte Verdadeiro e do Norte Magnético. Ângulo formado entre as linhas imaginárias do Equador e a que liga o centro da Terra ao Sol. Média das potências elétricas ativas ou reativas, solicitadas ao sistema elétrico pela parcela da carga instalada em operação na unidade consumidora, durante um intervalo de tempo especificado. Instrumento que indica o estado de carga da bateria por determinação da densidade do eletrólito. Retirada de sais da água salgada ou salobra, tornando-a doce e própria para o consumo humano. Equipamento que realiza a dessalinização da água. Conectados entre os módulos FV e as baterias para impedir que aqueles atuem como carga para as baterias em períodos onde não haja geração de energia. Esses diodos impedem, também, que, em um gerador FV, módulos operando em condições normais injetem correntes elevadas em grupos de módulos em condições de funcionamento anormais. Conectados em paralelo com os módulos para impedir que, em uma associação série, o mau funcionamento de um dos módulos (devido a defeitos de fabricação ou condições de sombreamento) influencie negativamente no desempenho de todo o gerador. Conversão direta da energia da luz (espectro visível) em energia elétrica. A célula fotovoltaica é o elemento que realiza esta conversão. Dispositivo que transforma um sinal de tensão em pulsos elétricos de alta intensidade e curta duração. Capacidade dos corpos de desenvolver uma força ou produzir um trabalho. Energia que está associada ao movimento. Energia elétrica Energia eólica Energia mecânica Energia solar Energia solar fotovoltaica Energia solar térmica Equador Equinócio Equipamentos de condicionamento de potência Equipotencialização Estação meteorológica Fiação ou cabeamento Fonte de energia Gerador fotovoltaico Grupo gerador diesel GW Horas de Sol Pleno Inclinômetro Inversor É a fonte de energia mais versátil e utilizada no mundo, estando presente em todos os usos energéticos finais. Energia cinética presente na deslocação do ar (vento) que pode ser convertida em energia mecânica para acionamento de bombas, moinhos e geradores de energia elétrica. Energia que pode ser usada diretamente para realização de trabalho, seja ela potencial ou cinética. Fonte primária de todas as fontes de energia. Conversão direta da energia solar radiante em energia elétrica corrente contínua. Conversão direta da energia solar radiante em calor utilizável. É a linha imaginária que divide o planeta em Hemisfério Norte e Hemisfério Sul, sendo equidistante dos pólos Norte e Sul. Momento em que o Sol, durante seu movimento aparente, cruza o plano do equador celeste. Os equinócios ocorrem duas vezes por ano: em setembro e em março. Os dias e noites são iguais em duração. Equipamentos cuja função principal é otimizar o controle geração/consumo visando ao aproveitamento ótimo do recurso solar, aliado à qualidade e continuidade na entrega da energia ao usuário. Procedimento que consiste na interligação de elementos da instalação, visando obter a equipotencialidade necessária para os fins desejados. Constituídas por uma série de sensores utilizados com a finalidade de realizar a monitoração continuamente, em intervalos de tempo predeterminados, das variáveis meteorológicas (vento, irradiância, temperatura, etc.). Conjunto de cabos ou fios destinados à distribuição da energia elétrica para um determinado fim. Recurso energético renovável ou não. Constituído por módulos fotovoltaicos em diferentes associações (série/paralela) e pelo cabeamento elétrico que os interliga, além de outros acessórios. Equipamento que utiliza o diesel como combustível para acionar uma máquina motriz, cuja energia mecânica do seu eixo é convertida em energia elétrica por um gerador. Unidade de potência usada para caracterização de equipamentos para resfriamento ou aquecimento. Número de horas por dia em que a radiação solar deve permanecer constante e igual a 1.000 W/m”. Instrumento usado para medir o ângulo de inclinação do gerador fotovoltaico. Dispositivo responsável pela conversão de uma tensão contínua (c.c.), proveniente dos geradores renováveis, ou do banco de baterias, para uma tensão alternada (c.a.), com amplitude e frequência determinadas. Eficiência Fator de dimensionamento de inversor Forma de onda Frequência Potência nominal Tensão de entrada Tensão de saída Irradiação difusa Irradiação direta Irradiação global Irradiação solar Irradiância extraterreste Irradiância solar LED Massa de ar Medidor bidirecional Medidor unidirecional Microgeração distribuída Microssistema isolado de geração e distribuição de energia elétrica Relação entre a potência de saída e a potência de entrada do inversor. Relação entre a potência nominal c.a. do inversor e a potência pico do gerador fotovoltaico (potência na condição padrão de teste). Tipificação do inversor segundo as características da forma de onda (quadrada, quadrada modificada ou senoidal). Frequência da tensão c.a. de saída do inversor, geralmente 50 ou 60 Hz. Potência que o inversor fornece à carga em regime contínuo. Função da potência nominal fornecida pelo inversor às cargas c.a. Regulada na maioria dos inversores, e sua escolha depende da tensão de operação das cargas c.a. Irradiação solar que atinge a superfície após sofrer espalhamento pela atmosfera terrestre Irradiação solar que incide diretamente sobre a superfície, sem sofrer qualquer influência. Quantidade resultante da soma da irradiações solares direta e difusa, e albedo. Energia incidente por unidade de superfície de um dado plano, obtida pela integração da irradiância durante um intervalo de tempo, normalmente uma hora ou um dia. Irradiância solar que atinge o topo da camada atmosférica da Terra. Potência radiante (radiação solar) incidente por unidade de superfície sobre um dado plano. Componente eletrônico constituído por um material semicondutor que quando submetido a uma determinada corrente elétrica emite luz. Efeito de uma atmosfera translúcida sob a luz do Sol. Dispositivo que registra a entrada e a saída de energia elétrica em uma unidade consumidora. Dispositivo que registra a entrada ou a saída de energia elétrica em uma unidade consumidora. Central geradora de energia elétrica, com potência instalada menor ou igual a 100 kW e que utilize fontes com base em energia hidráulica, solar, eólica, biomassa ou cogeração qualificada, conforme regulamentação da ANEEL, conectada na rede de distribuição por meio de instalações de unidades consumidoras. Sistema isolado de geração e distribuição de energia elétrica com potência instalada total de geração de até 100 kW. Vento Voltímetro Wp (watt-pico) Movimento do ar na atmosfera terrestre devido ao aquecimento heterogêneo provocado pela radiação solar nas diferentes regiões da superfície terrestre. Instrumento usado para medir a tensão elétrica. Unidade de potência de saída de uma célula, módulo ou gerador fotovoltaico, considerando as condições padrão de teste. CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO E SE UI ETF Ei [ = y y ), nb CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO O aproveitamento da energia gerada pelo Sol, inesgotável na escala terrestre de tempo, tanto como fonte de calor quanto de luz, é hoje uma das alternativas energéticas mais promissoras para prover a energia necessária ao desenvolvimento humano. Quando se fala em energia, deve-se lembrar de que o Sol é responsável pela origem de praticamente todas as outras fontes de energia na Terra. Em outras palavras, as fontes de energia são, em última instância, derivadas, em sua maioria, da energia do Sol. É a partir da energia do Sol que se dá a evaporação, origem do ciclo das águas, que possibilita o represamento e a consequente geração de eletricidade (hidroeletricidade). A radiação solar também induz a circulação atmosférica em larga escala, causando os ventos. Assim, também a energia eólica é uma forma indireta de manifestação da energia solar, já que os ventos se formam a partir da conversão da radiação solar em energia cinética, em função de um balanço diferenciado nas diferentes latitudes entre a radiação solar incidente e a radiação terrestre emitida. Petróleo, carvão e gás natural foram gerados a partir de resíduos de plantas e animais que originalmente obtiveram do recurso solar a energia necessária ao seu desenvolvimento. É também através da energia do Sol que a matéria orgânica, como a cana-de-açúcar, realiza a fotossíntese e se desenvolve para, posteriormente, ser transformada em combustível nas usinas. Entretanto, neste manual tratar-se-á apenas do que se pode chamar de energia solar direta. O Relatório Especial sobre Fontes Renováveis de Energia e Mitigação da Mudança Climática, publicado pelo IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change), agregou a energia solar direta em cinco grandes blocos: 1) solar passiva, onde se insere a arquitetura bioclimática; 2) solar ativa, onde se inserem o aquecimento e a refrigeração solares; 3) solar fotovoltaica, para produção de energia elétrica com e sem concentradores, sendo esta última o objeto deste manual; 4) a geração de energia elétrica a partir de concentradores solares térmicos para altas temperaturas e; 5) um processo inspirado na fotossíntese através do qual, em um reator alimentado por dióxido de carbono (CO»), água e metal ou óxido metálico, exposto à radiação solar, produz-se hidrogênio, oxigênio e monóxido de carbono. Neste caso, o hidrogênio seria o combustível solar a alimentar células a combustível, não mais produzido a partir de gás natural, mas da quebra da molécula da água através da luz solar. Ressalta-se que a técnica mencionada ainda não se mostrou eficiente na produção do combustível solar e continua em desenvolvimento. De forma mai: simplificada, para fins de engenharia, pode-se falar da energia solar térmica e energia solar fotovoltaica. Algumas formas de utilização da energia solar são apresentadas a seguir. 47 solar. Isso traz uma maior flexibilidade no despacho de energia elétrica, em comparação aos sistemas fotovoltaicos, além de maior eficiência no processo de conversão de energia e de uma gama de aplicação mais ampla. Outra vantagem é a possibilidade de integração com outras aplicações que necessitem de energia térmica. Um dos grandes desafios que se coloca para o segmento industrial solar térmico é a queda significativa dos preços dos módulos fotovoltaicos?, que tornam estes mais competitivos. Quanto à energia solar térmica passiva, a arquitetura bioclimática estuda formas de harmonizar as construções ao clima e características locais, pensando no homem que habitará ou trabalhará nesses ambientes, e tirando partido de correntes convectivas naturais e de microclimas criados por vegetação apropriada. Trata-se da adoção de soluções arquitetônicas e urbanísticas adaptadas às condições específicas (clima e hábitos de consumo) de cada lugar, utilizando, para isso, a energia que pode ser diretamente obtida das condições locais e beneficiando-se da luz e do calor provenientes da radiação solar incidente, bem como da ventilação natural. O uso da luz solar, que implica em redução do consumo de energia elétrica para iluminação, condiciona o projeto arquitetônico quanto à sua orientação espacial, quanto às dimensões das janelas e suas propriedades ópticas, altura do teto, etc. Por outro lado, a administração do calor proveniente do Sol é conseguida pela alteração da orientação espacial da edificação e pela seleção dos materiais adequados (isolantes ou não, conforme as condições climáticas) para paredes, vedações e coberturas, dentre outros fatores. A arquitetura bioclimática não se restringe a características arquitetônicas adequadas. Preocupa- se, também, com o rendimento dos equipamentos e sistemas que são necessários ao uso da edificação (aquecimento de água, circulação de ar e de água, iluminação, conservação de alimentos, etc.) e com o uso de materiais de conteúdo energético tão baixo quanto possível. 1.2 — Energia Solar Fotovoltaica A energia solar fotovoltaica é a energia obtida através da conversão direta da luz em eletricidade (Efeito Fotovoltaico), sendo a célula fotovoltaica, um dispositivo fabricado com material semicondutor, a unidade fundamental desse processo de conversão. As principais tecnologias aplicadas na produção de células e módulos fotovoltaicos são classificadas em três gerações. A primeira geração é dividida em duas cadeias produtivas: silício monocristalino (m-Si) e silício policristalino (p-Si), que representam mais de 85% do mercado, por ser ? Módulo fotovoltaico é uma unidade básica, formada por um conjunto de células fotovoltaicas, interligadas eletricamente e encapsuladas, com o objetivo de gerar energia elétrica, e se constitui na unidade comercial do gerador fotovoltaico. Ver item 3.4. 50 considerada uma tecnologia consolidada e confiável, e por possuir a melhor eficiência comercialmente disponível. A segunda geração, comercialmente denominada de filmes finos, é dividida em três cadeias produtivas: silício amorfo (a-Si), disseleneto de cobre e índio (CIS) ou disseleneto de cobre, índio e gálio (CIGS) e telureto de cádmio (CdTe). Esta geração apresenta menor eficiência do que a primeira e tem uma modesta participação do mercado, competindo com a tecnologia c-Si. Existem dificuldades associadas à disponibilidade dos materiais, vida útil, rendimento das células e, no caso do cádmio, sua toxicidade, que retardam a sua utilização em maior escala. A terceira geração, ainda em fase de Pesquisa e Desenvolvimento (P&D), testes e produção em pequena escala, é dividida em três cadeias produtivas: célula fotovoltaica multijunção e célula fotovoltaica para concentração (CPV — Concentrated Photovoltaics), células sensibilizadas por corante (DSSC — Dye-Sensitized Solar Cell) e células orgânicas ou poliméricas (OPV — Organic Photovoltaics). A tecnologia CPV, por exemplo, demonstrou ter um potencial para produção de módulos com altas eficiências, embora o seu custo ainda não seja competitivo com as tecnologias que atualmente dominam o mercado. A Figura 1.2 apresenta a evolução da eficiência das células fotovoltaicas verificada no período de 1990 a 2010, mostrando a melhor eficiência obtida para células de pequena área (0,5 a 5,0 cm?) fabricadas em laboratório, usando diferentes tecnologias. Células multijunção para concentração (TI-V MJ Conc)* foram fabricadas com dupla junção até 1995 e, posteriormente, com junções triplas. Na Figura 1.2, a eficiência da célula a-Si MJ (multijunção com silício amorfo) refere-se ao valor já estabilizado após exposição prolongada à luz. é Denominação genérica das tecnologias de silício cristalino, m-Si e p-Si. * Células com Concentradores Multijunção, também conhecidas por II-V MJ Conc, utilizam na sua fabricação semicondutores dos antigos grupos HI e V da tabela periódica. 51 as 40 se = III-V MJ Conc ma —E- mSi e 30 dm p-Si o 25 o e S 20 cIGs o sas Hiei a pp —— , —s— a-Si MJ 5 fem DSSC o“ . . 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 Ano Figura 1.2 - Desenvolvimento das células fotovoltaicas. Fonte: Adaptada de (GREEN et al., 2011). Um desafio paralelo para a indústria é o desenvolvimento de acessórios e equipamentos complementares para sistemas fotovoltaicos, com qualidade e vida útil comparáveis às dos módulos (fabricantes de módulos de silício cristalino garantem os seus produtos por 25 anos). Sistemas de armazenamento de energia e de condicionamento de potência têm sofrido grandes avanços no sentido de aperfeiçoamento e redução de custos, embora ainda não tenham atingido o grau de desenvolvimento desejado. 1.2.1 História e situação atual da energia solar fotovoltaica no mundo Os principais eventos associados ao desenvolvimento dos equipamentos de conversão da energia solar fotovoltaica podem ser visualizados na Figura 1.3. O efeito fotovoltaico, primeiramente descoberto por Edmond Becquerel, em 1839, implica no aparecimento de uma diferença de potencial nos terminais de uma célula eletroquímica causada pela absorção de luz. Em 1876 foi concebido o primeiro aparato fotovoltaico advindo dos estudos da física do estado sólido e, apenas em 1956, iniciou-se a produção industrial, seguindo o crescimento da área de eletrônica. Inicialmente, o desenvolvimento da tecnologia apoiou-se na busca, por empresas do setor de telecomunicações, de fontes de energia para sistemas instalados em localidades remotas. O segundo agente impulsionador foi a chamada “corrida espacial”. A célula fotovoltaica era, e continua sendo, o meio mais adequado (menor custo, peso e segurança) para fornecer a quantidade de energia necessária para longos períodos de alimentação de equipamentos eletroeletrônicos no espaço. 52 40 35 30 25 =z2 15 G 10 5 0 add 1995 1996 1997 1998 1999 2000/2001 2002 2003 2004 2005 2008 2007 2008/2009 2010 2011 2012) Ano 0,08 0,09 /0,13 /0,16 0,20 0,28 0,37 0,54 0,75 1,19 1,78 2,45 3,81 7,13 11,4024,2037,1036,20 GW Figura 1.4 - Produção mundial de células fotovoltaicas. Fonte: Modificado de (Roney 2013). A Figura 1.5 apresenta a potência instalada em sistemas fotovoltaicos no mundo no período de 2000 a 2012. O maior mercado de módulos fotovoltaicos tem sido a Alemanha, seguida da Itália, sendo que, apenas na Europa, encontram-se instalados aproximadamente 74% da produção mundial. Em 2011, a energia elétrica produzida pelos sistemas fotovoltaicos correspondeu a 2% do consumo europeu, com destaque para a Itália, onde este número foi da ordem de 5%. Na última década, a potência instalada em sistemas fotovoltaicos nos países europeus somente foi menor que a instalada em centrais eólicas e a gás natural. Depois da Europa, os maiores mercados para sistemas fotovoltaicos estão no Japão e nos Estados Unidos. Vale ressaltar que, até 2012, a potência instalada acumulada global superou os 100 GWp, sendo 32,3 GWPp na Alemanha e 16 GWp na Itália. 55 120.000 100.000 Ê 80.000 71081 = 60.000 40.000 20.000 —.... AB229 Es : 6.946 1400 1.765 2820 3 4 T T EE T T na T T 2000 * 2001" 2002 ! 