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PAINEL FOTOVOLTAICO DE BAIXO CUSTO
Jaqueline de Oliveira Gama
Projeto de Graduao apresentado ao Curso
de Engenharia Eltrica da EscolaPolitcnica, Universidade Federal do Rio deJaneiro, como parte dos requisitosnecessrios obteno do ttulo deEngenheiro.
RIO DE JANEIRO
FEVEREIRO DE 2014
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PAINEL FOTOVOLTAICO DE BAIXO CUSTO
Jaqueline de Oliveira Gama
PROJETO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DEENGENHARIA ELTRICA DA ESCOLA POLITCNICA DA UNIVERSIDADEFEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS
NECESSRIOS PARA A OBTENO DO GRAU DE ENGENHEIRO
ELETRICISTA.
Examinada por:
__________________________________
Prof. Jorge Luiz do Nascimento, Dr. Eng.
(Orientador)
__________________________________
Prof. Sergio Sami Hazan, Ph.D
__________________________________
Jlio Csar Ferreira de Carvalho, M. Sc
RIO DE JANEIRO, RJBRASIL
FEVEREIRO DE 2014
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Gama, Jaqueline de Oliveira
Painel Fotovoltaico de Baixo Custo/ Jaqueline de Oliveira Gama. Rio de Janeiro: UFRJ/ Escola Politcnica, 2014.
xii, 66 p.:Il.; 29,7 cm.
Orientador: Jorge Luiz do Nascimento
Projeto de Graduao UFRJ/ Escola Politcnica/ Curso de
Engenharia Eltrica, 2014.
Referncias Bibliogrficas: p.63-66
1. Gerao de Energia Solar Fotovoltaica. I. Nascimento, Jorge Luizdo. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politcnica,Curso de Engenharia Eltrica. III. Ttulo.
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AGRADECIMENTOS
Agradeo primeiramente a Deus, por ter me abenoado em toda minha trajetria
e me dado fora em todos os momentos. E a Nossa Senhora que intercedeu por mim em
todas as horas.
Aos meus pais, dedico todo esse trabalho, por sonharem comigo e terem feito o
possvel e o impossvel para que pudesse chegar at aqui. Sem vocs nada disso seria
possvel. Obrigada pelo amor incondicional, apoio, compreenso e pacincia em todos
os momentos. minha irm, pela parceria nessa jornada e na vida. Obrigada pelas palavras de
incentivo e pelo apoio, inclusive na reviso deste trabalho.
Ao meu orientador Jorge Luiz, pelo carinho e pacincia com que sempre
buscava conduzir o projeto, mostrando sempre sua experincia com simplicidade.
Lembrarei com saudade das conversas e conselhos.
Aos professores do Departamento de Engenharia Eltrica pela dedicao com
que transmitem seu conhecimento. E aos demais funcionrios, sempre atenciosos para
resolver os nossos problemas.
Dedico tambm aos meus queridos amigos, que me acompanharam e
incentivaram durante todo curso. O carinho de vocs foi fundamental.
Entrega teu caminho ao Senhor, confia Nele e Ele o far. Sl 37,5
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RESUMO
A necessidade de tornar a matriz energtica mais limpa tem impulsionado o
desenvolvimento das fontes alternativas. A obteno de energia de forma sustentvel
um dos benefcios deste tipo de gerao, no entanto altos custos, em alguns casos, so
empecilhos para o aumento da participao como fonte de energia eltrica.
A energia solar fotovoltaica ainda possui custo de gerao bastante alto, em
relao a tipos convencionais, devido principalmente ao preo dos painis solares. Isto
porque o processo de manufatura dos mesmos ainda bastante alto, embora estmulos
para utilizao de energia fotovoltaica venham contribuindo para a reduo nestes
custos.
No presente trabalho apresentado o processo de fabricao do painel
fotovoltaico comercial e mostra a montagem sustentvel de um mdulo com o objetivo
de reduzir os custos do mesmo. Ao fim so apresentados os resultados dos ensaios que
comprovam que o prottipo apresenta caractersticas compatveis com os mdulos
tradicionais.
Palavras-chave: Energia, Solar, Fotovoltaica, Fontes Renovveis, Gerao de Energia.
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ABSTRACT
The need to make the cleanest energy matrix has driven the development of
alternative sources. Obtaining energy sustainably is one of the benefits of this type of
generation, however high costs in some cases are obstacles to increased participation as
a source of electricity.
Solar PV still has fairly high cost of generation compared to conventional types,
mainly due to the price of solar panels. This is because the process of their manufacture
is still quite high, although incentives for use of photovoltaic energy will contribute to
reducing these costs.
In this paper we present the manufacturing process of commercial photovoltaic
panel and shows the sustainable mount a module in order to reduce its cost. After the
test results that demonstrate that the prototype features compatible with the features
traditional modules are presented.
Keywords: Energy, Solar, Photovoltaic, Renewable Source, Energy generation.
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No, no pares! graa divina comear bem.Graa maior prosseguir na caminhada certa, mantero ritmo... Mas a graa das graas no desistir,
podendo ou no, embora aos pedaos chegar at ofim!