2003 * 2004 ! 2005 * 2006 "2007 ! 2008 ' 2009 ! 2010 ! 2011! 2012 E Outros Países 751 807 1.226 1.306 EB oriente Médio e África n/a na na 3 25 E china E Américas EE Ásia-pacífico 2.096 E Europa 396 508 1.305 2.280 3.281 5.910 11.020 16.850 Total 1.400 1.765 2.235 2.820 3.952 5.364 6.946 9.521 16.220 23.605 40.670 71.061 102.156 MWp Figura 1.5 - Evolução da potência instalada em sistemas fotovoltaicos no mundo. Fonte: (EPIA, 2013). Outros mercados estão surgindo, principalmente na Ásia, podendo-se citar, dentre outros países, o expressivo crescimento verificado na China e na Índia, devido a políticas favoráveis, preços baixos de módulos fotovoltaicos e programas de eletrificação rural em larga escala. Na China, mais do que incentivar o uso da tecnologia através de programas governamentais, a política mais agressiva está voltada para a produção e exportação de células e módulos fotovoltaicos. A Figura 1.6 apresenta a distribuição percentual da produção mundial de células segundo o país ou região, em 2012. A China, que fabricou 23 GWp em módulos fotovoltaicos, deteve 64% da produção mundial desse ano. As indústri instaladas em países asiáticos, não necessariamente com tecnologia desenvolvida nacionalmente, dominam o mercado, com 85%. Em 2012, na Europa foram produzidos 11% dos módulos fotovoltaicos e nos Estados Unidos, 3%, mas deve-se observar que muitas empresas europeias e norte-americanas deslocaram suas fábricas para a Ásia, em busca de redução de custos de produção, em função da existência de uma cadeia produtiva estabelecida, mão de obra qualificada e barata, e incentivos por meio de fontes de financiamento para implantação de fábricas. O gráfico da Figura 1.6 mostra os principais países fabricantes de módulos fotovoltaicos do mundo em 2012. 56 Japão, 1.941 MWp, 5% - Outros Países, 445 MWp, 1% Europa, 3.743 MWp, 11% EUA, 953 MWp, 3% Outros Países da Ásia, 5.858 MWp, 16% China, 23.005 MWp, 64% Figura 1.6 - Distribuição da produção mundial de células fotovoltaicas em 2012. Fonte: (GTM RESEARCH, 2013) O custo das células fotovoltaicas é, ainda hoje, um grande desafio para a indústria e o principal empecilho para a difusão dos sistemas fotovoltaicos em larga escala. No entanto, a tecnologia fotovoltaica está se tornando cada vez mais competitiva, em razão, tanto dos seus custos decrescentes, quanto dos custos crescentes das demais formas de produção de energia, inclusive em função da internalização de fatores que eram anteriormente ignorados, como a questão dos impactos ambientais. No final de 2013, para venda em maior escala, o preço do módulo fotovoltaico de c-Si encontrava-se em cerca de 0,60 €/Wp na Europa, de 0,65 US/Wp nos EUA e menos de 3 R$/Wp no Brasil. 1.2.2 — Breve histórico da energia solar fotovoltaica no Brasil O território brasileiro recebe elevados índices de irradiação solar, quando comparado com países europeus, onde a tecnologia fotovoltaica é disseminada para a produção de energia elétrica. Constata- se, entretanto, que o avanço tecnológico no Brasil tem passado por fases de crescimento, bem como por períodos de várias dificuldades. Nos anos 50, iniciou-se o desenvolvimento de módulos fotovoltaicos no Instituto Nacional de Tecnologia (INT) e no Centro Tecnológico de Aeronáutica (CTA) — hoje Centro Técnico Aeroespacial, sendo realizado, em 1958, o Primeiro Simpósio Brasileiro de Energia Solar. O início do desenvolvimento de células fotovoltaicas de silício cristalino na Universidade de São Paulo (USP) teve por base o conhecimento em microeletrônica. As atividades foram focadas no desenvolvimento de lingotes de silício monocristalino com o método Czochralski (Si-Cz), que, utilizados para a fabricação de células fotovoltaicas, resultaram em dispositivos com eficiência da ordem de 12,5%. O desenvolvimento de tecnologias de filmes finos começou na década de 1970, no Instituto Militar de Engenharia (IME), localizado no Rio de Janeiro, com colaboração internacional. Foi montada uma linha completa para processamento de células fotovoltaicas de Cu,S/CdS (sulfeto de 57 2) o desenvolvimento de tecnologias em escala piloto para fabricação de células fotovoltaicas de silício cristalino e de módulos fotovoltaicos, incluindo uma análise técnico-econômica da sua produção em escala industrial. Atualmente, no Brasil há laboratórios e equipes de especialistas em universidades públicas e privadas, centros de pesquisa e empresas, atuando no desenvolvimento de tecnologias de purificação de silício, células e módulos fotovoltaicos, inversores e controladores de carga, bem como no estudo de aplicações dessas tecnologias. Porém, ainda não foi atingido o nível de aperfeiçoamento tecnológico dos países desenvolvidos nesta área e, portanto, esforços devem ainda ser realizados por todos os atores do setor. No que concerne às ações efetivas para aproveitamento da energia fotovoltaica, foram instalados diversos sistemas fotovoltaicos isolados e sistemas híbridos para fornecimento de energia em ilhas e localidades afastadas da rede elétrica em todo o território brasileiro. Em 1994, o Governo Federal, por meio do Ministério de Minas e Energia, criou um programa para promover a eletrificação rural, baseado principalmente nos sistemas fotovoltaicos, denominado Prodeem (Programa de Desenvolvimento Energético de Estados e Municípios), envolvendo universidades, centros de pesquisa, secretarias estaduais de energia e concessionárias federais e estaduais, através do qual foram adquiridos mais de 8.500 sistemas fotovoltaicos. No ano de 2002, a Aneel (Agência Nacional de Energia Elétrica) iniciou estudos para estabelecimento de regulamentação das especificações técnicas nec árias à instalação dos SIGFIs (Sistemas Individuais de Geração de Energia Elétrica com Fontes Intermitentes), destinados ao fornecimento de energia elétrica aos consumidores isolados da rede elétrica de distribuição, que resultou na publicação da Resolução Normativa nº 83/2004, posteriormente revogada e substituída pela Resolução Normativa nº 493/2012, a qual regulamenta também o fornecimento de energia por meio dos MIGDIs (Microssistemas Isolados de Geração e Distribuição de Energia Elétrica). Em 2003, foi instituído pelo Governo Federal o Programa Nacional de Universalização do Acesso e Uso da Energia Elétrica - Programa Luz para Todos (LpT), através do Decreto nº 4.873/2003, e alterado pelo Decreto nº 6.442/ 2008, que tem por objetivo prover o acesso à energia elétrica a todos os domicílios e estabelecimentos do meio rural. Os agentes executores do LpT são as concessionárias de energia, que podem utilizar recursos subsidiados no investimento dos sistemas de atendimento. O processo de universalização tem ocorrido majoritariamente por meio de extensão de rede, mas também contempla a instalação de sistemas fotovoltaicos. Neste contexto, milhares de SIGFIs foram instalados nos estados da Bahia e de Minas Gerais, pelas distribuidoras estaduais Coelba e Cemig, respectivamente. s0 Ainda no âmbito do LpT, a Eletrobras, em parceria com a agência alemã de cooperação técnica GIZ (Deutsche Gesellschaft fiir Internationale Zusammenarbeit, antiga GTZ) e a Eletrobras Distribuição Acre, desenvolveu um projeto piloto de implantação de 103 SIGFIs em uma reserva extrativista localizada no município de Xapuri, AC. Sistemas tipo MIGDIs também foram utilizados no âmbito do LpT pelas distribuidoras do Amazonas e do Pará , em parceria com a Eletrobras, para fornecimento de energia elétrica a comunidades ribeirinhas remotas. Em 2009, foi publicada a Lei nº 12.111 que dispõe sobre os serviços de energia elétrica nos Sistemas Isolados. Essa lei é um marco para a universalização do atendimento de energia elétrica pois autoriza a utilização de subsídio governamental para reembolsar o custo de geração, incluindo investimentos e custos de operação e manutenção, de qualquer sistema elétrico - e não mais só aqueles a base de combustíveis fós is - para atendimento de áreas isoladas ao SIN (Sistema elétrico Interligado Nacional). Com isso é assegurado recurso para a universalização mesmo com a extinção do Programa LpT em 2014. A Celpa e distribuidoras da Eletrobras elaboraram projetos para atendimento de algumas comunidades remotas com base unicamente em sistemas fotovoltaicos. Em 2013 o MME, com apoio do EPE, da Eletrobras e do Cepel, elaborou um relatório (em fase de revisão) intitulado “Especificações dos Projetos de Referência no âmbito do Programa Luz para Todos” com critérios para orientar as distribuidoras na elaboração de seus projetos para os leilões previstos na Lei nº 12.111 e que utilizem recursos de investimento do Programa LpT. Em maio de 2013 a Celpa efetuou o primeiro leilão de energia nestes termos, que resultou em fracassado pois os proponentes não conseguiram atestar a capacidade técnica requerida. A estimativa é que em 2014 a Celpa lance de novo o leilão e também a Eletrobras Amazonas Energia e a Eletrobras Distribuição Acre lancem os seus. Com o aumento do número de instalações de sistemas fotovoltaicos no país, o Inmetro (Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia) criou um grupo de trabalho (GT-FOT) para atuar nesta área, como parte do Programa Brasileiro de Etiquetagem (PBE), formado por especialistas de universidades e centros de pesquisa, representantes de órgãos públicos e de empresas privadas. O GT- FOT estabeleceu requisitos para a etiquetagem dos componentes utilizados em sistemas fotovoltaicos (módulos, inversores, controladores de carga e baterias), descritos no documento intitulado “Requisitos de Avaliação da Conformidade para Sistemas e Equipamentos para Energia Fotovoltaica”, publicado pela Portaria Inmetro Nº 4/2011, bem como identificou um conjunto de laboratórios habilitados a efetuar os ensaios. Atualmente, diversos componentes disponíveis no mercado nacional já se encontram etiquetados, conforme as tabelas disponibilizadas pelo Inmetro. Adicionalmente, para serem comercializados, tais equipamentos necessitam ainda do registro do Inmetro, conforme Resolução Conmetro nº 05, de maio de 2008. O COBEI (Comitê Brasileiro de Eletricidade, da ABNT) também criou um grupo técnico sobre sistemas fotovoltaicos que foi responsável pela elaboração, entre outras, das Normas NBR 16149 61 Sistemas Fotovoltaicos (FV) - Características da interface de conexão com a rede elétrica de distribuição e NBR 16150 Sistemas Fotovoltaicos (FV) - Características da interface de conexão com a rede elétrica de distribuição - procedimento de ensaio de conformidade, com base nas normas TEC. Em dezembro de 2013, a norma “Sistemas fotovoltaicos conectados à rede — Requisitos mínimos para documentação, ensaios de comissionamento, inspeção e avaliação de desempenho” foi submetida à consulta pública (Projeto 03:082.01-005). Os primeiros sistemas fotovoltaicos conectados à rede elétrica foram instalados no Brasil no final dos anos 90 em concessionárias de energia elétrica, universidades e centros de pesquisa. A Chesf (Companhia Hidroelétrica do São Francisco) foi pioneira nesta área ao instalar um sistema fotovoltaico de 11 kWp em 1995, em sua sede em Recife, PE. Outros sistemas pioneiros foram instalados na USP (São Paulo, SP), na UFSC (Florianópolis, SC), na UFRGS (Porto Alegre, RS) e no Cepel (Rio de Janeiro, RJ). A regulamentação para sistemas fotovoltaicos conectados à rede de distribuição, associados a unidades consumidoras, foi definida em 2012 pela Aneel, a partir da publicação da Resolução Normativa nº 482/2012, que trata da micro e mini geração distribuída, correspondendo, respectivamente, a potências iguais ou inferiores a 100 kWp, e superiores a 100 kWp até 1 MWp. A regulamentação prevê o sistema de compensação de energia elétrica, de acordo com o qual é feito um balanço entre a energia consumida e a gerada na unidade consumidora (modelo net metering). No que se refere à instalação de Usinas Fotovoltaicas (UFV) no Brasil, a primeira planta, um empreendimento da iniciativa privada com potência de | MWp, foi inaugurada em 2011 no Município de Tauá, CE. O Apêndice 3 apresenta alguns sistemas fotovoltaicos instalados no Brasil. Em 2011, a Aneel lançou a chamada no 13/2011 para um Projeto Estratégico de P&D, denominado “Arranjos Técnicos e Comerciais para Inserção da Geração Solar Fotovoltaica na Matriz Energética Brasileira”. No escopo desta chamada, foram selecionados 18 projetos de sistemas fotovoltaicos centralizados conectados à rede elétrica (UFVs), com potência instaladas na faixa de 0,5 MWp e 3 MWp, resultando numa potência instalada total de cerca de 24 MWp, com custo aproximado de R$ 400 milhões. A maioria dos projetos será executada pelas concessionárias de energia elétrica públicas e privadas localizadas em diferentes regiões do Brasil, com previsão para entrada em operação até 2015. Em novembro de 2013 ocorreu o primeiro Leilão de Energia (A-3) cujos empreendimentos de geração fotovoltaicos — com potência igual ou superior a 5MW - foram habilitados pelo EPE. O leilão foi destinado à compra de energia de novos empreendimentos de geração eólica, solar e termelétrica a biomassa ou a gás natural em ciclo combinado, para início de suprimento a partir de janeiro de 2016, com custo marginal de referência de R$ 126,00/MWh. Entretanto nenhum empreendimento 62 IRENA. Renewable energy technologies: Cost analysis Series. Solar Photovoltaics, Junho de 2012. 45 p. JRC European Comission. PV status report 2011. Research, solar cell production and market implementation of photovoltaics. Agosto de 2011. 123 p. Disponível em: <http://re.jrc.ec.europa.eu/refsys/>. LIMA, A.; CARVALHO, C.; OLIVIERI, M.; ROCHA, M.; KLAUS, W.:; BORGES, E.; SILVA, I; SOARES, Y. Brazilian policies to provide universal access to energy. Cancun, Mexico: 2013 ISES Solar World Congress, 3-7 November 2013. REN21. Renewables 2013 Global Status Report. Paris, França. 2013. RONEY, J. M. World Solar Power Topped 100,000 Megawatts in 2012. Compilado pelo Earth Policy Institute (EPD. Disponível em http://www .earth- policy.org/indicators/C47/solar power 2013. SCHACHINGER, M. Module price index. October 2013: New low price suppliers. PV Magazine. Disponível em http://www .pv-magazine.com/investors/module-price- index/Zaxzz2kSl6qcuO. Consultado em novembro de 2013. SCHMELA, M. A bullish PV year. Photon International, Março de 2003. p. 42-48. ZANESCO, 1; MOEHLECKE, A.; SOUZA, J. A.; ARAUJO, R. G.; BRAGA, J. F. P.; SELINKE, R. Desenvolvimento de planta piloto de produção de células fotovoltaicas e módulos fotovoltaicos com tecnologia nacional. Florianópolis, Brasil: XXI SNPTEE - Seminário Nacional de Produção e Transmissão de Energia Elétrica, 2011. p. 1-9. CAPÍTULO 2 RECURSO SOLAR E SE ni TI y y ), nb CAPÍTULO 2 - RECURSO SOLAR O Sol é a principal fonte de energia para a Terra. Além de ser responsável pela manutenção da vida no Planeta, a radiação solar constitui-se numa inesgotável fonte energética, havendo um enorme potencial de sua utilização por meio de sistemas de captação e conversão em outra forma de energia, como por exemplo, a térmica e a elétrica. 2.1-O Sol e suas Características O Sol é basicamente uma enorme esfera de gás incandescente, em cujo núcleo acontece a geração de energia através de reações termonucleares. Sua estrutura, apresentada na Figura 2.1, é composta pelas principais regiões: núcleo, zona radiativa, zona convectiva, fotosfera, cromosfera e coroa (ou às vezes chamada de corona). Fluxos subsuperficiais Zonal Radiativa Zonal Fotosfera Convectiva Dia Ao o dd Cromosfera Proeminência nm co: Figura 2.1 - Estrutura do Sol. Fonte: (http://theuniversalmatrix.com/pt-br/artigos/wp-content/uploads/2011/12/Sol- Estrutura-Interna.png) O núcleo, com temperatura de cerca de 15 milhões de kelvin, é a região mais densa e onde a energia é produzida por reações termonucleares. Logo acima se encontra a zona radiativa, onde a energia produzida no núcleo é transferida para as regiões superiores através da radiação. A zona convectiva possui este nome em função dos processos de convecção que dominam o transporte de energia das regiões mais internas do Sol para a superfície solar. 67 23/03 Trópico de Capricórmio na + Trópico de Câncer nn 21/06 Solstício de Verão Equinócio de primavera $ (b) Figura 2.2 (a) e (b) — Órbita da Terra em torno do Sol, com seu eixo N-S inclinado de um ângulo de 23,45º, indicando as estações do ano no hemisfério Sul. Na Figura 2.2 (b) é possível observar a variação da duração dos dias ao longo do ano para uma determinada localidade, resultante da inclinação do eixo da Terra. Verificam-se dias mais longos, por exemplo, em localidades no hemisfério Sul, no solstício de verão e dias mais curtos no solstício de inverno. No Equador terrestre a duração dos dias é sempre igual e nas suas proximidades as variações são pequenas ao longo do ano. É possível também observar que nos equinócios, as durações dos dias são as mesmas para qualquer localidade. Considerando-se as convenções para a declinação solar e a latitude, positivas ao Norte e negativas ao Sul do Equador, a diferença entre a declinação e a latitude determina a trajetória do movimento aparente do Sol para um determinado dia em uma dada localidade na Terra. A declinação solar pode ser calculada utilizando-se a Equação 2.1. 360 sen(6) = —sen(23,45) cos [ 365,25 ke + 19 (2.1) onde n representa o dia juliano, contado de 1 a 365 a partir de 1 de janeiro (i.e. 01l/jan> n = 1; 02/jan> n=2:...;3l/dez> n= 365). O termo “radiação solar” é usado de forma genérica e pode ser referenciado em termos de fluxo de potência, quando é especificamente denominado de irradiância solar, ou em termos de energia por unidade de área, denominado, então, de irradiação solar. Existem diversas unidades para se representar valores de radiação solar. A Tabela 2.2 mostra algumas destas unidades e os fatores de conversão. 70 Tabela 2.2 - Unidades para a radiação solar (irradiância e irradiação) e fatores de conversão convert Multiplique por: cal/em min Wim? 697,8 Wim? cal/em?.min 0,0014331 Wim? mcal/cm?.s 0,023885 MJ/m?.dia kWh/mí dia 0.27778 Langley/dia kWh/mê dia 0,01163 cal/em? Jem? 4,1868 cal/em? kWh/m? 0,01163 Jem” cal/em? 0.23885 Jem” kWh/m? 0,0027778, kWh/m? cal/em? 85,985 kWh/m? Jem” 360 Langley cal/em? 1 A irradiância solar que atinge a Terra, no topo da camada atmosférica, é denominada irradiância extraterreste. A constante solar (19) é definida como o valor da irradiância extraterrestre que chega sobre uma superfície perpendicular aos raios solares na distância média Terra-Sol, e tem valor aproximado de 1.367 W/m? (adotado pelo WRC — World Radiation Center). A excentricidade da elipse que descreve a trajetória da Terra em torno do Sol resulta em uma variação no valor da irradiância extraterrestre ao longo do ano. A Figura 2.3 mostra o comportamento anual da irradiância extraterrestre, ou irradiância extraterrestre efetiva (10,7) Irradiância Extraterrestre Efetiva Ly=h [1+0.033c06[. 360. 1) » 36525 ) 1.440 1.410 2 W/m” 1.320 1.290 T T T T T T T tan 22/fev 14/abr Sijun 27/jul 17/set 8/nov 30/dez Dias do ano Figura 2.3 — Variação da irradiância solar extraterrestre (19.9) ao longo do ano. Verifica-se na Figura 2.3 que o valor mínimo de 10, é de aproximadamente 1.322 Wim? (afélio) e encontra-se próximo do solstício de inverno para o hemisfério Sul, e o valor máximo de mn aproximadamente 1.412 Wim? (periélio) próximo ao solstício de verão. Nesta figura também é apresentada uma equação para o cálculo do 19,7 em função da constante solar (19), e do dia juliano (n). Ângulos da Geometria Solar As relações geométricas entre os raios solares, que variam de acordo com o movimento aparente do Sol e a superfície terrestre, são descritas através de vários ângulos, os quais estão apresentados na Figura 2.4 e definidos a seguir: - Ângulo Zenital (6): ângulo formado entre os raios do Sol e a vertical local (Zênite). - Altura ou Elevação Solar (o): ângulo compreendido entre os raios do Sol e a projeção dos mesmos sobre o plano horizontal (horizonte do observador). Verifica-se que os ângulos mencionados acima são complementares (Figura 2.4 (a)), ou seja: (O + = 90º). - Ângulo Azimutal do Sol (%): também chamado azimute solar, é o ângulo entre a projeção dos raios solares no plano horizontal e a direção Norte-Sul (horizonte do observador). O deslocamento angular é tomado a partir do Norte (0º) geográfico", sendo, por convenção, positivo quando a projeção se encontrar à direita do Sul (a Leste) e negativo quando se encontrar à esquerda (a Oeste). -180º < x < 180º - Ângulo Azimutal da Superfície (7): ângulo entre a projeção da normal à superfície no plano horizontal e a direção Norte-Sul. Obedece às mesmas convenções do azimute solar. - Inclinação da superfície de captação (/): ângulo entre o plano da superfície em questão e o plano horizontal [0º 90º]. - Ângulo de incidência (9): ângulo formado entre os raios do Sol e a normal à superfície de captação. ! Também denominado de Norte verdadeiro por alguns autores. 72 Ga 8z (a) (b) Figura 2.5 — (a) Irradiância direta incidente sobre uma superfície horizontal; (b) Irradiância direta incidente sobre uma superfície inclinada. Hora solar e hora oficial Os cálculos em energia solar são baseados na hora solar, a qual é definida pelo ângulo horário («), conforme descrito anteriormente. Para a conversão da hora oficial, também chamada de hora civil (a do relógio), em hora solar, considera-se, como primeira etapa, a diferença de longitudes entre o meridiano do observador e o meridiano padrão no qual a hora oficial está baseada; a segunda etapa é dada pela Equação do Tempo (E), que é uma correção relacionada a dois fatores principais, a inclinação do eixo da Terra com relação ao plano da sua órbita (eclíptica) e a excentricidade da órbita da Terra (5). A Equação 2.8 fornece a diferença entre hora solar e hora oficial (em minutos). Hora solar - Hora oficial = ML, -L, )J+E (2.8) onde Ls e Lic representam a longitude padrão do fuso e a longitude local, respectivamente, o fator 4 é utilizado para converter os valores de longitude (em graus) para tempo (em minutos). O parâmetro E é o valor resultante da Equação do Tempo (apresentada na Equação 2.9), sendo fornecido em minutos. A Figura 2.6 mostra a variação da Equação do Tempo ao longo do ano. E = (0,000075 + 0,001868cosf2 — 0,032077senf — 0,014615cos20 —0,04089sen2) - (229,18) (2.9) onde, M=2m(n-1)/365 (2.10) sendo n o dia juliano. 75 Variação da Equação do Tempo 20 TELA E EA TEA . AN 5 E o f VTN mil é EMA Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Minutos Meses Figura 2.6 — Equação do tempo ao longo do ano. Verifica-se que o maior valor positivo de E é em torno de 16 minutos, entre outubro e novembro, e o maior valor negativo é 14 minutos em fevereiro (Figura 2.6). Embora as diferenças devidas à Equação do Tempo sejam relativamente pequenas, as diferenças entre hora oficial e hora solar podem ser bastante significativas dependendo da diferença entre os meridianos local, e padrão (Equação 2.8). 2.3 — Radiação Solar sobre a Terra Como mencionado anteriormente, a densidade média anual do fluxo energético proveniente da radiação solar (irradiância solar), quando medida num plano perpendicular à direção da propagação dos raios solares no topo da atmosfera terrestre recebe o nome de “constante solar” e corresponde ao valor de 1.367 Wim), Considerando que o raio médio da Terra é 6.371 km, e considerando o valor da irradiância de 1.367 W/m? incidindo sobre a área projetada da Terra, conclui-se que a potência total disponibilizada pelo Sol à Terra, no topo da atmosfera, é de aproximadamente 174 mil TW (terawatts). Observações periódicas feitas a partir do espaço permitem análises mais qualitativas dos fluxos de energia na Terra. Trenberth et al. (2009) atualizaram o diagrama de fluxo de potência global (Figura 2.7), com base em medições de março de 2000 a novembro de 2005. Segundo esse diagrama, cerca de 54 % da irradiância solar que incide no topo da atmosfera, é refletida (7 %) e absorvida (47 %) pela superfície terrestre (os 46 % restantes são absorvidos ou refletidos diretamente pela atmosfera). Ou seja, da potência total disponibilizada pelo Sol à Terra, cerca de 94 mil TW chegam efetivamente à superfície terrestre. 76 Irradiância solar Irradiância solar 239 refletida Irradiância (entrada) de onda longa 101,9 341,3 (saída) 238,5 Refletida por nuvense Janela tmosfera atmosferica Radiação Refletida Térmicas 17 80 das Absorvida pela ici [Ea Radiação de 333 PIE PORT PI TDEPS- A] superfície Absorvida pela PTN Absorvido 0,9 Figura 2.7 - Fluxo de potência global (em W/m?). O valor da irradiância solar incidente no topo da atmosfera aqui apresentado é um fluxo médio anual recebido ao longo das 24 horas de um dia (341,3 Wim?) no topo da atmosfera. Fonte: (Trenberth et al., 2009). O consumo mundial de energia primária no ano de 2011 foi cerca de 143 mil TWh, então, no intervalo de duas horas a quantidade de energia solar recebida na superfície terrestre (multiplicando 94 mil TW por duas horas, resultando em 188 mil TWh) é superior ao consumo energético anual da humanidade. Considerando a radiação solar que chega à superfície terrestre e incidente sobre uma superfície receptora para geração de energia, tem-se que ela é constituída por uma componente direta (ou de feixe) e por uma componente difusa. A radiação direta é aquela que provêm diretamente da direção do Sol e produz sombras nítidas. A difusa é aquela proveniente de todas as direções e que atinge a superfície após sofrer espalhamento pela atmosfera terrestre. Mesmo num dia totalmente sem nuvens, pelo menos de 20 % da radiação que atinge a superfície é difusa. Já em um dia totalmente nublado, não há radiação direta, e 100 % da radiação é difusa. Notadamente, se a superfície estiver inclinada com relação à horizontal, haverá uma terceira componente refletida pelo ambiente do entorno (solo, vegetação, obstáculos, terrenos rochosos, etc.). O coeficiente de reflexão destas superfícies é denominado de “albedo”. A Tabela 2.3 apresenta valores típicos de albedo para diferentes tipos de superfícies. 77 O material em suspensão na atmosfera (particulado) e as nuvens também causam espalhamento da luz, mas de forma igual para todos os comprimentos de onda (espalhamento de Mie), ou seja, espalham a luz branca. As perdas do fluxo de potência entre o espectro da irradiância incidente no topo da atmosfera e o espectro da irradiância global que atinge a superfície inclinada citada são de aproximadamente 27 %, resultando em cerca de 1.000 W/m? incidentes sobre a referida superfície, cabendo ri altar que este nível de irradiância é considerado como valor padrão para a especificação da potência nominal de uma célula ou de um módulo fotovoltaico. 2,00 1,75 1,50 1,25 1,00 0,75 Irradiância espectral (W/m?/nm) — Irradiância espectral no topo da atmosfera 0,50 Irradiância espectral global inclinada 005 — Irradiância espectral direta + circunsolar 0,00 250 500 750 1.000 1.250 1.500 1.750 2.000 2.250 2.500 2.750 3.000 3.250 3.500 3.750 4.000 Comprimento de onda (nm) Figura 2.9 - Distribuição espectral da irradiância no topo da atmosfera; da irradiância ao incidir perpendicularmente sobre uma superfície inclinada (37º) ao nível do mar e voltada para a linha do Equador; da irradiância após atravessar uma massa de ar de 1,5. Fonte: [NREL, 2012]. 2.3.1 - Distribuição da irradiação solar média diária no mundo A Figura 2.10 mostra a distribuição espacial da irradiância solar média anual (Wim?) que incide sobre a superfície da Terra. Esses dados foram estimados a partir de imagens de satélites meteorológicos obtidos no período de 1990 a 2004. Para obter, a partir destes dados, a irradiação solar na base temporal diária média anual, em KWh/m?.dia, deve-se multiplicar por 24h. Esse mapa é particularmente útil para os profissionais envolvidos no desenvolvimento e aplicação de tecnologias para converter energia solar em eletricidade. Os projetos de sistemas 80 fotovoltaicos normalmente exigem uma irradiação de no mínimo 3 a 4 kWh/(m2 dia) (125 a 166 W/m? no mapa), valores estes disponíveis para quase todas as áreas entre os trópicos. O valor da irradiação solar incidente em um plano orientado na direção do Equador e com uma inclinação igual à latitude local permite calcular a energia elétrica que pode ser convertida por um sistema fotovoltaico fixo instalado nessas condições. As Figuras 2.11 e 2.12 apresentam mapas mostrando a irradiação média anual do Brasil e de países da Europa. Pode-se observar como o potencial disponível no Brasil é maior quando comparado com países da Europa, onde a conversão fotovoltaica já é utilizada largamente. Além do tamanho do país, observa-se que em todo o território brasileiro há disponibilidade de irradiação solar equivalente ou melhor que nos países do Sul da Europa e superando países como, por exemplo, a Alemanha, país com capacidade instalada significativa de sistemas de geração fotovoltaica. 81 'SUND / Souuuy / sue! op sola sop “002 JOQuiSAON EZ “uamonpoid jo EM USIONT “SUNQ4ST O AM MAMMA IA SE A EAD A DA A A A A A A A A A A A A DDD 0008! 300.00 3000 30000 3.000 20008 200.00 30000 30000 000 MOO MODO MODOS MODOS MOGO MOBO MODO MOO! 00.081 +00Z-066L UOneIpey Jejos pobeJosay Figura 2.10 - Mapa mundial de irradiação solar em média anual. Fonte: (http://www .soda- D. for free.html is.com/eng/map/maps, 82 Organizadores: João Tavares Pinho Marco Antonio Galdino Grupo de Trabalho de Energia Solar - GTES CEPEL - DTE - CRESESB Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos Apresentação O Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos foi uma iniciativa do Grupo de Trabalho de Energia Solar (GTES), criado em 1992 a partir da necessidade de fomentar, discutir e difundir questões ligadas à tecnologia solar fotovoltaica no Brasil. Destinava- se a auxiliar o pessoal técnico envolvido com projetos de sistemas fotovoltaicos, tendo sido concebido de forma a atender a necessidade básica de se ter, à época, literatura sobre o assunto na língua portuguesa e em conformidade com a realidade brasileira. A versão original da publicação, editada em 1996, foi reproduzida na forma de apostila, tendo sido distribuídos, através de fotocópias, mais de mil exemplares em todo o país. Em 1999, o Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio de Salvo Brito (Cresesb), do Cepel, lançou a primeira edição da publicação na forma de livro, com conteúdo revisado e atualizado, cujo enfoque era, prioritariamente, voltado para aplicações de sistemas fotovoltaicos isolados de pequeno porte. Considerando, entretanto, o constante interesse na aquisição desta publicação, a grande evolução da tecnologia fotovoltaica no período de 1999 a 2014 e a crescente utilização de sistemas fotovoltaicos conectados à rede no Brasil, o Cepel/Cresesb dedicou-se, mais uma vez, a realizar uma reformulação completa do documento. É neste contexto que a nova edição do Manual traz muitas novidades. Com mais de 500 páginas, a publicação traça um histórico do caminho da energia fotovoltaica no Brasil, com exemplos de projetos instalados nos últimos anos. Juntamente com informações sobre o uso de sistemas fotovoltaicos conectados à rede, são incluídos tópicos relacionados às normas e regulamentos aplicáveis ao setor, além de aspectos econômicos. A partir da perspectiva de aumento do uso de sistemas fotovoltaicos de energia no país - seja como uma opção para atender aos desafios da universalização dos serviços de energia elétrica, seja como uma alternativa de geração distribuída conectada à rede elétrica convencional - esta nova edição do Manual, totalmente revisada, atualizada e ampliada, visa a promover uma melhor qualificação técnica dos profissionais envolvidos na área. Esta qualificação deve abranger os conceitos básicos, o conhecimento das tecnologias atualmente empregadas, assim como a orientação para elaboração de projeto e os procedimentos de instalação e manutenção dos equipamentos. Com recursos do Ministério de Minas e Energia (MME), oriundos do Convênio de Cooperação Técnica e Financeira nº 721906/2009, esta publicação é resultado de um trabalho conjunto com a Universidade Federal do Pará (UFPA) tendo contado, também, com a colaboração de diversos professores e pesquisadores, de outras instituições, de reconhecida competência técnica na área. O MME espera, com esta iniciativa, estimular o desenvolvimento de formas sustentáveis de geração de energia, com baixa emissão de gases de efeito estufa, contribuindo, m, para a manutenção de uma matriz elétrica fortemente baseada em fontes renováveis. O MME e o Cepel têm a satisfação de publicar esta nova edição do Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos, documento já considerado um clássico da literatura fotovoltaica no Brasil, sendo visto como um valioso instrumento didático e de difusão de informação técnica especializada, voltado ao treinamento e à formação de pessoal qualificado na área de energia solar. Jorge Paglioli Jobim Diretor do Departamento de Desenvolvimento Energético do MME Ary Vaz Pinto Junior Chefe do Departamento de Tecnologias Especiais do Cepel SUMÁRIO LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS LISTA DE FIGURAS LISTA DE QUADROS E TABELAS GLOSSÁRIO CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO 1.1 — Energia solar térmica 1.2 — Energia solar fotovoltaica 1.2.1 — História e situação atual da energia solar fotovoltaica no mundo 1.2.2 — Breve histórico da energia solar fotovoltaica no Brasil 1.3 — Referências CAPÍTULO 2 - RECURSO SOLAR 2.1 O Sol e suas características 2.2 — Geometria Sol-Terra 2.3 — Radiação solar sobre a terra 2.3.1 — Distribuição da irradiação solar média diária no mundo 2.4 — Instrumentos de medição da radiação solar 2.5 — Potencial solar e sua avaliação 2.6 — Tratamento e análise dos dados solarimétricos 2.6.1 — Avaliação da qualidade dos dados medidos 2.6.2 — Tratamento dos dados primários e sua análise 2.7 — Bases de dados solarimétricos e programas computacionais 2.7.1 — Informações a partir de medições de superfície 2.7.2 — Informações a partir de medições por satélites 4.3.3.5 — Efeito da temperatura 4.3.3.6 — Sulfatação 4.3.3.7 — Hidratação 4.3.3.8 — Sedimentação 4.3.3.9 Água para baterias 4.3.4 — Baterias Níquel-Cádmio e Níquel-hidreto metálico 4.3.4.1 — Efeito da temperatura em baterias Ni-Cd 4.3.5 — Baterias Li-íon 4.3.6 — Características ideais para uso de baterias em sistemas fotovoltaicos isolados 4.3.7 — Transporte, descarte e reciclagem de baterias 4.3.8 — Salas de baterias 4.4 — Outros sistemas de armazenamento 4.5 — Controladores de carga 4.5.1 — Tipos de controladores de carga 4.5.2 — Detalhamento das características e funções de controladores de carga 4.5.3 — Controladores de carga baseados em tensão 4.5.4 — Controladores de carga baseados em estado de carga da bateria 4.5.5 — Carga em 3 estágios 4.5.6 — Controlador SPPM 4.5.7 — Registro do Inmetro 4.5.8 — Controladores de carga para outros tipos de baterias 4.6 — Inversores 4.6.1 — Classificação dos inversores 4.6.1.1 — Dispositivos semicondutores utilizados em inversores 4.6.1.2 — Inversores comutados pela rede (para SFCR) 4.6.1.3 — Inversores autocomutados 4.6.2 — Princípio de funcionamento dos conversores c.c.-c.a. 4.6.3 — Características dos inversores 4.6.4 — Inversores para SFCRs 4.6.5 — Critérios de qualidade de um inversor 4.6.6 — Registro do Inmetro 4.7 — Conversores c.c.