DOM HLDER CMARA
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SUMRIO
1INTRODUO........................................................................................................................ 1
1.1 Objetivo.................................................................................................................................. 2
2 PANORAMA DAS FONTES RENOVVEIS....................................................................... 4
2.1 FONTES RENOVVEIS..................................................................................................... 4
2.1.1Biomassa e Biogs............................................................................................................... 4
2.1.2 Pequenas Centrais Hidroeltricas (PCH)......................................................................... 6
2.1.3Energia Elica..................................................................................................................... 8
2.1.4 Energia Solar...................................................................................................................... 9
2.1.4.1Energia Termo Solar....................................................................................................... 10
2.1.4.2Energia Fotovoltaica....................................................................................................... 11
2.2Fontes Renovveis: incentivos para expanso.................................................................. 12
3ENERGIA SOLAR: HISTRIA E ESTADO DA ARTE.................................................. 19
4 CARACTERSTICAS DA CLULA FOTOVOLTAICA................................................. 22
4.1 Estrutura Atmica.............................................................................................................. 22
4.2 Modelo da Clula Fotovoltaica........................................................................................... 28
5 MOTIVAO E PROPOSTA PARA REDUO DE CUSTOS..................................... 33
5.1 Desenvolvimento Tcnico................................................................................................... 40
5.1.1Localizao da instalao.................................................................................................. 41
5.1.2 Clculo do consumo de carga............................................................................................ 42
5.1.3Especificaes do Sistema Fotovoltaico............................................................................ 42
5.2Proposta................................................................................................................................ 47
5.3Ensaios.................................................................................................................................. 49
6PAINEL CONVENCIONAL E PROTTIPO.................................................................... 53
7 CONCLUSO ....................................................................................................................... 60
REFERNCIA ......................................................................................................................... 62
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NDICE DE FIGURAS
Figura 2.1-Sistema de converso em usina termeltrica biomassa [2] ....................................... 5
Figura 2.2 Sistema de converso do biogs [1] ............................................................................. 6
Figura 2.3 Sistema de PCH [4]...................................................................................................... 7
Figura 2.4 Evoluo global da capacidade instalada de painis fotovoltaicos entre 2000-2012[44] .............................................................................................................................................. 15
Figura 2.5 Crescimento da Matriz Energtica brasileira no perodo de 2010 a 2020 [10] .......... 17
Figura 3.1 Gerald Pearson, Daryl Chapin, Calvin Fuller e a primeira clula solar, no Bell ....... 20
Figura 4.1 - Ligao covalente composta por semicondutores [13] ............................................ 23
Figura 4.2 Retculo cristalino formado pelo silcio [13] ............................................................. 23
Figura 4.3 Semicondutor. A lacuna de energia entre a banda de valncia cheia e a de conduo muito pequena, de modo que alguns eltrons podem ser excitados nas temperaturas ambientesat a banda de conduo, deixando buracos na banda de valncia. [Elaborao Prpria] .......... 24
Figura 4.4 - Sensibilidade ao Espectro de Luz [14] .................................................................... 25
Figura 4.5 - Diagrama representando um conjunto de tomos de silcio, e uma impurezapentavalente central, gerando um eltron livre. [Elaborao Prpria] ........................................ 26
Figura 4.6 - Diagrama representando um conjunto de tomos de silcio, apresentando um tomo
central trivalente, gerando uma lacuna na rede. .......................................................................... 27
Figura 4.7 - Clula fotovoltaica elementar [Elaborao Prpria] ................................................ 27
Figura 4.8 - Caracterstica I-V da clula de um diodo de silcio [Elaborao Prpria]............... 27
Figura 4.9 - Clula fotovoltaica e modelo equivalente ideal alimentando uma carga Z ............. 27
Figura 4.10 Efeito da intensidade luminosa na curva I-V [16] ................................................... 30
Figura 4.11 Influncia da resistncia em paralelo (Rp) na curva I-V [36] .................................. 32
Figura 4.12Influncia da resistncia em srie (Rs) na curva I-V [36]............................... 32Figura 4.13 Influncia da resistncia em paralelo (Rp) na curva I-V [36] .................................. 32
Figura 5.1Grfico da evoluo dos preos do Mdulo Fotovoltaico no perodo de 2001 a 2011[37] .............................................................................................................................................. 38
Figura 5.2Grfico da evoluo de preos de Mdulos e Sistemas fotovoltaicos no perodo de2001 a 20115 [37] ........................................................................................................................ 38
Figura 5.3 Sistemas Fotovoltaico para configurao isolada [43] .............................................. 40
Figura 5.4 Curva de Consumo da Carga durante o ano [39] ....................................................... 40
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Figura 5.5 Diagrama de blocos e conexes de ensaio conforme norma IEC 904-3 [42] ............ 50
Figura 6.1 Soldagem automtica [17] ......................................................................................... 54
Figura 6.2 (a) Terminal positivo da clula. (b) Terminal negativo da clula [Elaborao Prpria]..................................................................................................................................................... 56
Figura 6.3 Processo de soldagem de clula fotovoltaica [Elaborao Prpria]........................... 57
Figura 6.4 Camada posterior j soldada [Elaborao Prpria] .................................................... 57
Figura 6.5 Interligao entre parte frontal e posterior, soldadas [Elaborao Prpria] ............... 58
Figura 6.6 Clulas Interligadas em srie [Elaborao Prpria] ................................................... 59
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NDICE DE TABELAS
Tabela 2.1 - Evoluo da Produo de Energia Eltrica a partir de Fontes Renovveis na UE .. 14
Tabela 2.2 - Evoluo da Produo de Energia Eltrica a partir de Fontes Renovveis no Brasil..................................................................................................................................................... 14
Tabela 2.3 Participao das Fontes de Gerao no Brasil (%) .................................................... 18
Tabela 5.1 - Custo de investimento em sistemas fotovoltaicos - Referncia Internacional(US$/kWp) .................................................................................................................................. 34
Tabela 5.2 - Eficincia Tpica dos mdulos comerciais .............................................................. 34
Tabela 5.3Indicativo de preos para sistemas instalados em 2011 (US$/W) [8] ................... 37
Tabela 5.4Valores tpicos de implantao de usinas geradoras de energia ............................. 39
Tabela 5.5 - Radiao mdia diria na regio do Rio de Janeiro (Santa Cruz) [38] ................... 41
Tabela 5.6 - Consumo mensal de energia em kWh na residncia [39] ....................................... 42
Tabela 5.7 - Especificaes da Bateria Selecionada ................................................................... 44
Tabela 5.8 - Especificaes do Mdulo ...................................................................................... 45
Tabela 5.9 - Especificaes do Inversor ..................................................................................... 46
Tabela 5.10 - Especificao Controlador de Carga ..................................................................... 46
Tabela 5.11 - Oramento do Sistema Fotovoltaico ..................................................................... 47
Tabela 5.12 - Comparao de custo entre as alternativas de prottipo ....................................... 48
Tabela 5.13 - Oramento do Sistema Fotovoltaico com mdulos alternativos ........................... 49
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SIMBOLOGIA
I0 Corrente de saturao do diodo
ICC Corrente de Curto-circuito
ID Corrente de Descarga
IL Corrente de Carga
IOC Corrente a Vazio
k Constante de Boltzmann (k=1,38x10-23 m2kgs-2K-1)
m Fator de idealidade do diodo (diodo ideal: m = 1; diodo real: m>1);
MPPT Maximum Power Point
q Carga do eltron (q=1,6x10- C)
RP Resistncia em paralelo
RS Resistncia em srie
T Temperatura absoluta da clula em K (0oC = 273,15K)
V Tenso aos terminais da clula
VOC Tenso a Vazio
VT Potencial trmico VT= KT/q
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1 INTRODUO
Nas ltimas dcadas a extensa utilizao de combustveis fsseis como fonte
energtica tem sido questionada, seja pela caracterstica no renovvel, o que
encaminha escassez em longo prazo ou pela questo ambiental a que este tipo de fonte
vem sendo associado. A necessidade de buscar outras solues para compor e
diversificar a matriz energtica mundial levou ao aumento pela pesquisa e
desenvolvimento das fontes alternativas. O desafio, no entanto, foi tornar tais
tecnologias a preo competitivo no mercado, de tal sorte que pudessem efetivamente
ganhar espao na matriz energtica como fonte de gerao de energia eltrica e assim
torn-la mais limpa.
Nesse contexto, ocorreu o desenvolvimento da energia solar fotovoltaica. O
domnio sobre a gerao de energia atravs da radiao solar, j era conhecido h
bastante tempo, contudo, o alto custo para fabricao da clula e sua baixa eficincia,
impediam que este tipo de energia fosse realmente vivel. No entanto, os incentivos
governamentais contriburam para o aumento da produo de painis, o que afetou
positivamente o custo da fabricao dos mesmos. Em decorrncia disso, houve uma
expanso nas reas de pesquisa em energia fotovoltaica, que contribuiu para o
surgimento de outros tipos de clulas, com menor custo, porm com menor eficincia,
na tentativa de torna a energia fotovoltaica mais competitiva. Hoje j possvel
encontrar clulas com valor de cerca de US$2,00/W, comparado aos preos da dcada
de 1950, que segundo a U.S Energy Information Administration, de aproximadamente
US$80/W, que mostra que o avano da gerao por energia solar contribuiu para a
diminuio dos custos de fabricao.
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Os painis fotovoltaicos podem ser utilizados conectados rede ou em sistemas
isolados. No entanto esse ltimo o mais aplicado, porque embora seja alto seu custo de
instalao, mostra-se vantajoso comparado aos custos da extenso das redes, por em
geral serem aplicados em regies de difcil acesso para instalao e manuteno de
linhas de transmisso.
1.1Objetivo
O presente trabalho tem por objetivo discutir sobre os progressos e obstculos
para a aplicao dos mdulos fotovoltaicos. A partir da anlise do desenvolvimento das
fontes renovveis, percebe-se que a energia solar fotovoltaica ainda no apresenta a
expanso compatvel com sua capacidade de explorao. Isso porque o custo da
implantao do sistema ainda elevado principalmente dos mdulos fotovoltaicos
se comparado s demais renovveis. Em vista disso, buscou-se uma alternativa de
reduo de custo, focando no principal gargalo para implantao do sistema, o painel
fotovoltaico. Para isso foi desenvolvido um mdulo fotovoltaico utilizando clulas de
silcio por apresentar maior rendimento porm propondo possvel uma possvel
reduo de custos do processo atravs de substituies de itens da fabricao por
materiais reutilizados. Dessa forma, tambm poderiam ser fabricados por comunidades
carentes como forma de gerao de renda e disseminao da tecnologia.
No Captulo 2, apresenta-se um panorama das fontes alternativas mostrando suas
vantagens e desvantagens; e o motivo do crescimento de desenvolvimento comparando
com a energia solar. No Captulo 3 mostra-se evoluo das clulas fotovoltaicas,
expondo os motivos que levaram reduo de custo.
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No Captulo 4 h a descrio da modelagem da clula solar, mostrando as curvas
caractersticas e os parmetros da mesma. J no Captulo 5 apresenta-se o prottipo do
painel fotovoltaico sustentvel, com os ensaios realizados e onde se expe uma
comparao entre um sistema fotovoltaico orado com painel convencional e outro com
o painel sustentvel, enfocando suas vantagens e desvantagens. E no Captulo 6
apresentado o processo de fabricao do painel fotovoltaico de baixo custo.
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2 PANORAMA DAS FONTES RENOVVEIS
Os recursos utilizados para gerao de energia podem ser classificados de duas
formas: no renovveis, onde se enquadram aqueles que apresentam risco de extino
ou so consumidos com maior rapidez do que a natureza consegue rep-los, como no
caso dos materiais radioativos e do petrleo, com seus derivados. No outro grupo se
enquadram os recursos renovveis cuja utilizao no agride ao meio ambiente e a
matria prima inesgotvel, neste grupo esto sol, vento, gua, material orgnico.