-c.c. 4.8 — Seguimento do ponto de potência máxima (SPPM) 4.8.1- Algoritmos de seguimento do ponto de potência máxima 4.9 — Dispositivos de proteção, supervisão e controle, e aquisição e armazenamento de dados 4.9.1 — Proteção 4.9.2 — Supervisão e controle, aquisição e armazenamento de dados 4.9.2.1 — Sistema de coleta de dados operacionais (SCD) 4.10 — Referências CAPÍTULO 5 — APLICAÇÕES DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS 5.1 — Sistemas fotovoltaicos isolados 5.1.1 — Sistemas isolados individuais 5.1.2 — Sistemas isolados em minirrede 5.2 — Sistemas de bombeamento de água 5.2.1 — Tipos de bombas 5.2.1.1] — Bombas centrífugas 5.2.1.2 — Bombas volumétricas 5.2.2 — Tipos de motores 5.2.2.1] — Motores c.c. 5.2.2.2 — Motores c.a. 5.2.3 — Qualidade da água 5.3 — Sistemas de telecomunicações e monitoramento remoto 5.4 — Outras aplicações 5.4.1 — Proteção catódica 5.4.2 — Cerca elétrica 5.4.3 — Dessalinização da água 5.5 — Sistemas conectados à rede 5.5.1 — Micro e minigeração fotovoltaica 5.5.1.1] — Medição bidirecional de registros independentes 5.5.1.2 — Medições simultâneas 5.5.2 — Sistemas fotovoltaicos integrados a edificações 5.5.3 — Usinas fotovoltaicas (UFVs) 5.6 — Referências CAPÍTULO 6 — PROJETO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS 6.1 — Etapas preliminares de projeto de um sistema fotovoltaico 6.1.1 — Avaliação do recurso solar 6.1.2 — Localização 6.1.3 — Escolha da configuração 6.1.4 — Levantamento da demanda e do consumo de energia elétrica 6.1.4.1 — Estimativa da curva de carga 6.2 — Dimensionamento de sistemas fotovoltaicos isolados pelo método do mês crítico 6.2.1 — Projeto de sistemas isolados para geração de energia elétrica segundo a RN 493/2012 6.2.1.1 — SIGFI 6.2.1.2 - MIGDI 6.3 — Projeto de sistemas fotovoltaicos para bombeamento de água 6.3.1 — Estimativa de consumo de água 6.3.2 — Dimensionamento do sistema de geração 6.4 — Projeto de sistemas fotovoltaicos conectados à rede 6.4.1 — Dimensionamento do gerador fotovoltaico 6.4.2 — Dimensionamento do inversor 6.4.3 — Compromisso entre forma e função dos SFCRs 6.5 — Projeto elétrico 8.6 — Manutenção de centrais fotovoltaicas 8.7 — Manutenção de sistemas fotovoltaicos de bombeamento de água 8.8 — Análise de dados de desempenho de um sistema fotovoltaico 8.9 — Referências APÊNDICE 1 - NORMAS E REGULAMENTOS APÊNDICE 2 — ASPECTOS ECONÔMICOS APÊNDICE 3 — EXEMPLOS DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS INSTALADOS NO BRASIL APÊNDICE 4 — ESPECIFICAÇÃO DE EQUIPAMENTOS PRINCIPAIS PARA SISTEMAS FOTOVOLTAICOS ISOLADOS E PLANILHAS AUXILIARES PARA DIMENSIONAMENTO APÊNDICE 5 — PLANILHA PARA INSPEÇÃO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS u-Si ABENS Abinee ABNT ACL ACR AM ANEEL a-Si BID BIG BIPV BOS BSF ca. cc. CBEE CBENS CB-Solar cce CCEE CCEI CDE cds CdTe Ceal LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS Micro-crystalline Silicon (Silício Microcristalino) Associação Brasileira de Energia Solar Associação Brasileira da Indústria Elétrica e Eletrônica Associação Brasileira de Normas Técnicas Ambiente de Contratação Livre Ambiente de Contratação Regulada Air Mass (Massa de Ar) Agência Nacional de Energia Elétrica Amorphous Silicon (Silício Amorfo) Banco Interamericano de Desenvolvimento Banco de Informações de Geração Building Integrated Photovoltaic (Sistema Fotovoltaico Integrado a Edificações) Balance of System (Balanço do Sistema) Back Surface Field (Campo Retrodifusor) Corrente Alternada Corrente Contínua Centro Brasileiro de Energia Eólica Congresso Brasileiro de Energia Solar Centro Brasileiro para Desenvolvimento da Energia Solar Fotovoltaica Conta de Consumo de Combustíveis Câmara de Comercialização de Energia Elétrica Contrato de Compra de Energia Incentivada Conta de Desenvolvimento Energético Sulfeto de Cádmio Telureto de Cádmio Companhia Energética de Alagoas (ou Eletrobras Distribuição Alagoas) Ceam CEB CEEE Celesc Celg Celpa Celpe Cemig Cepel Ceron Cesp CETEC-MG cIGS cIs CLP CNPq Coelba Coelce COFINS Copel Cosern CPFL CPV Cresesb c-Si cs csP CSTR Companhia Energética do Amazonas (ou Eletrobras Amazonas Energia) Central Energética de Brasília Companhia Estadual de Energia Elétrica Centrais Elétricas de Santa Catarina Companhia Energética de Goiás Centrais Elétricas do Pará Companhia Energética de Pernambuco Companhia Energética de Minas Gerais Centro de Pesquisas de Energia Elétrica Companhia Energética de Rondônia (ou Eletrobras Distribuição Rondônia) Companhia Energética de São Paulo Fundação Centro Tecnológico de Minas Gerais Disseleneto de Cobre, Índio e Gálio Disseleneto de Cobre e Índio Controlador Lógico Programável Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico Companhia de Eletricidade do Estado da Bahia Companhia Energética do Ceará Contribuição para o Financiamento da Seguridade Social Companhia Paranaense de Energia Companhia Energética do Rio Grande do Norte Companhia Paulista de Força e Luz Concentrated Photovoltaics (Fotovoltaica com Concentração) Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio de Salvo Brito Crystalline Silicon (Silício Cristalino) Current Source Inverter (Inversor de Fonte de Corrente) Concentrated Solar Power (Potência Solar Concentrada) Centro de Saúde e Tecnologia Rural IPCC ISO ISS LABSOL LED Li-ion LpT LSF LVD MBE MCT MIGDI MME MOCVD MODES MOSFET MPPT Intergovernmental Panel on Climate Change (Painel Intergovernamental de Mudanças Climáticas) International Standards Organization (Organização Internacional de Padrões) Imposto Sobre Serviços Laboratório de Energia Solar Light Emitting Diode (Diodo Emissor de Luz) Ton de Lítio Programa Luz para Todos Laboratório de Sistemas Fotovoltaicos Low Voltage Disconnect (Desconexão por Baixa Tensão) Molecular Beam Epitaxy (Epitaxia por Feixe Molecular) Ministério da Ciência e Tecnologia (atual Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovação - MCTI) Microssistema Isolado de Geração e Distribuição de Energia Elétrica Ministério de Minas e Energia Metalorganic Chemical Vapour Deposition (Deposição Química de Organometálicos em Fase Vapor) Modelos de Sistemas de Energia Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (Transistor de Efeito de Campo Metal-Óxido-Semicondutor) Maximum Power Point Tracking (na terminologia brasileira: Seguidor do Ponto de Potência Máxima - SPPM) m-Si MTE NaNicl NASA NBR NEA Mono-crystalline Silicon (Silício Monocristalino) Ministério do Trabalho e Emprego Cloreto de Níquel e Sódio National Aeronautics and Space Administration (Administração Nacional de Aeronáutica e Espaço) Norma Brasileira Núcleo de Energias Alternativas Nepa NiCd NiMH NOCT NR NREL n-Si O&M OLADE OPV OPzS OPzV Org. P&D P&O Pb-ácido PBE PCH PET Petrobras PIE PIS PRC Procel Prodeem Núcleo de Estudos e Pesquisas em Alimentação Níquel-Cádmio Hidreto Metálico de Npiquel Nominal Operating Cell Temperature (Temperatura Nominal de Operação da Célula) Norma Regulamentadora National Renewable Energy Laboratory (Laboratório Nacional de Energias Renováveis dos Estados Unidos da América) Nano-crystalline Silicon (Silício Nanocristalino) Operação e Manutenção Organização Latino Americana de Energia Organic Photovoltaics (Fotovoltaica Orgânica) Ortsfest Panzerplatte Spezial (Bateria Estacionária com Placas Tubulares, Eletrólito Fluido e Separadores Especiais) Ortsfest Panzerplatte Verschlossen (Bateria Estacionária com Placas Tubulares, Eletrólito em Gel e Válvula de Segurança) Organização Pesquisa e Desenvolvimento Perturb & Observe (Perturbar & Observar) Chumbo-ácido Programa Brasileiro de Etiquetagem Pequenas Centrais Hidrelétricas Tereftalato de polietileno Petróleo Brasileiro S.A. Produtor Independente de Energia Programa de Integração Social Plano de Revitalização e Capacitação do Prodeem Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica Programa de Desenvolvimento Energético de Estados e Municípios PRODIST p-Si PTU PUC-RS Pvc PvF PWM RAM RGR RMS RN SBFV SFCR SFD SFH SFI SFIE SFV Si-Cz Si-FZ SIGFI SIN SLI SNESF SONDA SPDA SPPM SSE Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica da Aneel Poli-crystalline Silicon (Silício Policristalino, ou Multicristalino) Programa do Trópico Úmido Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul Polyvinyl Chloride (Cloreto de Polivinila) Polyvinyl Fluoride (Fluoreto de Polivinila) Pulse Width Modulation (Modulação por Código de Pulso) Bateria Alcalina Recarregável de Manganês Reserva Global de Reversão Root Mean Square (Raiz Média Quadrática) Resolução Normativa Sistema de Bombeamento Fotovoltaico Sistema Fotovoltaico Conectado à Rede Sistema Fotovoltaico Domiciliar Sistema Fotovoltaico Híbrido Sistema Fotovoltaico Isolado Sistema Fotovoltaico Integrado a Edificação Sistema Fotovoltaico Silício por Czochralski Silício por Fusão Zonal Sistema Individual de Geração de Energia Elétrica com Fonte Intermitente Sistema Interligado Nacional Starting, Lighting, Ignition (Partida, Iluminação, Ignição) Simpósio Nacional de Energia Solar Fotovoltaica Sistema de Organização Nacional de Dados Ambientais Sistema de Proteção Contra Descargas Atmosféricas Seguidor do Ponto de Potência Máxima Surface Meteorology and Solar Energy (Meteorologia de Superfície e Energia Solar) LISTA DE FIGURAS CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO Figura 1.1 — Evolução do Mercado Brasileiro de Aquecimento Solar. Figura 1.2 — Desenvolvimento das células fotovoltaicas. Figura 1.3 — Representação dos eventos-chave no desenvolvimento das células fotovoltaicas. Figura 1.4 — Produção mundial de células fotovoltaicas. Figura 1.5 — Evolução da potência instalada em sistemas fotovoltaicos no mundo. Figura 1.6 — Distribuição da produção mundial de células fotovoltaicas em 2012. CAPÍTULO 2 — RECURSO SOLAR Figura 2.1 — Estrutura do Sol. Figura 2.2 — Órbita da Terra em torno do Sol, com seu eixo N-S inclinado de um ângulo de 23,45º, indicando as estações do ano no hemisfério Sul. Figura 2.3 — Variação da irradiância solar extraterrestre (19.7) ao longo do ano. Figura 2.4 — Ilustração dos ângulos &, a e js (representando a posição do Sol em relação ao plano horizontal) e da orientação de uma superfície inclinada em relação ao mesmo plano: ângulos 2, y, yse 0. Figura 2.5 — Irradiância direta incidente sobre uma superfície horizontal e Irradiância direta incidente sobre uma superfície inclinada. Figura 2.6 — Equação do tempo ao longo do ano. Figura 2.7 — Fluxo de potência global (em Wim). Figura 2.8 — Componentes da radiação solar. Figura 2.9 — Distribuição espectral da irradiância no topo da atmosfera; da irradiância ao incidir perpendicularmente sobre uma superfície inclinada (37º) ao nível do mar e voltada para a linha do Equador; e da irradiância após atravessar uma massa de ar de 1,5. Figura 2.10 — Mapa mundial de irradiação solar em média anual. Figura 2.11 — Mapa brasileiro de irradiação solar em média anual. Figura 2.12 — Mapa europeu de irradiação solar em média anual. Figura 2.13 — Piranômetro termoelétrico. Figura 2.14 — Piranômetro fotovoltaico. Figura 2.15 — Resposta espectral dos piranômetros. Figura 2.16 — Desenho esquemático de um pireliômetro. Figura 2.17 — Pireliômetro montado em um rastreador solar. Figura 2.18 — Banda de sombreamento com ajuste manual. Figura 2.19 — Disco de sombreamento com rastreamento em dois eixos. Figura 2.20 — Interface de utilização do programa RADIASOL2. Figura 2.21 — Médias mensais e anual da radiação solar média diária incidente sobre um coletor inclinado de 10ºN na região de Rio Branco. Figura 2.22 — Médias mensais e anual da radiação solar média diária incidente sobre um coletor inclinado de 10ºN na região de Manaus. CAPÍTULO 3 - CÉLULAS E MÓDULOS FOTOVOLTAICOS Figura 3.1 — Distribuição das tecnologias usadas na produção industrial de células fotovoltaicas. Figura 3.2 — Estrutura de bandas de energia em condutores, semicondutores e isolantes. Figura 3.3 — Geração de pares elétron-lacuna pela incidência de fótons no material semicondutor. Figura 3.4 — Níveis de energia em materiais tipo n e p. Figura 3.5 — Junção pn no escuro em equilíbrio térmico, mostrando a barreira de potencial (Vo) as correntes de difusão (Ly) e de deriva (ip) de portadores. Figura 3.6 — Estrutura básica de uma célula fotovoltaica de silício. Figura 3.7 — Corrente fotogerada na junção pn iluminada (célula fotovoltaica). Figura 3.8 — Fatores que limitam a eficiência de uma célula fotovoltaica. Figura 3.9 — Corrente elétrica em função da diferença de potencial aplicada em uma célula fotovoltaica de silício de 156 mm x 156 mm, sob condições-padrão de ensaio. Figura 3.10 — Circuito equivalente básico para uma célula fotovoltaica (modelo com um diodo). Figura 3.11 — Símbolo de módulo fotovoltaico. Figura 3.12 — Potência elétrica em função da tensão elétrica de uma célula fotovoltaica de silício cristalino de 156 mmx 156 mm, sob condições-padrão de ensaio. Figura 3.13 — Efeito da resistência série (Rs) na curva I-V de uma célula fotovoltaica, sendo todas as curvas para a mesma temperatura e irradiância (STC), considerando em aberto a resistência paralelo (Rç=59). Figura 3.14 — Efeito da resistência paralelo (Rp) na curva I-V de uma célula fotovoltaica, sendo todas as curvas para a mesma temperatura e irradiância (STC), considerando nula a resistência série (Rs=0). Figura 3.15 — Obtenção das resistências série e paralelo pela curva I-V de uma célula. Figura 3.16 — Curvas 1-V de duas células fotovoltaicas de silício cristalino conectadas em série e em paralelo. Figura 3.17 — Influência da variação da irradiância solar na curva característica I-V de uma célula fotovoltaica de silício cristalino na temperatura de 25 ºC. Figura 3.18 — Influência da temperatura da célula fotovoltaica na curva 1-V (para irradiância de 1.000 Wi/m?, espectro AMI,5). Figura 3.19 — Estrutura básica de uma célula fotovoltaica de silício cristalino. Figura 3.20 — Célula fotovoltaica de silício cristalino. Figura 3.21 — Fabricação de tarugos (lingotes) de m-Si pelas técnicas de Float-Zone (FZ) e Czochralski. Figura 3.22 — Células m-Si coloridas; célula p-Si verde e dourada. Figura 3.23 — Esquema dos componentes de um módulo fotovoltaico com células de silício cristalino. Figura 3.24 — Degradação máxima de módulos, de acordo com 3 diferentes formas de garantia. Figura 3.25 — Vistas em corte de células fotovoltaicas de filmes finos. Figura 3.26 — Corte simplificado mostrando como é feita a definição das células fotovoltaicas, bem como sua conexão em série, em um módulo fotovoltaico de filme fino de a-Si. Figura 3.27 — Esquema simplificado de uma célula fotovoltaica com corante e eletrólito. CAPÍTULO 4 — COMPONENTES BÁSICOS DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS Figura 4.1 — Curva característica 1-V e curva de potência P-V para um módulo com potência nominal de 100 Wp. Figura 4.2 — Definição do fator de forma. Figura 4.3 — Efeito causado pela variação da irradiância solar sobre a curva característica I-V para um módulo fotovoltaico de 36 células de silício cristalino (c-Si) a 25 ºC. Figura 4.4 — Efeito causado pela variação da temperatura das células sobre a curva característica I-V para um módulo fotovoltaico de 36 células de silício cristalino (c-Si) sob irradiância de 1.000 Wim? Figura 4.5 — Modelo de etiqueta do Inmetro afixada nos módulos. Figura 5.3 — Sistema fotovoltaico conectado à rede. Figura 5.4 — Diagrama unifilar de um sistema fotovoltaico domiciliar em c.c. Figura 5.5 — Diagrama simplificado do sistema fotovoltaico domiciliar em c.c. Figura 5.6 — SFD no município Xapuri, na comunidade extrativista Dois Irmãos, no Acre. Figura 5.7 — Esquema unifilar de SFD com atendimento exclusivamente em c.c. Figura 5.8 — Esquema unifilar de SFD com atendimento c.c. e c.a. Figura 5.9 — SFD constituído por um único inversor alimentando todas as cargas da instalação. Figura 5.10 — Sistema MIGDI fotovoltaico da comunidade de Sobrado no Amazonas. Figura 5.11 — Diagrama esquemático de um sistema fotovoltaico de abastecimento de água. Figura 5.12 — Região de aplicação dos SBFVs. Figura 5.13 — Tipos de motobombas para SBFVs em função da profundidade e da vazão. Figura 5.14 — Configurações utilizadas para sistemas de bombeamento fotovoltaico. Figura 5.15 — Vista em corte de uma bomba centrífuga. Figura 5.16 — Corte de uma bomba tipo parafuso. Figura 5.17 — Diagrama expandido de uma bomba de deslocamento positivo tipo diafragma. Figura 5.18 — Proteção catódica com anodo galvânico. Figura 5.19 — Proteção catódica por corrente impressa (sistema com fonte elétrica convencional). Figura 5.20 — Perfil da tensão ao longo de uma tubulação protegida por um sistema de proteção catódica. Figura 5.21 — Diagrama de um sistema fotovoltaico para proteção catódica. Figura 5.22 — Diagrama genérico para cerca elétrica com alimentação fotovoltaica. Figura 5.23 — Esquema de dessalinização fotovoltaica por osmose reversa. Figura 5.24 — Sistema fotovoltaico instalado no estádio Pituaçu, BA. Figura 5.25 — Medição bidirecional de registros independentes com a utilização de um medidor bidirecional e com a utilização de dois medidores unidirecionais. Figura 5.26 — Medições simultâneas. Figura 5.27 — Sistemas de grande porte. Figura 5.28 — UFV Tanquinho. CAPÍTULO 6 —- PROJETO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS Figura 6.1 — Diagrama de blocos de sistemas fotovoltaicos isolados. Figura 6.2 — Diagrama de blocos de sistemas fotovoltaicos: Microgeração conectada à rede. Figura 6.3 — Exemplo de perfis de radiação solar diária com valores equivalentes de HSP. Figura 6.4 — Média mensal da irradiância global diária no plano horizontal para os períodos especificados - vila de São Tomé (Pará). Figura 6.5 — Exemplo de uma curva de carga de uma comunidade da Amazônia. Figura 6.6 — Exemplo de curva de carga estimada para uma dada localidade. Figura 6.7 — Configuração básica de um sistema fotovoltaico de abastecimento de água. Figura 6.8 — Níveis de interesse em um SBFV. Figura 6.9 — Exemplos de gráficos fornecidos por fabricantes para determinação da potência FV necessária para cada aplicação. Figura 6.10 — Taxa de desempenho (TD) de 527 SFCRs instalados na Europa ocidental entre 1991 e 2005. Figura 6.11 — Exemplos de cargas mecânicas impostas por três módulos FV distintos. Figura 6.12 — Curvas I-V de um gerador FV em função da temperatura e a compatibilidade, com as janelas de tensão do SPPM e de operação do inversor. Figura 6.13 — Gráfico de eficiência do inversor em função do nível de carga e da tensão de operação. Figura 