Dentre as principais fontes capazes de gerar energia eltrica destacam-se:
2.1 Fontes Alternativas
2.1.1 Biomassa e Biogs
A biomassa obtida pelo processamento dos resduos das plantaes de soja,
arroz, milho ou cana-de-acar. Qualquer matria orgnica que possa ser transformada
em energia mecnica, trmica ou eltrica classificada como biomassa. De acordo com
a origem pode ser: florestal (madeira, principalmente), agrcola (soja, arroz e cana de
acar, entre outras) e rejeitos urbanos e industriais (slidos, como o lixo) que so
armazenados nos ptios de biomassa onde passam por um processo de triturao e
secagem como mostra aFigura 2.1.Em seguidaso levados a caldeira onde sua queima
gerar energia mecnica suficiente para acionar a turbina do gerador e produzir energia
eltrica.
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Figura 2.1-Sistema de converso em usina termeltrica biomassa [2]
Um dos processos mais comuns de obteno de biomassa o biogs, uma
mistura resultante da fermentao anaerbia de material orgnico encontrado em
resduos animais e vegetais, lodo de esgoto, lixo ou efluentes industriais, como vinhaa
(resduo pastoso resultante da destilao da cana-de-acar), restos de matadouros,
curtumes e fbricas de alimentos. No caso do biogs a energia qumica contida em suas
molculas convertida em energia mecnica por um processo de combusto controlada
na estao de compresso e queimador. Essa energia mecnica ativa um gerador que a
converte em energia eltrica conforme ilustrado naFigura 2.2.
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Figura 2.2 Sistema de converso do biogs [1]
Vantagens:
Pode ser produzido em meios rurais, em que pode contribuir para reduo com
custo de energia eltrica das mesmas.
Reduo da emisso dos gases de efeito estufa.
Desvantagens:
A quantidade de energia produzida no constante, no podendo ser utilizadacomo principal fonte de energia.
Alto perodo para recuperao do investimento.
2.1.2 Pequenas Centrais Hidroeltricas (PCH)
De acordo com a ANEEL [2], PCH (Pequena Central Hidreltrica) toda usina
hidreltrica de pequeno porte cuja capacidade instalada seja superior a 1 MW e inferior
a 30 MW. Alm disso, a rea do reservatrio deve ser inferior a 3 km [4].
Uma PCH tpica normalmente opera a fio d'gua, isto , no possui reservatrio.
Com isso, em ocasies de estiagem a vazo disponvel pode ser menor que a capacidade
das turbinas, causando ociosidade. Em outras situaes, as vazes so maiores que a
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capacidade de turbinar das mquinas, permitindo a passagem da gua pelo vertedouro.
Por esse motivo, o custo da energia eltrica produzida pelas PCHs maior que o de uma
Usina Hidreltrica de Energia (UHE), onde o reservatrio pode ser operado de forma a
diminuir a ociosidade ou os desperdcios de gua.
Entretanto as PCHs so instalaes que resultam em menores impactos
ambientais e se prestam gerao descentralizada. Este tipo de hidreltrica utilizado,
principalmente, em rios de pequeno e mdio porte que possuam desnveis significativos
durante seu percurso, gerando potncia hidrulica suficiente para girar as turbinas. As
PCHs so dispensadas ainda de remunerar municpios e estados pelo uso dos recursos
hdricos. NaFigura 2.3 encontra-se a demonstrao genrica de uma PCH:
Figura 2.3 - Sistema de PCH [4]
Vantagens:
Padro de financiamento bem definido;
Preo competitivo.
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A construo s depende da aprovao da ANEEL, portanto a construo mais
rpida e com menor impacto social;
Operam a fio dgua: menor impacto ambiental [3].
Desvantagens:
A burocracia para liberao ambiental, embora simplificado, ainda um entrave
que pode causar atrasos.
As PCHs so boas opes para complementar a necessidade por energia, mas
no podem ser usadas como base da matriz energtica.
So prejudicadas com os mesmos problemas regulatrios do restante do sistema
eltrico [4].
2.1.3 Energia Elica
A energia elica tem-se firmado como uma grande alternativa na composio da
matriz energtica de diversos pases. No Brasil, essa fonte de energia tem se mostrado
uma excelente soluo na busca de formas alternativas de gerao de energia para a
regio Nordeste. uma abundante fonte de energia renovvel, limpa e com grande
disponibilidade. A utilizao desta fonte de energia para a gerao de eletricidade, em
escala comercial, teve incio em 1992 e, atravs de conhecimentos da indstria
aeronutica, os equipamentos para gerao elica evoluram rapidamente em termos de
ideias e conceitos preliminares para produtos de alta tecnologia. Atualmente, a indstria
de turbinas elicas vem acumulando crescimento anual acima de 30% e movimentando
cerca de dois bilhes de dlares em vendas por ano [6].
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Vantagem:
Regime de vento intenso no perodo de seca;
Complementar ao parque hdrico;
Baixo tempo de construo [7].
Desvantagens:
Apesar de precisar de pouco espao, pode ser incompatvel com outras
instalaes nas proximidades, j que a turbulncia que provoca reduz a
produtividade de outros geradores no mesmo alinhamento do vento.
O vento instvel, apesar de se saber que sopra mais durante a noite (perodo de
menor consumo energtico) e no inverno, difcil prever exatamente quando
comea e quando para.
Mesmo quando existe vento, preciso que seja estvel e que atinja no mnimo a
velocidade de arranque do aerogerador.
Maior altitude da torre permite melhor rendimento, mas dificulta o acesso para
reparos.
2.1.4 Energia Solar
Energia solar a designao dada a todo tipo de captao de energia luminosa,
energia trmica (e suas combinaes) proveniente do sol e posterior transformao
dessa energia captada em alguma forma utilizvel pelo homem, seja diretamente para
aquecimento de gua ou ainda como energia eltrica ou energia trmica.
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2.1.4.1Energia termo solar
Este tipo de energia est relacionado ao aquecimento de lquidos ou gases pela
absoro dos raios solares. Geralmente empregada para o aquecimento de gua para uso
em chuveiros ou gases para secagem de gros ou uso em turbinas, esta tcnica utiliza
um coletor solar que ir captar a energia e um reservatrio isolado termicamente onde o
lquido ou gs ser acondicionado. O coletor pode ser classificado em dois tipos: coletor
concentrador, que usa dispositivos para concentrar a radiao solar, ou coletor plano.
Vantagens:
Aquecimento de gua substituindo o chuveiro eltrico impacta na
reduo da conta de energia;
Estufas solares podem ser empregadas em desidratao de frutas com
baixo custo, por exemplo, contribuindo para a reduo de desperdcio de
alimentos;
Foges solares podem substituir foges a lenha e a GLP que provocam
impacto econmico, ambiental e a sade do usurio.
Desvantagens:
Custo dos concentradores;
Como esto suscetveis as condies meteorolgicas, no pode ser a
nica fonte de aquecimento.
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2.1.4.2Energia fotovoltaica
Esta forma de energia visa converso da energia solar em energia eltrica
atravs de clulas fotovoltaicas. As clulas fotovoltaicas mais comuns so feitas de
silcio que passa por um processo de dopagem para adquirir as caractersticas
necessrias. A associao de vrias clulas fotovoltaicas e sua ligao a uma bateria (em
sistemas com armazenamento) gera a energia eltrica que abastecer o sistema, por um
perodo, mesmo sem a presena de sol. As clulas de silcio so as mais tradicionais,
mas tambm as mais caras por conta do custo da etapa de purificao do silcio. No
entanto, j existem outros tipos de clulas fotovoltaicas, como as tecnologias de filme
fino e hbridas; que apresentam menor custo, mas em contra partida apresentam menor
eficincia.
Vantagens:
possvel gerao de energia em sistemas isolados ou conectados rede;
No emite gases do efeito estufa;
No h necessidade de gerador;
No provoca rudo, como no caso da energia elica;
Manuteno de fcil acesso.
Desvantagens:
necessria uma rea grande, no caso de usinas solares, que permita a
orientao dos painis sem o risco de sombreamento, que diminui a
produo.
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Instabilidade na produo devido a condies climticas, o que pode ser
contornado com o uso de baterias.
Alto investimento inicial.
Essas fontes de energia, chamadas de energia renovveis, tm ganho cada vez
mais espao na matriz energtica mundial, crescendo tambm a importncia em seus
desenvolvimentos. Isto porque nas ltimas dcadas houve um enfoque maior na relao
entre a gerao de energia eltrica e seus impactos ambientais, mas principalmente em
buscar alternativas que diminuam a dependncia do petrleo. Neste contexto a energia
solar ganhou grande destaque por sua enorme potencialidade ainda pouco explorada. No
prximo tpico, ser apresentado o cenrio econmico que levou a incentivos de
desenvolvimento da energia fotovoltaica que vem acarretando na diminuio dos preos
da implantao da mesma.
2.2 Fontes Renovveis: incentivos para expanso
Questionamentos a respeito da escassez dos recursos no renovveis que
respondem a uma larga fatia da matriz energtica mundial tm sido levantados.
Algumas afirmaes ratificam a abundncia de recursos energticos e que algumas
fontes sozinhas poderiam suprir a demanda mundial de energia, apontando para o
carvo, nuclear, solar, ventos, mars como fontes inesgotveis. De fato desde a dcada
de 80, j havia estudos a cerca dos impactos dos gases do efeito estufa, mas foi no incio
da dcada de 90 que o IPCC (Intergovernmental Panelon Climate Change)
estabelecido em 1988 pelaOrganizao de Meteorologia Mundial (OMM) e Programa
de Naes Unidas para o Meio Ambientelanou seu primeiro estudo sobre mudanas
climticas que indicavam duas tendncias principais: o aumento da temperatura global
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fugia dos padres conhecidos e a concentrao de gases do efeito estufa extrapolava o
padro histrico conhecido.
Os impactos dessa situao seriam mais negativos que positivos. No entanto, na
poca a ligao entre ao humana e elevao de temperatura, e a concentrao de gases
de efeito estufa j era considerada uma hiptese possvel, porm cercada de dvidas
pela comunidade cientfica em geral, tanto que o IPCC classificou como 50% a
probabilidade de tal associao. Desde ento, os seguintes relatrios s aumentaram a
porcentagem desta relao, chegando a 95% no relatrio de 2007 [7].
O Relatrio Stern (2006)1 definiu que se nenhuma medida fosse tomada em
relao s emisses de gases de efeito estufa, o total dos custos das alteraes climticas
era equivalente perda anual de, no mnimo, 5% do PIB global. Se fosse considerada
uma srie de impactos mais amplos, o custo poderia aumentar para 20% ou mais do
PIB. Por outro lado, a adoo de medidas para reduo das emisses de gases, buscando
mant-las prximas dos nveis existentes, seria aproximadamente 1% do PIB global.Em virtude dessas projees comeou um estmulo a expanso da participao
das fontes alternativas na matriz energtica. A Unio Europeia, em 2001, reconheceu a
necessidade de oficialmente promover as fontes de energias renovveis, considerando
os pontos estratgicos para proteo ambiental e o desenvolvimento sustentvel, atravs
de decreto que previa estabelecer como meta para a Europa a produo de 22% da
energia eltrica consumida a partir de fontes renovveis. Embora a projeo fosse
tmida, houve um aumento da participao na Europa, que passou de 13% em 1991 para
22% em 2010. A Tabela 2.1 apresenta a evoluo da produo de energia eltrica a
1Relatrio Stern (2006) um estudo encomendado pelo governo Britnico sobre os efeitos na economia mundial das alteraes climticas nos
prximos 50 anos.
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partir de diversas fontes de energia renovveis na UE15, no perodo de 2002 a 2011 e a
Tabela 2.2 mostra os nmeros no cenrio brasileiro.