6.14 — Planta Piloto do Megawatt Solar - Eletrosul - Florianópolis - 11,97 KWp. Figura 6.15 — Vista em planta da distribuição elétrica dos geradores fotovoltaicos da planta-piloto. Figura 6.16 — Sistema FV plano inclinado a 27 ºN, com 10,24 kWp, integrado ao Centro de Cultura e Eventos da UFSC (Sistema de referência). Figura 6.17 — Comparação da produtividade entre a Planta Piloto (subsistemas 1, 2 e 3) e o Sistema de Referência. CAPÍTULO 7 — INSTALAÇÃO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS E RECOMENDAÇÕES DE SEGURANÇA Figura 7.1 — Exemplo de placa de advertência de risco de choque elétrico. Figura 7.2 — Exemplo de placa de advertência de acesso restrito. Figura 7.3 — Exemplo de placa de advertência de risco de choque elétrico devido à geração própria de sistemas conectados à rede. Figura 7.4 — Fator de espaçamento versus latitude do local da instalação do gerador fotovoltaico. Figura 7.5 — Ilustração para definição do espaçamento mínimo entre gerador fotovoltaico e obstáculo, para evitar sombreamento. Figura 7.6 — Orientação da face dos módulos fotovoltaicos para o norte verdadeiro em um dado local no hemisfério Sul. Figura 7.7 — Exemplo de correção para uma declinação magnética local de 20º negativos. Figura 7.8 — Ângulo de inclinação dos módulos fotovoltaicos. Figura 7.9 — Exemplo de uma estrutura de sustentação de módulos fotovoltaicos. Figura 7.10 — Formas usuais de instalação de módulos fotovoltaicos. Figura 7.11 — Sistema fotovoltaico residencial instalado em localidade isolada do Rio Grande do Sul. Figura 7.12 — Detalhe de sistema de fixação em parede de residência. Figura 7.13 — Principais tipos de fundações utilizadas. Figura 7.14 — Fixação da estrutura no solo com fundação tipo bloco de cimento. Figura 7.15 — Fixação da estrutura diretamente no solo. Figura 7.16 — Geradores fotovoltaicos instalados sobre uma plataforma flutuante. Figura 7.17 — Sistema de ventilação de uma sala de baterias. Figura 7.18 — Detalhe de compartimento para baterias com orifícios na parte superior para ventilação. Figura 7.19 — Vista de baterias no interior de uma caixa especialmente construída para seu acondicionamento. Figura 7.20 — Abrigo de baterias bem ventilado e instalado na lateral de uma escola. Figura 7.21 — Abrigo de madeira devidamente ventilado e isolado e com tela para impedir a entrada de pequenos insetos e animais. Figura 7.22 — Armário de baterias. Figura 7.23 — Banco de baterias em MIGDI da Celpa, na Ilha de Araras (Marajó-PA). Figura 7.24 — Forma de conexão de banco de baterias. Figura 7.25 — Exemplos de controladores de carga e inversores instalados na parede da sala de controle. LISTA DE QUADROS E TABELAS CAPÍTULO 2 — RECURSO SOLAR Tabela 2.1 — Principais características do Sol. Tabela 2.2 — Unidades para a radiação solar (irradiância e irradiação) e fatores de conversão. Tabela 2.3 — Valores típicos de albedo para diferentes tipos de superfícies. CAPÍTULO 3 - CÉLULAS E MÓDULOS FOTOVOLTAICOS Tabela 3.1 — Bandas proibidas E, para diversos materiais semicondutores à temperatura de 300 K. Tabela 3.2 — Propriedades do silício à temperatura de 300 K e baixas concentrações de dopantes. Tabela 3.3 — Níveis de energia de ionização para impurezas utilizadas como dopantes tipos p e n em silício. Tabela 3.4 — Eficiência das melhores células fotovoltaicas fabricadas em laboratórios até 2012. Tabela 3.5 — Áreas ocupadas por de módulos de diferentes tecnologias. Tabela 3.6 — Eficiências de células fotovoltaicas coloridas. Tabela 3.7 — Normas e regulamentos sobre módulos fotovoltaicos. CAPÍTULO 4 — COMPONENTES BÁSICOS DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS Tabela 4.1 — Dados técnicos que constam na etiqueta do módulo. Tabela 4.2 — Dados técnicos adicionais que podem constar na folha de dados do módulo. Tabela 4.3 — Classes de eficiência de módulos fotovoltaicos no Brasil. Tabela 4.4 — Dados técnicos de catálogos de baterias recarregáveis disponíveis comercialmente. Tabela 4.5 — Densidade do eletrólito H>SOy (valores típicos a 25 ºC). Tabela 4.6 — Exemplos de resistências internas (Ri) de dois modelos de baterias sem manutenção. Tabela 4.7 — Tensões características de células e baterias de chumbo-ácido. Tabela 4.8- Redução da vida útil de baterias Chumbo-ácido tipo VRLA em função da temperatura média anual de operação. Tabela 4.9- Valores máximos admissíveis de impurezas em água para baterias. Tabela 4.10- Concentração máxima de impurezas permitida na água destilada e/ou deionizada. Tabela 4.11 — Tensões características de células e baterias de níquel-cádmio. Tabela 4.12-Exemplo de especificações para os pontos de ajuste um controlador de carga on-off baseado em tensão. Tabela 4.13 — Características de dispositivos semicondutores de chaveamento. Tabela 4.14 — Lógica de acionamento de uma ponte trifásica (6 tempos). Tabela 4.15 — Exemplo de especificações de potência de pico e de limitações térmicas da potência de um inversor. Tabela 4.16 — Comparação de características de inversores para conexão à rede com e sem transformador. CAPÍTULO 5 — APLICAÇÕES DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS Tabela 5.1 — Especificação dos SIGFIs, segundo RN Aneel 493/2012. Tabela 5.2 — Condutividade e salinidade das águas. Tabela 5.3 — Condutividade da água de poços na região Nordeste. Tabela 5.4 — Densidade de corrente para proteção catódica. CAPÍTULO 6 — PROJETO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS Tabela 6.1 — Exemplo de cálculo de consumo diário de energia (média semanal). Tabela 6.2 — Valores estimados de consumo médio mensal de alguns equipamentos elétricos. Tabela 6.3 — Exemplos de equipamentos elétricos que devem ser evitados ou proibidos em sistemas isolados de pequeno porte. Tabela 6.4 — Disponibilidades mensais de energia por unidade consumidora. Tabela 6.5 — Estimativa de consumo médio de água por uso final. Tabela 6.6 — Perda de carga em tubulações de PVC. Tabela 6.7 — Perdas de carga em conexões de PVC. Tabela 6.8 — Eficiências de SBFVs. Tabela 6.9 — Níveis de tensão considerados para conexão de micro e minicentrais geradoras. Tabela 6.10 — Requisitos mínimos em função da potência instalada. Tabela 6.11 — Principais características dos programas pesquisados e suas respectivas páginas na internet. CAPÍTULO 7 — INSTALAÇÃO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS E RECOMENDAÇÕES DE SEGURANÇA Tabela 7.1 — Normas nacionais recomendadas para consulta. Tabela 7.2 — Normas internacionais recomendadas para consulta. Tabela 7.3 — Vantagens e desvantagens das diferentes formas de instalação. Tabela 7.4 — Componentes de Proteção (chaves, disjuntores, DPS e fusíveis). CAPÍTULO 8 - OPERAÇÃO E MANUTENÇÃO Quadro 8.1 — Ações recomendadas em caso de acidente com ácido de baterias. Quadro 8.2 — Gerador Fotovoltaico. Quadro 8.3 — Baterias. Quadro 8.4 — Controladores de carga. Quadro 8.5 — Inversor. Quadro 8.6 — Cargas. Quadro 8.7 — Verificações típicas de sistemas de microgeração conectados à rede. Tabela 8.1 — Falhas típicas dos sistemas do programa alemão 1.000 Telhados. Tabela 8.2 — Recomendações de equipe e sistema de monitoramento em função do tamanho da central FV. Constante solar Controlador de carga Conversores c. Corrente alternada Corrente contínua Curva de carga Datalogger Declinação Magnética Declinação solar Demanda Densímetro Dessalinização Dessalinizador Diodo de bloqueio Diodo de desvio ou by- pass Efeito fotovoltaico Eletrificador Energia Energia cinética Irradiância solar incidente num plano perpendicular à direção de propagação no topo da atmosfera terrestre. Valor: 1.367 W/m?. Dispositivo responsável por regular e gerenciar o fluxo energético dos geradores fotovoltaicos para as baterias, bem como protegê-las de uma descarga profunda decorrente de um longo período sem geração. Em geral, utilizado como controlador de carga de baterias a partir da energia gerada por geradores fotovoltaicos. Corrente cuja polaridade e intensidade variam periodicamente no tempo. Corrente cuja polaridade e intensidade são constantes. Gráfico que mostra a evolução no tempo da quantidade de potência solicitada por uma carga ou um conjunto de cargas. Dispositivo eletrônico responsável pela aquisição e armazenamento de dados ao longo do tempo. Diferença entre a direção do Norte Verdadeiro e do Norte Magnético. Ângulo formado entre as linhas imaginárias do Equador e a que liga o centro da Terra ao Sol. Média das potências elétricas ativas ou reativas, solicitadas ao sistema elétrico pela parcela da carga instalada em operação na unidade consumidora, durante um intervalo de tempo especificado. Instrumento que indica o estado de carga da bateria por determinação da densidade do eletrólito. Retirada de sais da água salgada ou salobra, tornando-a doce e própria para o consumo humano. Equipamento que realiza a dessalinização da água. Conectados entre os módulos FV e as baterias para impedir que aqueles atuem como carga para as baterias em períodos onde não haja geração de energia. Esses diodos impedem, também, que, em um gerador FV, módulos operando em condições normais injetem correntes elevadas em grupos de módulos em condições de funcionamento anormais. Conectados em paralelo com os módulos para impedir que, em uma associação série, o mau funcionamento de um dos módulos (devido a defeitos de fabricação ou condições de sombreamento) influencie negativamente no desempenho de todo o gerador. Conversão direta da energia da luz (espectro visível) em energia elétrica. A célula fotovoltaica é o elemento que realiza esta conversão. Dispositivo que transforma um sinal de tensão em pulsos elétricos de alta intensidade e curta duração. Capacidade dos corpos de desenvolver uma força ou produzir um trabalho. Energia que está associada ao movimento. Energia elétrica Energia eólica Energia mecânica Energia solar Energia solar fotovoltaica Energia solar térmica Equador Equinócio Equipamentos de condicionamento de potência Equipotencialização Estação meteorológica Fiação ou cabeamento Fonte de energia Gerador fotovoltaico Grupo gerador diesel GW Horas de Sol Pleno Inclinômetro Inversor É a fonte de energia mais versátil e utilizada no mundo, estando presente em todos os usos energéticos finais. Energia cinética presente na deslocação do ar (vento) que pode ser convertida em energia mecânica para acionamento de bombas, moinhos e geradores de energia elétrica. Energia que pode ser usada diretamente para realização de trabalho, seja ela potencial ou cinética. Fonte primária de todas as fontes de energia. Conversão direta da energia solar radiante em energia elétrica corrente contínua. Conversão direta da energia solar radiante em calor utilizável. É a linha imaginária que divide o planeta em Hemisfério Norte e Hemisfério Sul, sendo equidistante dos pólos Norte e Sul. Momento em que o Sol, durante seu movimento aparente, cruza o plano do equador celeste. Os equinócios ocorrem duas vezes por ano: em setembro e em março. Os dias e noites são iguais em duração. Equipamentos cuja função principal é otimizar o controle geração/consumo visando ao aproveitamento ótimo do recurso solar, aliado à qualidade e continuidade na entrega da energia ao usuário. Procedimento que consiste na interligação de elementos da instalação, visando obter a equipotencialidade necessária para os fins desejados. Constituídas por uma série de sensores utilizados com a finalidade de realizar a monitoração continuamente, em intervalos de tempo predeterminados, das variáveis meteorológicas (vento, irradiância, temperatura, etc.). Conjunto de cabos ou fios destinados à distribuição da energia elétrica para um determinado fim. Recurso energético renovável ou não. Constituído por módulos fotovoltaicos em diferentes associações (série/paralela) e pelo cabeamento elétrico que os interliga, além de outros acessórios. Equipamento que utiliza o diesel como combustível para acionar uma máquina motriz, cuja energia mecânica do seu eixo é convertida em energia elétrica por um gerador. Unidade de potência usada para caracterização de equipamentos para resfriamento ou aquecimento. Número de horas por dia em que a radiação solar deve permanecer constante e igual a 1.000 W/m”. Instrumento usado para medir o ângulo de inclinação do gerador fotovoltaico. Dispositivo responsável pela conversão de uma tensão contínua (c.c.), proveniente dos geradores renováveis, ou do banco de baterias, para uma tensão alternada (c.a.), com amplitude e frequência determinadas. Eficiência Fator de dimensionamento de inversor Forma de onda Frequência Potência nominal Tensão de entrada Tensão de saída Irradiação difusa Irradiação direta Irradiação global Irradiação solar Irradiância extraterreste Irradiância solar LED Massa de ar Medidor bidirecional Medidor unidirecional Microgeração distribuída Microssistema isolado de geração e distribuição de energia elétrica Relação entre a potência de saída e a potência de entrada do inversor. Relação entre a potência nominal c.a. do inversor e a potência pico do gerador fotovoltaico (potência na condição padrão de teste). Tipificação do inversor segundo as características da forma de onda (quadrada, quadrada modificada ou senoidal). Frequência da tensão c.a. de saída do inversor, geralmente 50 ou 60 Hz. Potência que o inversor fornece à carga em regime contínuo. Função da potência nominal fornecida pelo inversor às cargas c.a. Regulada na maioria dos inversores, e sua escolha depende da tensão de operação das cargas c.a. Irradiação solar que atinge a superfície após sofrer espalhamento pela atmosfera terrestre Irradiação solar que incide diretamente sobre a superfície, sem sofrer qualquer influência. Quantidade resultante da soma da irradiações solares direta e difusa, e albedo. Energia incidente por unidade de superfície de um dado plano, obtida pela integração da irradiância durante um intervalo de tempo, normalmente uma hora ou um dia. Irradiância solar que atinge o topo da camada atmosférica da Terra. Potência radiante (radiação solar) incidente por unidade de superfície sobre um dado plano. Componente eletrônico constituído por um material semicondutor que quando submetido a uma determinada corrente elétrica emite luz. Efeito de uma atmosfera translúcida sob a luz do Sol. Dispositivo que registra a entrada e a saída de energia elétrica em uma unidade consumidora. Dispositivo que registra a entrada ou a saída de energia elétrica em uma unidade consumidora. Central geradora de energia elétrica, com potência instalada menor ou igual a 100 kW e que utilize fontes com base em energia hidráulica, solar, eólica, biomassa ou cogeração qualificada, conforme regulamentação da ANEEL, conectada na rede de distribuição por meio de instalações de unidades consumidoras. Sistema isolado de geração e distribuição de energia elétrica com potência instalada total de geração de até 100 kW. Vento Voltímetro Wp (watt-pico) Movimento do ar na atmosfera terrestre devido ao aquecimento heterogêneo provocado pela radiação solar nas diferentes regiões da superfície terrestre. Instrumento usado para medir a tensão elétrica. Unidade de potência de saída de uma célula, módulo ou gerador fotovoltaico, considerando as condições padrão de teste. CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO E SE UI ETF Ei [ = y y ), nb CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO O aproveitamento da energia gerada pelo Sol, inesgotável na escala terrestre de tempo, tanto como fonte de calor quanto de luz, é hoje uma das alternativas energéticas mais promissoras para prover a energia necessária ao desenvolvimento humano. Quando se fala em energia, deve-se lembrar de que o Sol é responsável pela origem de praticamente todas as outras fontes de energia na Terra. Em outras palavras, as fontes de energia são, em última instância, derivadas, em sua maioria, da energia do Sol. É a partir da energia do Sol que se dá a evaporação, origem do ciclo das águas, que possibilita o represamento e a consequente geração de eletricidade (hidroeletricidade). A radiação solar também induz a circulação atmosférica em larga escala, causando os ventos. Assim, também a energia eólica é uma forma indireta de manifestação da energia solar, já que os ventos se formam a partir da conversão da radiação solar em energia cinética, em função de um balanço diferenciado nas diferentes latitudes entre a radiação solar incidente e a radiação terrestre emitida. Petróleo, carvão e gás natural foram gerados a partir de resíduos de plantas e animais que originalmente obtiveram do recurso solar a energia necessária ao seu desenvolvimento. É também através da energia do Sol que a matéria orgânica, como a cana-de-açúcar, realiza a fotossíntese e se desenvolve para, posteriormente, ser transformada em combustível nas usinas. Entretanto, neste manual tratar-se-á apenas do que se pode chamar de energia solar direta. O Relatório Especial sobre Fontes Renováveis de Energia e Mitigação da Mudança Climática, publicado pelo IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change), agregou a energia solar direta em cinco grandes blocos: 1) solar passiva, onde se insere a arquitetura bioclimática; 2) solar ativa, onde se inserem o aquecimento e a refrigeração solares; 3) solar fotovoltaica, para produção de energia elétrica com e sem concentradores, sendo esta última o objeto deste manual; 4) a geração de energia elétrica a partir de concentradores solares térmicos para altas temperaturas e; 5) um processo inspirado na fotossíntese através do qual, em um reator alimentado por dióxido de carbono (CO»), água e metal ou óxido metálico, exposto à radiação solar, produz-se hidrogênio, oxigênio e monóxido de carbono. Neste caso, o hidrogênio seria o combustível solar a alimentar células a combustível, não mais produzido a partir de gás natural, mas da quebra da molécula da água através da luz solar. Ressalta-se que a técnica mencionada ainda não se mostrou eficiente na produção do combustível solar e continua em desenvolvimento. De forma mai: simplificada, para fins de engenharia, pode-se falar da energia solar térmica e energia solar fotovoltaica. Algumas formas de utilização da energia solar são apresentadas a seguir. 47 solar. Isso traz uma maior flexibilidade no despacho de energia elétrica, em comparação aos sistemas fotovoltaicos, além de maior eficiência no processo de conversão de energia e de uma gama de aplicação mais ampla. Outra vantagem é a possibilidade de integração com outras aplicações que necessitem de energia térmica. Um dos grandes desafios que se coloca para o segmento industrial solar térmico é a queda significativa dos preços dos módulos fotovoltaicos?, que tornam estes mais competitivos. Quanto à energia solar térmica passiva, a arquitetura bioclimática estuda formas de harmonizar as construções ao clima e características locais, pensando no homem que habitará ou trabalhará nesses ambientes, e tirando partido de correntes convectivas naturais e de microclimas criados por vegetação apropriada. Trata-se da adoção de soluções arquitetônicas e urbanísticas adaptadas às condições específicas (clima e hábitos de consumo) de cada lugar, utilizando, para isso, a energia que pode ser diretamente obtida das condições locais e beneficiando-se da luz e do calor provenientes da radiação solar incidente, bem como da ventilação natural. O uso da luz solar, que implica em redução do consumo de energia elétrica para iluminação, condiciona o projeto arquitetônico quanto à sua orientação espacial, quanto às dimensões das janelas e suas propriedades ópticas, altura do teto, etc. Por outro lado, a administração do calor proveniente do Sol é conseguida pela alteração da orientação espacial da edificação e pela seleção dos materiais adequados (isolantes ou não, conforme as condições climáticas) para paredes, vedações e coberturas, dentre outros fatores. A arquitetura bioclimática não se restringe a características arquitetônicas adequadas. Preocupa- se, também, com o rendimento dos equipamentos e sistemas que são necessários ao uso da edificação (aquecimento de água, circulação de ar e de água, iluminação, conservação de alimentos, etc.) e com o uso de materiais de conteúdo energético tão baixo quanto possível. 1.2 — Energia Solar Fotovoltaica A energia solar fotovoltaica é a energia obtida através da conversão direta da luz em eletricidade (Efeito Fotovoltaico), sendo a célula fotovoltaica, um dispositivo fabricado com material semicondutor, a unidade fundamental desse processo de conversão. As principais tecnologias aplicadas na produção de células e módulos fotovoltaicos são classificadas em três gerações. A primeira geração é dividida em duas cadeias produtivas: silício monocristalino (m-Si) e silício policristalino (p-Si), que representam mais de 85% do mercado, por ser ? Módulo fotovoltaico é uma unidade básica, formada por um conjunto de células fotovoltaicas, interligadas eletricamente e encapsuladas, com o objetivo de gerar energia elétrica, e se constitui na unidade comercial do gerador fotovoltaico. Ver item 3.4. 50 considerada uma tecnologia consolidada e confiável, e por possuir a melhor eficiência comercialmente disponível. A segunda geração, comercialmente denominada de filmes finos, é dividida em três cadeias produtivas: silício amorfo (a-Si), disseleneto de cobre e índio (CIS) ou disseleneto de cobre, índio e gálio (CIGS) e telureto de cádmio (CdTe). Esta geração apresenta menor eficiência do que a primeira e tem uma modesta participação do mercado, competindo com a tecnologia c-Si. Existem dificuldades associadas à disponibilidade dos materiais, vida útil, rendimento das células e, no caso do cádmio, sua toxicidade, que retardam a sua utilização em maior escala. A terceira geração, ainda em fase de Pesquisa e Desenvolvimento (P&D), testes e produção em pequena escala, é dividida em três cadeias produtivas: célula fotovoltaica multijunção e célula fotovoltaica para concentração (CPV — Concentrated Photovoltaics), células sensibilizadas por corante (DSSC — Dye-Sensitized Solar Cell) e células orgânicas ou poliméricas (OPV — Organic Photovoltaics). A tecnologia CPV, por exemplo, demonstrou ter um potencial para produção de módulos com altas eficiências, embora o seu custo ainda não seja competitivo com as tecnologias que atualmente dominam o mercado. A Figura 1.2 apresenta a evolução da eficiência das células fotovoltaicas verificada no período de 1990 a 2010, mostrando a melhor eficiência obtida para células de pequena área (0,5 a 5,0 cm?) fabricadas em laboratório, usando diferentes tecnologias. Células multijunção para concentração (TI-V MJ Conc)* foram fabricadas com dupla junção até 1995 e, posteriormente, com junções triplas. Na Figura 1.2, a eficiência da célula a-Si MJ (multijunção com silício amorfo) refere-se ao valor já estabilizado após exposição prolongada à luz. é Denominação genérica das tecnologias de silício cristalino, m-Si e p-Si. * Células com Concentradores Multijunção, também conhecidas por II-V MJ Conc, utilizam na sua fabricação semicondutores dos antigos grupos HI e V da tabela periódica. 51 as 40 se = III-V MJ Conc ma —E- mSi e 30 dm p-Si o 25 o e S 20 cIGs o sas Hiei a pp —— , —s— a-Si MJ 5 fem DSSC o“ . . 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 Ano Figura 1.2 - Desenvolvimento das células fotovoltaicas. Fonte: Adaptada de (GREEN et al., 2011). Um desafio paralelo para a indústria é o desenvolvimento de acessórios e equipamentos complementares para sistemas fotovoltaicos, com qualidade e vida útil comparáveis às dos módulos (fabricantes de módulos de silício cristalino garantem os seus produtos por 25 anos). Sistemas de armazenamento de energia e de condicionamento de potência têm sofrido grandes avanços no sentido de aperfeiçoamento e redução de custos, embora ainda não tenham atingido o grau de desenvolvimento desejado. 1.2.1 História e situação atual da energia solar fotovoltaica no mundo Os principais eventos associados ao desenvolvimento dos equipamentos de conversão da energia solar fotovoltaica podem ser visualizados na Figura 1.3. O efeito fotovoltaico, primeiramente descoberto por Edmond Becquerel, em 1839, implica no aparecimento de uma diferença de potencial nos terminais de uma célula eletroquímica causada pela absorção de luz. Em 1876 foi concebido o primeiro aparato fotovoltaico advindo dos estudos da física do estado sólido e, apenas em 1956, iniciou-se a produção industrial, seguindo o crescimento da área de eletrônica. Inicialmente, o desenvolvimento da tecnologia apoiou-se na busca, por empresas do setor de telecomunicações, de fontes de energia para sistemas instalados em localidades remotas. O segundo agente impulsionador foi a chamada “corrida espacial”. A célula fotovoltaica era, e continua sendo, o meio mais adequado (menor custo, peso e segurança) para fornecer a quantidade de energia necessária para longos períodos de alimentação de equipamentos eletroeletrônicos no espaço. 52 40 35 30 25 =z2 15 G 10 5 0 add 1995 1996 1997 1998 1999 2000/2001 2002 2003 2004 2005 2008 2007 2008/2009 2010 2011 2012) Ano 0,08 0,09 /0,13 /0,16 0,20 0,28 0,37 0,54 0,75 1,19 1,78 2,45 3,81 7,13 11,4024,2037,1036,20 GW Figura 1.4 - Produção mundial de células fotovoltaicas. Fonte: Modificado de (Roney 2013). A Figura 1.5 apresenta a potência instalada em sistemas fotovoltaicos no mundo no período de 2000 a 2012. O maior mercado de módulos fotovoltaicos tem sido a Alemanha, seguida da Itália, sendo que, apenas na Europa, encontram-se instalados aproximadamente 74% da produção mundial. Em 2011, a energia elétrica produzida pelos sistemas fotovoltaicos correspondeu a 2% do consumo europeu, com destaque para a Itália, onde este número foi da ordem de 5%. Na última década, a potência instalada em sistemas fotovoltaicos nos países europeus somente foi menor que a instalada em centrais eólicas e a gás natural. Depois da Europa, os maiores mercados para sistemas fotovoltaicos estão no Japão e nos Estados Unidos. Vale ressaltar que, até 2012, a potência instalada acumulada global superou os 100 GWp, sendo 32,3 GWPp na Alemanha e 16 GWp na Itália. 55 120.000 100.000 Ê 80.000 71081 = 60.000 40.000 20.000 —.... AB229 Es : 6.946 1400 1.765 2820 3 4 T T EE T T na T T 2000 * 2001" 2002 ! 2003 * 2004 ! 2005 * 2006 "2007 ! 2008 ' 2009 ! 2010 ! 2011! 2012 E Outros Países 751 807 1.226 1.306 EB oriente Médio e África n/a na na 3 25 E china E Américas EE Ásia-pacífico 2.096 E Europa 396 508 1.305 2.280 3.281 5.910 11.020 16.850 Total 1.400 1.765 2.235 2.820 3.952 5.364 6.946 9.521 16.220 23.605 40.670 71.061 102.156 MWp Figura 1.5 - Evolução da potência instalada em sistemas fotovoltaicos no mundo. Fonte: (EPIA, 2013). Outros mercados estão surgindo, principalmente na Ásia, podendo-se citar, dentre outros países, o expressivo crescimento verificado na China e na Índia, devido a políticas favoráveis, preços baixos de módulos fotovoltaicos e programas de eletrificação rural em larga escala. Na China, mais do que incentivar o uso da tecnologia através de programas governamentais, a política mais agressiva está voltada para a produção e exportação de células e módulos fotovoltaicos. A Figura 1.6 apresenta a distribuição percentual da produção mundial de células segundo o país ou região, em 2012. A China, que fabricou 23 GWp em módulos fotovoltaicos, deteve 64% da produção mundial desse ano. As indústri instaladas em países asiáticos, não necessariamente com tecnologia desenvolvida nacionalmente, dominam o mercado, com 85%. Em 2012, na Europa foram produzidos 11% dos módulos fotovoltaicos e nos Estados Unidos, 3%, mas deve-se observar que muitas empresas europeias e norte-americanas deslocaram suas fábricas para a Ásia, em busca de redução de custos de produção, em função da existência de uma cadeia produtiva estabelecida, mão de obra qualificada e barata, e incentivos por meio de fontes de financiamento para implantação de fábricas. O gráfico da Figura 1.6 mostra os principais países fabricantes de módulos fotovoltaicos do mundo em 2012. 56 Japão, 1.941 MWp, 5% - Outros Países, 445 MWp, 1% Europa, 3.743 MWp, 11% EUA, 953 MWp, 3% Outros Países da Ásia, 5.858 MWp, 16% China, 23.005 MWp, 64% Figura 1.6 - Distribuição da produção mundial de células fotovoltaicas em 2012. Fonte: (GTM RESEARCH, 2013) O custo das células fotovoltaicas é, ainda hoje, um grande desafio para a indústria e o principal empecilho para a difusão dos sistemas fotovoltaicos em larga escala. No entanto, a tecnologia fotovoltaica está se tornando cada vez mais competitiva, em razão, tanto dos seus custos decrescentes, quanto dos custos crescentes das demais formas de produção de energia, inclusive em função da internalização de fatores que eram anteriormente ignorados, como a questão dos impactos ambientais. No final de 2013, para venda em maior escala, o preço do módulo fotovoltaico de c-Si encontrava-se em cerca de 0,60 €/Wp na Europa, de 0,65 US/Wp nos EUA e menos de 3 R$/Wp no Brasil. 1.2.2 — Breve histórico da energia solar fotovoltaica no Brasil O território brasileiro recebe elevados índices de irradiação solar, quando comparado com países europeus, onde a tecnologia fotovoltaica é disseminada para a produção de energia elétrica. Constata- se, entretanto, que o avanço tecnológico no Brasil tem passado por fases de crescimento, bem como por períodos de várias dificuldades. Nos anos 50, iniciou-se o desenvolvimento de módulos fotovoltaicos no Instituto Nacional de Tecnologia (INT) e no Centro Tecnológico de Aeronáutica (CTA) — hoje Centro Técnico Aeroespacial, sendo realizado, em 1958, o Primeiro Simpósio Brasileiro de Energia Solar. O início do desenvolvimento de células fotovoltaicas de silício cristalino na Universidade de São Paulo (USP) teve por base o conhecimento em microeletrônica. As atividades foram focadas no desenvolvimento de lingotes de silício monocristalino com o método Czochralski (Si-Cz), que, utilizados para a fabricação de células fotovoltaicas, resultaram em dispositivos com eficiência da ordem de 12,5%. O desenvolvimento de tecnologias de filmes finos começou na década de 1970, no Instituto Militar de Engenharia (IME), localizado no Rio de Janeiro, com colaboração internacional. Foi montada uma linha completa para processamento de células fotovoltaicas de Cu,S/CdS (sulfeto de 57 2) o desenvolvimento de tecnologias em escala piloto para fabricação de células fotovoltaicas de silício cristalino e de módulos fotovoltaicos, incluindo uma análise técnico-econômica da sua produção em escala industrial. Atualmente, no Brasil há laboratórios e equipes de especialistas em universidades públicas e privadas, centros de pesquisa e empresas, atuando no desenvolvimento de tecnologias de purificação de silício, células e módulos fotovoltaicos, inversores e controladores de carga, bem como no estudo de aplicações dessas tecnologias. Porém, ainda não foi atingido o nível de aperfeiçoamento tecnológico dos países desenvolvidos nesta área e, portanto, esforços devem ainda ser realizados por todos os atores do setor. No que concerne às ações efetivas para aproveitamento da energia fotovoltaica, foram instalados diversos sistemas fotovoltaicos isolados e sistemas híbridos para fornecimento de energia em ilhas e localidades afastadas da rede elétrica em todo o território brasileiro. Em 1994, o Governo Federal, por meio do Ministério de Minas e Energia, criou um programa para promover a eletrificação rural, baseado principalmente nos sistemas fotovoltaicos, denominado Prodeem (Programa de Desenvolvimento Energético de Estados e Municípios), envolvendo universidades, centros de pesquisa, secretarias estaduais de energia e concessionárias federais e estaduais, através do qual foram adquiridos mais de 8.500 sistemas fotovoltaicos. No ano de 2002, a Aneel (Agência Nacional de Energia Elétrica) iniciou estudos para estabelecimento de regulamentação das especificações técnicas nec árias à instalação dos SIGFIs (Sistemas Individuais de Geração de Energia Elétrica com Fontes Intermitentes), destinados ao fornecimento de energia elétrica aos consumidores isolados da rede elétrica de distribuição, que resultou na publicação da Resolução Normativa nº 83/2004, posteriormente revogada e substituída pela Resolução Normativa nº 493/2012, a qual regulamenta também o fornecimento de energia por meio dos MIGDIs (Microssistemas Isolados de Geração e Distribuição de Energia Elétrica). Em 2003, foi instituído pelo Governo Federal o Programa Nacional de Universalização do Acesso e Uso da Energia Elétrica - Programa Luz para Todos (LpT), através do Decreto nº 4.873/2003, e alterado pelo Decreto nº 6.442/ 2008, que tem por objetivo prover o acesso à energia elétrica a todos os domicílios e estabelecimentos do meio rural. Os agentes executores do LpT são as concessionárias de energia, que podem utilizar recursos subsidiados no investimento dos sistemas de atendimento. O processo de universalização tem ocorrido majoritariamente por meio de extensão de rede, mas também contempla a instalação de sistemas fotovoltaicos. Neste contexto, milhares de SIGFIs foram instalados nos estados da Bahia e de Minas Gerais, pelas distribuidoras estaduais Coelba e Cemig, respectivamente. s0 Ainda no âmbito do LpT, a Eletrobras, em parceria com a agência alemã de cooperação técnica GIZ (Deutsche Gesellschaft fiir Internationale Zusammenarbeit, antiga GTZ) e a Eletrobras Distribuição Acre, desenvolveu um projeto piloto de implantação de 103 SIGFIs em uma reserva extrativista localizada no município de Xapuri, AC. Sistemas tipo MIGDIs também foram utilizados no âmbito do LpT pelas distribuidoras do Amazonas e do Pará , em parceria com a Eletrobras, para fornecimento de energia elétrica a comunidades ribeirinhas remotas. Em 2009, foi publicada a Lei nº 12.111 que dispõe sobre os serviços de energia elétrica nos Sistemas Isolados. Essa lei é um marco para a universalização do atendimento de energia elétrica pois autoriza a utilização de subsídio governamental para reembolsar o custo de geração, incluindo investimentos e custos de operação e manutenção, de qualquer sistema elétrico - e não mais só aqueles a base de combustíveis fós is - para atendimento de áreas isoladas ao SIN (Sistema elétrico Interligado Nacional). Com isso é assegurado recurso para a universalização mesmo com a extinção do Programa LpT em 2014. A Celpa e distribuidoras da Eletrobras elaboraram projetos para atendimento de algumas comunidades remotas com base unicamente em sistemas fotovoltaicos. Em 2013 o MME, com apoio do EPE, da Eletrobras e do Cepel, elaborou um relatório (em fase de revisão) intitulado “Especificações dos Projetos de Referência no âmbito do Programa Luz para Todos” com critérios para orientar as distribuidoras na elaboração de seus projetos para os leilões previstos na Lei nº 12.111 e que utilizem recursos de investimento do Programa LpT. Em maio de 2013 a Celpa efetuou o primeiro leilão de energia nestes termos, que resultou em fracassado pois os proponentes não conseguiram atestar a capacidade técnica requerida. A estimativa é que em 2014 a Celpa lance de novo o leilão e também a Eletrobras Amazonas Energia e a Eletrobras Distribuição Acre lancem os seus. Com o aumento do número de instalações de sistemas fotovoltaicos no país, o Inmetro (Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia) criou um grupo de trabalho (GT-FOT) para atuar nesta área, como parte do Programa Brasileiro de Etiquetagem (PBE), formado por especialistas de universidades e centros de pesquisa, representantes de órgãos públicos e de empresas privadas. O GT- FOT estabeleceu requisitos para a etiquetagem dos componentes utilizados em sistemas fotovoltaicos (módulos, inversores, controladores de carga e baterias), descritos no documento intitulado “Requisitos de Avaliação da Conformidade para Sistemas e Equipamentos para Energia Fotovoltaica”, publicado pela Portaria Inmetro Nº 4/2011, bem