Tabela 2.1 Evoluo da Produo de Energia Eltrica a partir de Fontes Renovveis na UE
Gerao de Energia Eltrica na Unio Europeia (GWh) [8]
2002 2006 2011
Solar Fotovoltaica 282 2.493 44.972
Hidroeltrica 315.035 309.285 306.126
Energia Elica 36.317 82.301 179.015
Energia das Mars 536 519 534
Tabela 2.2 Evoluo da Produo de Energia Eltrica a partir de Fontes Renovveis no Brasil
Gerao de Energia Eltrica na Brasil (GWh) [10]
2003 2006 2011
Solar Fotovoltaica 0,02 0,02 0,02
Hidroeltrica 305.616 348.805 428.333
Energia Elica 61 237 2.705
Nuclear 14 14 15
Percebe-se ento que a necessidade de buscar novas fontes de energia vem
crescendo e que a energia renovvel apresenta maior confiabilidade. A energia solar
fotovoltaica apresentou forte crescimento entre os pases da Unio Europeia, como
mostra a Figura 2.4, resultado dos incentivos para aplicao e gerao de eletricidade
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atravs do sol, o que impulsionou tambm a queda nos custos de instalao das mesmas.
Observa-se que, comparado a outras regies do mundo, os investimentos neste tipo de
energia foram muitos maiores na Europa, chegando a ser mais de 60% da capacidade
instalada no mundo em 2012. Isso mostra o quanto a UE tem investido na energia
fotovoltaica e que a confiabilidade da mesma vem crescendo.
Figura 2.4 Evoluo global da capacidade instalada de painis fotovoltaicos entre 2000-2012 [44]
No Brasil, no entanto, para o mesmo perodo no houve grande crescimento
neste setor, visto que uma faixa pouco representativa de energia foi gerada, em
comparao com outras fontes que tiveram grande projeo. A maior parte dos
investimentos em energia fotovoltaica foi realizada em sistemas isolados, segundo a
EPE (Empresa de Pesquisas Energticas), devido aos custos, priorizou-se a expanso
das PCHs, elica e biomassa.
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No que se refere ao Brasil a composio da matriz energtica bem distinta
comparada ao cenrio mundial, de acordo com o Balano Nacional de Energia, para a
gerao de energia eltrica mais de 80% da matriz renovvel, com 75% de hidrulica
(em 2011), cenrio diferente comparado produo mundial que detm 18,2% da
matriz proveniente de fontes alternativas, onde 16,3% so oriundas de hidroeltricas.
Incentivos governamentais como Programa de Incentivo s Fontes Alternativas
de Energia Eltrica PROINFA ajudaram a inserir novos recursos para gerao de
energia. Tal iniciativa tem como objetivos principais a diversificao das fontes de
forma a aumentar a segurana no abastecimento e valorizar as caractersticas e
potencialidades regionais e locais, com criao de emprego, capacitao e formao de
mo de obra, alm da reduo das emisses de gases de efeito estufa. Para isso,
estabeleceram como meta, em uma primeira fase, a implantao de 3.300 MW de
capacidade instalada de centrais elicas, biomassa e pequenas centrais hidreltricas
(PCH), igualmente divididas entre as referidas fontes.
No Plano Decenal de Energia 20202 percebe-se que a participao das fontes
alternativas (sendo as consideradas neste caso: elica, PCHs, biomassa oriunda do
bagao da cana de acar) tendem a ter uma projeo maior para o perodo de estudo. A
Figura 2.5 extrada do mesmo retrata a expanso da capacidade hidrotrmica por tipo de
fonte que dever ser de 171 GW at o final de 2020. [10]
2Plano Decenal de Energia (PDE) o estudo sobre o planejamento energtico do Brasil publicado pela
Empresa de Pesquisa Energtica (EPE) projetado no horizonte de dez anos.
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Figura 2.5 Crescimento da Matriz Energtica brasileira no perodo de 2010 a 2020 [10]
O resultado da expanso das fontes renovveis, mostrado na Figura 2.5
consequncia dos empreendimentos do PROINFA, que projeta um crescimento de 137
empreendimentos, sendo: 62 pequenas centrais hidreltricas (PCH), 21 usinas
termeltricas a biomassa (BIO) e 54 usinas elicas (EOL). Observa-se que a maior parte
dos empreendimentos foi prevista para a regio Sudeste e Centro-Oeste, prxima aos
grandes centros e de maior facilidade de interligao ao SIN (Sistema Interligado
Nacional).
Pelo estudo, espera-se que a participao das fontes alternativas passe de 8%
(2010) para 16% em 2020, conforme aTabela 2.3,reflexo das entradas, principalmente,
das PCHs e do aumento da gerao elica. interessante observar que com a entrada
cada vez maior dessas fontes, pode-se observar que haver uma estagnao na
participao das termoeltricas, o que refora a confiabilidade da gerao renovvel.
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Tabela 2.3 Participao das Fontes de Gerao no Brasil (%) [10]
2010 2014 2020
Hidroeltrica 71,7 67 67
Termoeltrica 12,8 19 15
Nuclear 1,9 1 2
PCH, Elica e
Biomassa 7,4 13 16
Embora o PROINFA incentive a implantao de Fontes Alternativas, foi em
outro programa que a energia solar ganhou maior destaque, no Programa de
Desenvolvimento Energtico de Estados e Municpios (PRODEEM) o qual tinha uma
projeo social voltada para a utilizao de fontes alternativas em regies fora da rede
de distribuio, seguindo a tendncia mundial [10], que entre 2000 e 2001, teve taxa de
crescimento para energia fotovoltaica de 40%, superando 300 MW de produo de
mdulos fotovoltaicos por ano.
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3 ENERGIA SOLAR: HISTRIA E ESTADO DA ARTE
O efeito fotovoltaico foi observado pela primeira vez em 1839 por Edmond
Becquerel que verificou que placas metlicas, de platina ou prata, mergulhadas em um
eletrlito, produziam uma pequena diferena de potencial quando expostas luz. Mais
tarde, em 1877, dois inventores norte americanos, W. G. Adams e R. E. Day utilizaram
as propriedades fotocondutoras do selnio para desenvolver o primeiro dispositivo
slido de produo de eletricidade por exposio luz. Tratava-se de um filme de
selnio depositado num substrato de ferro e com um segundo filme de ouro,
semitransparente, que servia de contato frontal. Apesar da baixa eficincia de
converso, da ordem de 0,5%, nos finais do sculo XIX o engenheiro alemo Werner
Siemens comercializou clulas de selnio como fotmetros para mquinas fotogrficas.
A histria da energia fotovoltaica teve seu incio com a explicao do efeito
fotoeltrico por Albert Einstein em 1905, o surgimento da mecnica quntica e, em
particular, a teoria de bandas e a fsica dos semicondutores, assim como as tcnicas de
purificao e dopagem associadas ao desenvolvimento do transistor de silcio.
O engenheiro do Bell Laboratories (Bell Labs), Daryl Chapin (Figura 3.1),
estudava solues para substituir as baterias que mantinham a rede telefnica remotas
em funcionamento. Em seus estudos, Chapin, havia realizado testes com clulas solares
de selnio, j conhecidas naquela poca por seus resultados muito ruins, com eficincia
mxima inferior a 1%. Porm Gerald Pearson, ao realizar testes com clulas solares de
silcio, verificou que a eficincia de converso era de cerca de 4%.
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Figura 3.1 Gerald Pearson, Daryl Chapin, Calvin Fuller e a primeira clula solar, no Bell
A histria da primeira clula solar, como conhecida hoje, comeou em maro
de 1953 quando Calvin Fuller desenvolveu um processo de difuso para introduzir
impurezas em cristais de silcio, de modo a controlar as suas propriedades eltricas (um
processo chamado dopagem). Fuller produziu uma barra de silcio dopado com uma
pequena concentrao de glio, que o torna condutor, sendo silcio do tipo P. Seguindoas instrues de Fuller, o fsico Gerald Pearson, mergulhou esta barra de silcio dopado
num banho quente de ltio, criando assim na superfcie da barra uma zona com excesso
de eltrons livres, chamados silcio do tipo N. Na regio onde o silcio tipo N fica em
contato com o silcio tipo P, a juno P-N, surge um campo eltrico permanente.
No entanto, rapidamente se compreendeu que o custo das clulas solares era
muito elevado, e que a sua utilizao s podia ser economicamente competitiva em
aplicaes muito especiais, como, por exemplo, para produzir eletricidade no espao.
Mas, se o desenvolvimento das clulas solares nos anos sessenta foi, sobretudo,
motivado pela corrida ao espao, o que levou a clulas mais eficientes, mas no
necessariamente mais econmicas, foi nessa dcada que surgiram as primeiras
aplicaes terrestres. Esta situao viria a mudar de figura quando, em 1973, o preo do
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petrleo quadruplicou.
O pnico criado pela crise petrolfera de 1973 levou a um sbito investimento
em programas de investigao para reduzir o custo de produo das clulas solares.
Algumas das tecnologias financiadas por estes programas revolucionaram as ideias
sobre o processamento das clulas solares.
o caso da utilizao de novos materiais, em particular o silcio policristalino
(em vez de cristais nicos de silcio, monocristais, muito mais caros de produzir) ou de
mtodos de produo de silcio diretamente em fita (eliminando o processo de corte dos
lingotes de silcio, e todos os custos associados). Outra inovao particularmente
importante do ponto de vista de reduo de custo foi a deposio de contatos por
serigrafia em vez das tcnicas tradicionais: a fotolitografia e a deposio por evaporao
em vcuo. O resultado de todos estes avanos foi a reduo do custo da eletricidade
solar de 80 US$/Wppara cerca de 12 US$/Wpem menos de uma dcada.
Do ponto de vista da eficincia de converso das clulas solares, a barreira dos20% de eficincia foi pela primeira vez ultrapassada pelas clulas de silcio
monocristalino da Universidade de New South Wales. A equipe de Dick Swanson
atingiu os 25% de eficincia em clulas com concentrador.
Foi do resultado de iniciativas de estmulo ao mercado fotovoltaico, como por
exemplo, a lei das tarifas garantidas na Alemanha, que resultou o crescimento
exponencial do mercado da eletricidade solar verificado no final dos anos noventa e
princpios deste sculo: em 1999 o total acumulado de painis solares atingia o patamar
do primeiro GW, para, trs anos depois, o total acumulado seria j o dobro.
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4 CARACTERSTICAS DA CLULA FOTOVOLTAICA
4.1 Estrutura Atmica
A clula solar a pedra angular para a gerao da energia solar. O efeito
responsvel pela gerao da energia consiste na excitao de um material semicondutor
pela radiao solar. Dessa forma h o aparecimento de uma diferena de potencial nos
terminais do material, o chamado efeito fotovoltaico.
Os materiais classificados como semicondutores so elementos que tm como
caracterstica possuir em sua camada de valncia quatro eltrons a baixa temperatura e
que, para serem quimicamente estveis, necessitam de oito eltrons. Para isso realiza a
chamada ligao covalente. Na ligao covalente (Figura 4.1), cada tomo compartilha
um eltron com o tomo vizinho, o que lhe d um total de oito eltrons na camada de
valncia, adquirindo estabilidade qumica para formar o slido. Os eltrons
compartilhados no passam a fazer parte efetivamente do tomo central, portanto,
eletricamente falando, cada tomo ainda continua com quatro eltrons na camada de
valncia e quatorze no total (no caso do Silcio), ou seja, eletricamente neutro. A
camada de conduo, no entanto, totalmente vazia.