como identificou um conjunto de laboratórios habilitados a efetuar os ensaios. Atualmente, diversos componentes disponíveis no mercado nacional já se encontram etiquetados, conforme as tabelas disponibilizadas pelo Inmetro. Adicionalmente, para serem comercializados, tais equipamentos necessitam ainda do registro do Inmetro, conforme Resolução Conmetro nº 05, de maio de 2008. O COBEI (Comitê Brasileiro de Eletricidade, da ABNT) também criou um grupo técnico sobre sistemas fotovoltaicos que foi responsável pela elaboração, entre outras, das Normas NBR 16149 61 Sistemas Fotovoltaicos (FV) - Características da interface de conexão com a rede elétrica de distribuição e NBR 16150 Sistemas Fotovoltaicos (FV) - Características da interface de conexão com a rede elétrica de distribuição - procedimento de ensaio de conformidade, com base nas normas TEC. Em dezembro de 2013, a norma “Sistemas fotovoltaicos conectados à rede — Requisitos mínimos para documentação, ensaios de comissionamento, inspeção e avaliação de desempenho” foi submetida à consulta pública (Projeto 03:082.01-005). Os primeiros sistemas fotovoltaicos conectados à rede elétrica foram instalados no Brasil no final dos anos 90 em concessionárias de energia elétrica, universidades e centros de pesquisa. A Chesf (Companhia Hidroelétrica do São Francisco) foi pioneira nesta área ao instalar um sistema fotovoltaico de 11 kWp em 1995, em sua sede em Recife, PE. Outros sistemas pioneiros foram instalados na USP (São Paulo, SP), na UFSC (Florianópolis, SC), na UFRGS (Porto Alegre, RS) e no Cepel (Rio de Janeiro, RJ). A regulamentação para sistemas fotovoltaicos conectados à rede de distribuição, associados a unidades consumidoras, foi definida em 2012 pela Aneel, a partir da publicação da Resolução Normativa nº 482/2012, que trata da micro e mini geração distribuída, correspondendo, respectivamente, a potências iguais ou inferiores a 100 kWp, e superiores a 100 kWp até 1 MWp. A regulamentação prevê o sistema de compensação de energia elétrica, de acordo com o qual é feito um balanço entre a energia consumida e a gerada na unidade consumidora (modelo net metering). No que se refere à instalação de Usinas Fotovoltaicas (UFV) no Brasil, a primeira planta, um empreendimento da iniciativa privada com potência de | MWp, foi inaugurada em 2011 no Município de Tauá, CE. O Apêndice 3 apresenta alguns sistemas fotovoltaicos instalados no Brasil. Em 2011, a Aneel lançou a chamada no 13/2011 para um Projeto Estratégico de P&D, denominado “Arranjos Técnicos e Comerciais para Inserção da Geração Solar Fotovoltaica na Matriz Energética Brasileira”. No escopo desta chamada, foram selecionados 18 projetos de sistemas fotovoltaicos centralizados conectados à rede elétrica (UFVs), com potência instaladas na faixa de 0,5 MWp e 3 MWp, resultando numa potência instalada total de cerca de 24 MWp, com custo aproximado de R$ 400 milhões. A maioria dos projetos será executada pelas concessionárias de energia elétrica públicas e privadas localizadas em diferentes regiões do Brasil, com previsão para entrada em operação até 2015. Em novembro de 2013 ocorreu o primeiro Leilão de Energia (A-3) cujos empreendimentos de geração fotovoltaicos — com potência igual ou superior a 5MW - foram habilitados pelo EPE. O leilão foi destinado à compra de energia de novos empreendimentos de geração eólica, solar e termelétrica a biomassa ou a gás natural em ciclo combinado, para início de suprimento a partir de janeiro de 2016, com custo marginal de referência de R$ 126,00/MWh. Entretanto nenhum empreendimento 62 IRENA. Renewable energy technologies: Cost analysis Series. Solar Photovoltaics, Junho de 2012. 45 p. JRC European Comission. PV status report 2011. Research, solar cell production and market implementation of photovoltaics. Agosto de 2011. 123 p. Disponível em: <http://re.jrc.ec.europa.eu/refsys/>. LIMA, A.; CARVALHO, C.; OLIVIERI, M.; ROCHA, M.; KLAUS, W.:; BORGES, E.; SILVA, I; SOARES, Y. Brazilian policies to provide universal access to energy. Cancun, Mexico: 2013 ISES Solar World Congress, 3-7 November 2013. REN21. Renewables 2013 Global Status Report. Paris, França. 2013. RONEY, J. M. World Solar Power Topped 100,000 Megawatts in 2012. Compilado pelo Earth Policy Institute (EPD. Disponível em http://www .earth- policy.org/indicators/C47/solar power 2013. SCHACHINGER, M. Module price index. October 2013: New low price suppliers. PV Magazine. Disponível em http://www .pv-magazine.com/investors/module-price- index/Zaxzz2kSl6qcuO. Consultado em novembro de 2013. SCHMELA, M. A bullish PV year. Photon International, Março de 2003. p. 42-48. ZANESCO, 1; MOEHLECKE, A.; SOUZA, J. A.; ARAUJO, R. G.; BRAGA, J. F. P.; SELINKE, R. Desenvolvimento de planta piloto de produção de células fotovoltaicas e módulos fotovoltaicos com tecnologia nacional. Florianópolis, Brasil: XXI SNPTEE - Seminário Nacional de Produção e Transmissão de Energia Elétrica, 2011. p. 1-9. CAPÍTULO 2 RECURSO SOLAR E SE ni TI y y ), nb CAPÍTULO 2 - RECURSO SOLAR O Sol é a principal fonte de energia para a Terra. Além de ser responsável pela manutenção da vida no Planeta, a radiação solar constitui-se numa inesgotável fonte energética, havendo um enorme potencial de sua utilização por meio de sistemas de captação e conversão em outra forma de energia, como por exemplo, a térmica e a elétrica. 2.1-O Sol e suas Características O Sol é basicamente uma enorme esfera de gás incandescente, em cujo núcleo acontece a geração de energia através de reações termonucleares. Sua estrutura, apresentada na Figura 2.1, é composta pelas principais regiões: núcleo, zona radiativa, zona convectiva, fotosfera, cromosfera e coroa (ou às vezes chamada de corona). Fluxos subsuperficiais Zonal Radiativa Zonal Fotosfera Convectiva Dia Ao o dd Cromosfera Proeminência nm co: Figura 2.1 - Estrutura do Sol. Fonte: (http://theuniversalmatrix.com/pt-br/artigos/wp-content/uploads/2011/12/Sol- Estrutura-Interna.png) O núcleo, com temperatura de cerca de 15 milhões de kelvin, é a região mais densa e onde a energia é produzida por reações termonucleares. Logo acima se encontra a zona radiativa, onde a energia produzida no núcleo é transferida para as regiões superiores através da radiação. A zona convectiva possui este nome em função dos processos de convecção que dominam o transporte de energia das regiões mais internas do Sol para a superfície solar. 67 23/03 Trópico de Capricórmio na + Trópico de Câncer nn 21/06 Solstício de Verão Equinócio de primavera $ (b) Figura 2.2 (a) e (b) — Órbita da Terra em torno do Sol, com seu eixo N-S inclinado de um ângulo de 23,45º, indicando as estações do ano no hemisfério Sul. Na Figura 2.2 (b) é possível observar a variação da duração dos dias ao longo do ano para uma determinada localidade, resultante da inclinação do eixo da Terra. Verificam-se dias mais longos, por exemplo, em localidades no hemisfério Sul, no solstício de verão e dias mais curtos no solstício de inverno. No Equador terrestre a duração dos dias é sempre igual e nas suas proximidades as variações são pequenas ao longo do ano. É possível também observar que nos equinócios, as durações dos dias são as mesmas para qualquer localidade. Considerando-se as convenções para a declinação solar e a latitude, positivas ao Norte e negativas ao Sul do Equador, a diferença entre a declinação e a latitude determina a trajetória do movimento aparente do Sol para um determinado dia em uma dada localidade na Terra. A declinação solar pode ser calculada utilizando-se a Equação 2.1. 360 sen(6) = —sen(23,45) cos [ 365,25 ke + 19 (2.1) onde n representa o dia juliano, contado de 1 a 365 a partir de 1 de janeiro (i.e. 01l/jan> n = 1; 02/jan> n=2:...;3l/dez> n= 365). O termo “radiação solar” é usado de forma genérica e pode ser referenciado em termos de fluxo de potência, quando é especificamente denominado de irradiância solar, ou em termos de energia por unidade de área, denominado, então, de irradiação solar. Existem diversas unidades para se representar valores de radiação solar. A Tabela 2.2 mostra algumas destas unidades e os fatores de conversão. 70 Tabela 2.2 - Unidades para a radiação solar (irradiância e irradiação) e fatores de conversão convert Multiplique por: cal/em min Wim? 697,8 Wim? cal/em?.min 0,0014331 Wim? mcal/cm?.s 0,023885 MJ/m?.dia kWh/mí dia 0.27778 Langley/dia kWh/mê dia 0,01163 cal/em? Jem? 4,1868 cal/em? kWh/m? 0,01163 Jem” cal/em? 0.23885 Jem” kWh/m? 0,0027778, kWh/m? cal/em? 85,985 kWh/m? Jem” 360 Langley cal/em? 1 A irradiância solar que atinge a Terra, no topo da camada atmosférica, é denominada irradiância extraterreste. A constante solar (19) é definida como o valor da irradiância extraterrestre que chega sobre uma superfície perpendicular aos raios solares na distância média Terra-Sol, e tem valor aproximado de 1.367 W/m? (adotado pelo WRC — World Radiation Center). A excentricidade da elipse que descreve a trajetória da Terra em torno do Sol resulta em uma variação no valor da irradiância extraterrestre ao longo do ano. A Figura 2.3 mostra o comportamento anual da irradiância extraterrestre, ou irradiância extraterrestre efetiva (10,7) Irradiância Extraterrestre Efetiva Ly=h [1+0.033c06[. 360. 1) » 36525 ) 1.440 1.410 2 W/m” 1.320 1.290 T T T T T T T tan 22/fev 14/abr Sijun 27/jul 17/set 8/nov 30/dez Dias do ano Figura 2.3 — Variação da irradiância solar extraterrestre (19.9) ao longo do ano. Verifica-se na Figura 2.3 que o valor mínimo de 10, é de aproximadamente 1.322 Wim? (afélio) e encontra-se próximo do solstício de inverno para o hemisfério Sul, e o valor máximo de mn aproximadamente 1.412 Wim? (periélio) próximo ao solstício de verão. Nesta figura também é apresentada uma equação para o cálculo do 19,7 em função da constante solar (19), e do dia juliano (n). Ângulos da Geometria Solar As relações geométricas entre os raios solares, que variam de acordo com o movimento aparente do Sol e a superfície terrestre, são descritas através de vários ângulos, os quais estão apresentados na Figura 2.4 e definidos a seguir: - Ângulo Zenital (6): ângulo formado entre os raios do Sol e a vertical local (Zênite). - Altura ou Elevação Solar (o): ângulo compreendido entre os raios do Sol e a projeção dos mesmos sobre o plano horizontal (horizonte do observador). Verifica-se que os ângulos mencionados acima são complementares (Figura 2.4 (a)), ou seja: (O + = 90º). - Ângulo Azimutal do Sol (%): também chamado azimute solar, é o ângulo entre a projeção dos raios solares no plano horizontal e a direção Norte-Sul (horizonte do observador). O deslocamento angular é tomado a partir do Norte (0º) geográfico", sendo, por convenção, positivo quando a projeção se encontrar à direita do Sul (a Leste) e negativo quando se encontrar à esquerda (a Oeste). -180º < x < 180º - Ângulo Azimutal da Superfície (7): ângulo entre a projeção da normal à superfície no plano horizontal e a direção Norte-Sul. Obedece às mesmas convenções do azimute solar. - Inclinação da superfície de captação (/): ângulo entre o plano da superfície em questão e o plano horizontal [0º 90º]. - Ângulo de incidência (9): ângulo formado entre os raios do Sol e a normal à superfície de captação. ! Também denominado de Norte verdadeiro por alguns autores. 72 Ga 8z (a) (b) Figura 2.5 — (a) Irradiância direta incidente sobre uma superfície horizontal; (b) Irradiância direta incidente sobre uma superfície inclinada. Hora solar e hora oficial Os cálculos em energia solar são baseados na hora solar, a qual é definida pelo ângulo horário («), conforme descrito anteriormente. Para a conversão da hora oficial, também chamada de hora civil (a do relógio), em hora solar, considera-se, como primeira etapa, a diferença de longitudes entre o meridiano do observador e o meridiano padrão no qual a hora oficial está baseada; a segunda etapa é dada pela Equação do Tempo (E), que é uma correção relacionada a dois fatores principais, a inclinação do eixo da Terra com relação ao plano da sua órbita (eclíptica) e a excentricidade da órbita da Terra (5). A Equação 2.8 fornece a diferença entre hora solar e hora oficial (em minutos). Hora solar - Hora oficial = ML, -L, )J+E (2.8) onde Ls e Lic representam a longitude padrão do fuso e a longitude local, respectivamente, o fator 4 é utilizado para converter os valores de longitude (em graus) para tempo (em minutos). O parâmetro E é o valor resultante da Equação do Tempo (apresentada na Equação 2.9), sendo fornecido em minutos. A Figura 2.6 mostra a variação da Equação do Tempo ao longo do ano. E = (0,000075 + 0,001868cosf2 — 0,032077senf — 0,014615cos20 —0,04089sen2) - (229,18) (2.9) onde, M=2m(n-1)/365 (2.10) sendo n o dia juliano. 75 Variação da Equação do Tempo 20 TELA E EA TEA . AN 5 E o f VTN mil é EMA Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Minutos Meses Figura 2.6 — Equação do tempo ao longo do ano. Verifica-se que o maior valor positivo de E é em torno de 16 minutos, entre outubro e novembro, e o maior valor negativo é 14 minutos em fevereiro (Figura 2.6). Embora as diferenças devidas à Equação do Tempo sejam relativamente pequenas, as diferenças entre hora oficial e hora solar podem ser bastante significativas dependendo da diferença entre os meridianos local, e padrão (Equação 2.8). 2.3 — Radiação Solar sobre a Terra Como mencionado anteriormente, a densidade média anual do fluxo energético proveniente da radiação solar (irradiância solar), quando medida num plano perpendicular à direção da propagação dos raios solares no topo da atmosfera terrestre recebe o nome de “constante solar” e corresponde ao valor de 1.367 Wim), Considerando que o raio médio da Terra é 6.371 km, e considerando o valor da irradiância de 1.367 W/m? incidindo sobre a área projetada da Terra, conclui-se que a potência total disponibilizada pelo Sol à Terra, no topo da atmosfera, é de aproximadamente 174 mil TW (terawatts). Observações periódicas feitas a partir do espaço permitem análises mais qualitativas dos fluxos de energia na Terra. Trenberth et al. (2009) atualizaram o diagrama de fluxo de potência global (Figura 2.7), com base em medições de março de 2000 a novembro de 2005. Segundo esse diagrama, cerca de 54 % da irradiância solar que incide no topo da atmosfera, é refletida (7 %) e absorvida (47 %) pela superfície terrestre (os 46 % restantes são absorvidos ou refletidos diretamente pela atmosfera). Ou seja, da potência total disponibilizada pelo Sol à Terra, cerca de 94 mil TW chegam efetivamente à superfície terrestre. 76 Irradiância solar Irradiância solar 239 refletida Irradiância (entrada) de onda longa 101,9 341,3 (saída) 238,5 Refletida por nuvense Janela tmosfera atmosferica Radiação Refletida Térmicas 17 80 das Absorvida pela ici [Ea Radiação de 333 PIE PORT PI TDEPS- A] superfície Absorvida pela PTN Absorvido 0,9 Figura 2.7 - Fluxo de potência global (em W/m?). O valor da irradiância solar incidente no topo da atmosfera aqui apresentado é um fluxo médio anual recebido ao longo das 24 horas de um dia (341,3 Wim?) no topo da atmosfera. Fonte: (Trenberth et al., 2009). O consumo mundial de energia primária no ano de 2011 foi cerca de 143 mil TWh, então, no intervalo de duas horas a quantidade de energia solar recebida na superfície terrestre (multiplicando 94 mil TW por duas horas, resultando em 188 mil TWh) é superior ao consumo energético anual da humanidade. Considerando a radiação solar que chega à superfície terrestre e incidente sobre uma superfície receptora para geração de energia, tem-se que ela é constituída por uma componente direta (ou de feixe) e por uma componente difusa. A radiação direta é aquela que provêm diretamente da direção do Sol e produz sombras nítidas. A difusa é aquela proveniente de todas as direções e que atinge a superfície após sofrer espalhamento pela atmosfera terrestre. Mesmo num dia totalmente sem nuvens, pelo menos de 20 % da radiação que atinge a superfície é difusa. Já em um dia totalmente nublado, não há radiação direta, e 100 % da radiação é difusa. Notadamente, se a superfície estiver inclinada com relação à horizontal, haverá uma terceira componente refletida pelo ambiente do entorno (solo, vegetação, obstáculos, terrenos rochosos, etc.). O coeficiente de reflexão destas superfícies é denominado de “albedo”. A Tabela 2.3 apresenta valores típicos de albedo para diferentes tipos de superfícies. 77 O material em suspensão na atmosfera (particulado) e as nuvens também causam espalhamento da luz, mas de forma igual para todos os comprimentos de onda (espalhamento de Mie), ou seja, espalham a luz branca. As perdas do fluxo de potência entre o espectro da irradiância incidente no topo da atmosfera e o espectro da irradiância global que atinge a superfície inclinada citada são de aproximadamente 27 %, resultando em cerca de 1.000 W/m? incidentes sobre a referida superfície, cabendo ri altar que este nível de irradiância é considerado como valor padrão para a especificação da potência nominal de uma célula ou de um módulo fotovoltaico. 2,00 1,75 1,50 1,25 1,00 0,75 Irradiância espectral (W/m?/nm) — Irradiância espectral no topo da atmosfera 0,50 Irradiância espectral global inclinada 005 — Irradiância espectral direta + circunsolar 0,00 250 500 750 1.000 1.250 1.500 1.750 2.000 2.250 2.500 2.750 3.000 3.250 3.500 3.750 4.000 Comprimento de onda (nm) Figura 2.9 - Distribuição espectral da irradiância no topo da atmosfera; da irradiância ao incidir perpendicularmente sobre uma superfície inclinada (37º) ao nível do mar e voltada para a linha do Equador; da irradiância após atravessar uma massa de ar de 1,5. Fonte: [NREL, 2012]. 2.3.1 - Distribuição da irradiação solar média diária no mundo A Figura 2.10 mostra a distribuição espacial da irradiância solar média anual (Wim?) que incide sobre a superfície da Terra. Esses dados foram estimados a partir de imagens de satélites meteorológicos obtidos no período de 1990 a 2004. Para obter, a partir destes dados, a irradiação solar na base temporal diária média anual, em KWh/m?.dia, deve-se multiplicar por 24h. Esse mapa é particularmente útil para os profissionais envolvidos no desenvolvimento e aplicação de tecnologias para converter energia solar em eletricidade. Os projetos de sistemas 80 fotovoltaicos normalmente exigem uma irradiação de no mínimo 3 a 4 kWh/(m2 dia) (125 a 166 W/m? no mapa), valores estes disponíveis para quase todas as áreas entre os trópicos. O valor da irradiação solar incidente em um plano orientado na direção do Equador e com uma inclinação igual à latitude local permite calcular a energia elétrica que pode ser convertida por um sistema fotovoltaico fixo instalado nessas condições. As Figuras 2.11 e 2.12 apresentam mapas mostrando a irradiação média anual do Brasil e de países da Europa. Pode-se observar como o potencial disponível no Brasil é maior quando comparado com países da Europa, onde a conversão fotovoltaica já é utilizada largamente. Além do tamanho do país, observa-se que em todo o território brasileiro há disponibilidade de irradiação solar equivalente ou melhor que nos países do Sul da Europa e superando países como, por exemplo, a Alemanha, país com capacidade instalada significativa de sistemas de geração fotovoltaica. 81 'SUND / Souuuy / sue! op sola sop “002 JOQuiSAON EZ “uamonpoid jo EM USIONT “SUNQ4ST O AM MAMMA IA SE A EAD A DA A A A A A A A A A A A A DDD 0008! 300.00 3000 30000 3.000 20008 200.00 30000 30000 000 MOO MODO MODOS MODOS MOGO MOBO MODO MOO! 00.081 +00Z-066L UOneIpey Jejos pobeJosay Figura 2.10 - Mapa mundial de irradiação solar em média anual. Fonte: (http://www .soda- D. for free.html is.com/eng/map/maps, 82 2.4 — Instrumentos de Medição da Radiação Solar A medição da radiação solar, tanto da global como das componentes direta e difusa, na superfície terrestre é de grande importância para o estudo das influências das condições climáticas e atmosféricas, como também para o desenvolvimento de projetos que visam a captação e a conversão da energia solar. Com um histórico dessas medidas, pode-se viabilizar a instalação de sistemas fotovoltaicos em uma determinada região, garantindo o máximo aproveitamento do recurso ao longo do ano, onde as variações da intensidade da radiação solar sofrem significativas alterações. Desta forma, o conhecimento do recurso solar é a variável de maior peso para o desenvolvimento de um projeto de sistema de aproveitamento da energia solar, sendo necessária a obtenção de dados de medição para: e Identificação e seleção da localização mais adequada para instalação do sistema fotovoltaico; * Dimensionamento do gerador fotovoltaico; e Cálculo da produção de energia anual, mensal ou diária; e Estabelecimento de estratégias operacionais e dimensionamento do sistema de armazenamento (para sistemas isolados). O objetivo da medição dos dados solares é a obtenção experimental do valor instantâneo do fluxo energético solar (irradiância) ou integrado (irradiação) ao longo de tempo (minuto, hora, dia ou ano). É de interesse da Engenharia Solar, o conhecimento dos valores da irradiância ou irradiação global e de suas componentes direta e difusa incidentes em uma superfície. Existem dois instrumentos comumente utilizados para a mensuração da irradiação solar: o piranômetro e o pireliômetro, o primeiro para medidas da irradiação global e o segundo para medidas da irradiação direta. Existem dois tipos principais de piranômetro: piranômetro termoelétrico e piranômetro fotovoltaico. O piranômetro termoelétrico, apresentado na Figura 2.13, utilizado para medir a irradiância solar global (direta + difusa), normalmente no plano horizontal (campo hemisférico), tem como sensor uma termopilha colocada no interior de duas semiesferas de vidro concêntricas. A termopilha é construída com múltiplos termopares em série, com a junção quente enegrecida faceando o sole a junção fria na parte inferior. Figura 2.13 — Piranômetro Termoelétrico. O piranômetro do tipo fotovoltaico (FV), mostrado na Figura 2.14, é composto por uma célula fotovoltaica de pequenas dimensões e apresenta como vantagem custo muito mais baixo e como desvantagem o fornecimento de medidas com menor precisão. A principal origem da imprecisão deste tipo de piranômetro é a sua resposta espectral (Figura 2.15), a qual está limitada entre 400 a 1.100 nm para aqueles que adotam células de c-Si, introduzindo incertezas que podem chegar a 5 % em relação ao piranômetro termoelétrico (que responde até 2.500 nm). Porém, sua vantagem inerente é o tempo de resposta praticamente instantâneo e linear com a irradiância. Figura 2.14 — Piranômetro Fotovoltaico. 86 Resposta Relativa E 300 400 500 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 Comprimento de onda (nm) Figura 2.15 — Resposta espectral dos piranômetros. 1 — Distribuição espectral da irradiância solar na superfície da Terra. 2 — Resposta do piranômetro termoelétrico. 3 — Resposta do piranômetro FV (silício). Fonte: (ALADOS-ARBOLETA et al., 1995). O pireliômetro é um instrumento utilizado para medir a irradiância direta com incidência normal à superfície. A irradiância difusa é bloqueada instalando-se o sensor termoelétrico dentro de um tubo de colimação (Figura 2.16), com paredes enegrecidas e apontado diretamente ao Sol (dispositivo de rastreamento). O instrumento caracteriza-se por apresentar uma pequena abertura de forma a "visualizar" apenas o disco solar e a região vizinha denominada circunsolar. O sistema de medição da irradiância direta com o uso do pireliômetro pode ser com o rastreamento solar em 1 ou 2 eixos, sendo a escolha determinada pela análise da relação de custo-benefício em uma utilização particular (Figura 217). 87 A manutenção da qualidade das medidas requer a calibração in-situ dos sensores piranométricos ou pireliométricos com periodicidade de no máximo 18 meses. Ess: O feitas conforme calibraçõe: as normas da ISO (International Standards Organization): ISO 9847 (1992) - que normatiza os procedimentos de calibração de um piranômetro de campo (pertencente a uma rede de medição) por comparação, in-situ com um piranômetro de referência (padrão secundário), ISO 9059 (1990) — que normatiza os procedimentos de calibração de um pireliômetro de campo (pertencente a uma rede de medição) por comparação, in-situ com um pireliômetro de referência. 2.5 — Potencial Solar e sua Avaliação A radiação solar incidente na superfície terrestre é medida com instrumentos descritos na seção anterior. Apesar dos instrumentos terem capacidade de medir a radiação solar de forma instantânea (irradiância), historicamente os dados de radiação solar são armazenados pelo total da irradiação de um dia, e muitas vezes apenas em médias mensais. Há correlações que permitem estimar a irradiação mensal a partir de outras variáveis meteorológicas, como o número de horas de insol: ão (número de horas de brilho solar) e a nebulosidade. Também as estimativas de irradiação solar obtidas através de dados de satélites podem apresentar boa exatidão quando relatadas em médias mens Apesar de ser possível obter dados em intervalos curtos de tempo, essas estimativas contêm muitas incertezas, devidas aos dos modelos matemáticos utilizados. Como avaliação anual da disponibilidade de irradiação solar é mais válido observar a irradiação média sobre um plano com inclinação igual à latitude e voltado para o Equador. A Figura 2.11 mostra um mapa com esta distribuição segundo o Atlas Brasileiro de Energia Solar. Para avaliar o potencial da conversão fotovoltaica em um determinado lugar, seria muito útil dispor de dados confiáveis da irradiação solar disponível em intervalos horários. Há poucas estações meteorológicas no Brasil que registram sistematicamente o valor da irradiação solar incidente em intervalos horários. A informação obtida na base temporal horária é importante porque os módulos fotovoltaicos são geralmente instalados em planos inclinados e, como a posição solar varia a cada instante, a conversão de um dado de irradiância no plano horizontal para um plano inclinado também é diferente a cada instante. Um dos mecanismos que pode ser utilizado para solucionar este impasse é utilizar métodos computacionais para sintetizar sequencias de dados de radiação solar em intervalos horários a partir de dados geográficos e de informações sobre a incidência da radiação solar em média mensal. Dados horários de irradi ção sobre a superfície horizontal são normalmente utilizados para calcular a 90 irradiância sobre uma superfície de orientação qualquer. As origens dos dados iniciais do processo podem ser de medições terrestres ou estimativas obtidas de satélites. 2.6 — Tratamento e Análise dos Dados Solarimétricos A obtenção de dados medidos relacionados ao recurso solar é nec. ária para fins de Engenharia em três aspectos ssenciais e complementares: e O uso direto das medições realizadas (fonte primária) para desenvolvimento de projetos e avaliação de sistemas solares instalados em um dado local; e Paraos casos em que é necessária a mudança de base temporal dos dados ou é medida apenas a radiação solar global no plano horizontal e se requer a sua transposição para um plano de incidência qualquer local (inclinação e orientação em que será instalado o gerador fotovoltaico), há a necessidade de utilizar modelos que, a partir das medições no plano horizontal, forneçam a radiação solar global e as componentes direta e difusa no plano definido; e A sua utilização para validação de modelos de estimativa da radiação solar onde não existam informações medidas. Nesse caso são modelagens que realizam a interpolação e extrapolação espacial e temporal. Portanto, o projeto de um sistema fotovoltaico requer o conhecimento e a cuidadosa utilização de dados de radiação solar de um determinado lugar em particular (levantados por instrumentos de medição, modelos de estimativa por dados terrestres ou por dados de imagem de satélite). 2.6.1 — Avaliação da qualidade dos dados medidos A avaliação sobre a consistência e a qualidade dos dados obtidos de radiação solar é crucial para o desenvolvimento do projeto e para a análise de desempenho operacional dos sistemas fotovoltaicos. Na fase de projeto, por que permitirá um trabalho mais bem elaborado com menores incertezas e riscos e, portanto, mais barato, e no momento da sua operação, por que permitirá monitorar de forma correta o desempenho do sistema ou dos subsistemas. Existem diversos procedimentos de avaliação de dados brutos e, de forma geral, a qualificação dos dados em uma rede solarimétrica pode ser feita mediante critérios crescentemente mais elaborados, tais como: 1. Seo valor medido está contido dentro dos limites físicos da variável; 2. Se existe consistência entre sensores diferentes; 3. Se há consistência histórica entre as componentes direta, difusa e total; 91 4. Comparação com valores estimados por modelos. 2.6.2 — Tratamento dos dados primários e sua análise Os dados primários resultantes das medições são filtrados, conforme os critérios do item anterior, e, posteriormente, são reduzidos, iniciando-se com o cálculo dos valores médios para as diversas escalas de tempo (minuto, hora, dia, mês) e das variabilidades sazonais. Outra forma de representação e análise do recurso solar pode ser obtida por meio de curvas de distribuição de frequência da irradiância. De posse dos dados tratados, o se deseje realizar a avaliação comparativa da radiação solar em dois ou mais locais diferentes, considera-se que: e Para um dado mês ou ano, o local com maior média em principio é melhor; e Para um dado mês ou ano, o local com maior variância precisará de maior sistema de armazenamento; e Conforme a análise da curva da distribuição acumulada, o local que possuir tempo fracional . nai - 2 . mensal maior para um dado índice de claridade”, será superior em termos de recurso solar. Conforme citado, a otimização e análise de um sistema fotovoltaico requer o conhecimento da iação solar incidente durante o ano em um plano com orientação qualquer. A modelagem da transposição da radiação solar incidente para um plano com orientação qualquer requer, por sua vez, o conhecimento da radiação direta e difusa. Porém, normalmente existem somente medidas da radiação solar global no plano horizontal. Para tanto, o primeiro passo é a obtenção de correlações entre a radiação solar global e a difusa. As correlações obtidas dependem da escala temporal, e podem ser do tipo linear, polinomial ou exponencial. Para as escalas diárias as correlações mais conhecidas são as propostas por Liu e Jordan (1960), e Collares-Pereira e Rabl (1979). Para escalas horárias as mais conhecidas são as propostas por Erbs (1982), e Dal Pal e Escobedo (2012). 2.7 — Bases de Dados Solarimétricos e Programas Computacionais A partir do que foi visto nas seções anteriores, pode-se deduzir que, para o correto dimensionamento de um SFV, é necessário conhecer os valores dos dados de radiação solar incidentes no local da instalação e no plano dos módulos. Existem informações que podem ser acessadas pela internet, além de publicações especializadas. Entretanto, as medições sistemáticas devem ser continuadas, para garantir a composição de séries históricas contendo dados cada vez mais confiáveis e com mais detalhes. ? Razão entre a irradiação global que atinge a superfície terrestre e a irradiação que incide no topo da atmosfera. 92 O programa SunData, desenvolvido pelo Cepel, é uma ferramenta para apoio ao dimensionamento de um SFV. O mesmo é baseado no banco de dados CENSOLAR (além de outras fontes), contendo valores de irradiação diária média mensal no plano horizontal para cerca de 350 pontos no Brasil e em países limítrofes. O SunData apresenta os dados mensais para planos inclinados em três ângulos de inclinação, orientados para o Equador. Para saber a irradiação solar global diária média mensal de uma localidade basta entrar com as s coordenadas geográficas. Esse programa pode ser acessado através da página do Cresesb: www.cresesb.cepel.br. O programa RADIASOL 2, desenvolvido no LABSOL da UFRGS, permite que o usuário defina o ângulo de inclinação e o ângulo de orientação azimutal do plano dos módulos. O usuário deve entrar com dados de irradiação diária em média mensal sobre um plano horizontal e dados de temperatura em base mensal (ou utilizar dados incorporados na instal: ção do programa) e selecionar a localização e orientação do plano em estudo. O programa então sintetiza dados horários de irradiação global, divide esses dados em valores de radiação direta e difusa para cada hora ao longo de um ano, e calcula a irradiação horária sobre o plano inclinado. Como resultado, é possível observar em gráfico ou exportar dados mensais ou horários de radiação solar e suas componentes direta e difusa e dados de temperatura ambiente necessários para uma simulação. Quando o usuário não possui os dados mensais de um local de interesse, pode buscar no banco de dados incorporado ao programa, o qual contém dados do Atlas Solarimétrico, e do programa SWERA, e utilizar ferramentas de interpolação ou de busca pelos dados do Atlas Brasileiro de Energia Solar através do posicionamento do mouse sobre o mapa. O programa RADIASOL 2 está disponível para download gratuito na página: www.solar.ufrgs.br. A Figura 2.20 mostra a interface da seleção do estado do Brasil para iniciar o programa RADIASOL 2. Arrastando o mouse pelo mapa do Brasil é possível ver uma estimativa das diferenças climáticas, e selecionando-se um círculo vermelho escolhe-se um estado. A partir daí pode-se selecionar uma estação com dados existentes ou inserir novas localidades, ou ainda editar os dados a qualquer momento. PR [E3) a E) EEE apas (WE RA) o o JEMAMIJASOND [ERES o o JEHANIJASON JEHANIJASON Figura 2.20 - Interface de utilização do programa RADIASOL2. O programa METEONORM é um software comercial desenvolvido por METEOTEST (Suíça) que possui uma base de dados climatológicos para vários locais no mundo e de uso em aplicações para aproveitamento energético. O programa também apresenta facilidades de cálculo de radiação incidente sobre planos inclinados e também incorpora um mecanismo de sintetização de séries de dados. 2.7.4—- Comparação entre dados de irradiação solar de diversas fontes Os dados de irradiação solar disponíveis para o território brasileiro nas diversas fontes citadas podem apresentar discrepâncias apreciáveis. A título de exemplo, as Figuras 2.21 e 2.22 mostram as médias diárias mensais e a média anual incidente sobre um painel inclinado de 10º em relação ao plano horizontal e orientado na direção do Norte geográfico, para duas localidades na região Norte do país: Rio Branco-AC (-10ºS 68ºW) e Manaus-AM (-3ºS 60ºW), segundo diversas fontes. 96 Radiação solar média diária (KWh/m2) Radiação solar média diária no coletor inclinado de 10º N - Rio Branco/AC —e- Atlas-SWERA —— NASA —- Sundata —- Atlas-UFPE -0- Atlas-SWERA-média anual é NASA-média anual —- Sundata-média anual 3.5 E Atlas-UFPE-média anual 2 3 4 5 6 7.8 9 10 11/12 Mês Figura 2.21 - Médias mensais e anual da radiação solar média diária incidente sobre um coletor inclinado de 10ºN na região de Rio Branco. A média anual de cada série está mostrada por um símbolo sobre o eixo vertical no "mês zero". Cada série é Radiação solar média diária (kWh/m2) proveniente de um banco de dados diferente. Fonte: (SOARES et al., 2010). Radiação solar média diária no coletor inclinado de 10º N - Manaus/AM / PSA —e- Atlas-SWERA —— NASA —- Sundata —- Atlas-UFPE -0- Atlas-SWERA-média anual — NASA-média anual —- Sundata-média anual —E Atlas-UFPE-média anual 2 3 4 5 6 7.8 9 1 1/12 Figura 2.22 - Médias mensais e anual da radiação solar média diária incidente sobre um coletor inclinado de 10ºN na região de Manaus. A média anual de cada série está mostrada por um símbolo sobre o eixo vertical no "mês zero". Cada série é proveniente de um banco de dados diferente. Fonte: (SOARES et al., 2010). 97