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Figura 4.1 - Ligao covalente composta por semicondutores [13]
Os tomos de silcio se distribuem no slido formando uma estrutura cbica,
onde os tomos ocupam os vrtices do cubo. Esta estrutura cbica normalmente
chamada cristal. por isso que o slido de silcio conhecido como cristal de silcio.
(Figura 4.2)
Figura 4.2 Retculo cristalino formado pelo silcio [13]
Se um eltron da camada de valncia receber energia externa como luz, e esta
for maior que a fora de atrao exercida pelo ncleo, o eltron ir para a chamada
banda de conduo. Uma vez na banda de conduo, o eltron est livre para se deslocar
pelo cristal, sendo o mesmo chamado de eltron livre. Ao ir para a banda de conduo,
o eltron deixa um vazio que chamado de lacuna. Entretanto entre as duas camadas,
existe uma faixa de energia que o eltron precisa receber para chegar camada de
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conduo chamada banda proibida, cujo valor 1eV (1,60 x 10-19J) e que, o valor
de energia que o eltron deve absorver para sair da camada de valncia para a de
conduo, recebendo o nome de fton (Figura 4.3).
Figura 4.3 Semicondutor. A lacuna de energia entre a banda de valncia cheia e a de conduo
muito pequena, de modo que alguns eltrons podem ser excitados nas temperaturas ambientes at abanda de conduo, deixando buracos na banda de valncia. [Elaborao Prpria]
O aumento da temperatura melhora a condutividade dos semicondutores devido
excitao trmica de eltrons da banda de valncia para a banda de conduo. A
radiao solar no absorvida , em grande parte, visvel. Para o funcionamento das
clulas solares a faixa de comprimento de onda entre 390 a 1.100 nm (Figura 4.4), oque corresponde ao comprimento de onda do visvel ao infravermelho ou, em termos de
energia, de 1,1 a 3,1 eV3. Como visto, cada material apresenta uma zona de
sensibilidade radiao (Figura 4.4). Os materiais semicondutores que apresentam a
banda proibida dentro dessa faixa, como o Silcio, Arsenieto de Glio, Telureto de
Cdmio, Disseleneto de Cobre-ndio-Glio, entre outros, so os possveis candidatos
para serem utilizados como camada ativa, ou seja, a camada doadora de eltrons, nestes
dispositivos. A energia da banda proibida est relacionada diretamente com as
caractersticas da clula, ou seja, quanto menor a banda, maior a energia que pode ser
absorvida e assim um maior nmero de portadores (maior a corrente). Da mesma forma,
3
E=hc/, onde E: energia, h: Constante de Plank, c: velocidade da luz e : comprimento de onda.
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quanto maior a banda proibida do material, maior tambm ser a tenso de circuito
aberto, pois a energia da banda est relacionada com a magnitude do campo embutido
da juno, o qual determina a mxima tenso que a clula pode produzir. Logo, a
melhor relao entre tenso e corrente obtida em materiais cuja banda se situa entre 1
e 1,8 eV [14].
Figura 4.4 - Sensibilidade ao Espectro de Luz4[14]
Semicondutores puros no garantem o funcionamento da clula fotovoltaica.
Para isso, feito o processo de dopagem do material. O processo de dopagem consiste
em introduzir impurezas ao semicondutor puro, a fim de garantir a troca de eltrons.
So realizados dois processos de dopagem, a primeira a chamada dopagem do
tipo Nque consiste em um semicondutor que recebeu tomos pentavalentes, ou seja,
tomos que possuem cinco eltrons na camada de valncia. Como o caso do Silcio
(Si) que tem nmero atmico 14. Sua distribuio eletrnica 2,8,4; o que significa que
possui quatro eltrons na camada de valncia e necessita de quatro eltrons para tornar-
4
Espectro AM 1.5 (833 W/m
2
)
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se quimicamente estvel. O Fsforo ento utilizado para essa dopagem, cujo nmero
atmico 15, e apresenta distribuio eletrnica 2, 8, 5; o que significa que fica com um
eltron em excesso na ligao com o tomo de silcio (Figura 4.5).
Figura 4.5 - Diagrama representando um conjunto de tomos de silcio, e uma impureza
pentavalente central, gerando um eltron livre [Elaborao Prpria]
A segunda dopagem a chamada dopagem do tipo Pobtida atravs da injeo
de tomos trivalentes no cristal puro. Para essa dopagem utiliza-se o Boro, que tem
distribuio eletrnica 2,3; significa que possui trs eltrons de valncia e ao ser
adicionado quimicamente ao Si, fica com um eltron desemparelhado o que significa
uma lacuna, como ilustrado na Figura 4.6.
P SiSi
Si
Si
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Figura 4.6 - Diagrama representando um conjunto de tomos de silcio, apresentando um tomo
central trivalente, gerando uma lacuna na rede [Elaborao Prpria]
Desta forma obtemos juno SiP chamada juno (-), pois existe um excesso de
eltrons desemparelhados. E uma juno SiB, juno (+), pois existe um dficit de
eltrons. O fato de haver duas camadas estabelece uma diferena de potencial que far
com que os eltrons livres se movam gerando um campo eltrico. Neste processo, so
utilizados materiais semicondutores como o silcio, o arsenieto de glio, telurieto de
cdmio ou disselenieto de cobre e ndio. A clula de silcio cristalino a mais usual.
Na presena de luz sobre a clula fotovoltaica, os ftons que a integram chocam-
se com os eltrons da estrutura de silcio, dando-lhes energia e consequentemente
transformando-os em condutores. Devido ao campo eltrico gerado na juno P-N, os
eltrons so orientados e fluem da camada P para a camada N (Figura 4.7).
Figura 4.7 - Clula fotovoltaica elementar [Elaborao Prpria]
Silcio tipo p
Silcio tipo n
++++
-----
B SiSi
Si
Si
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4.2 Modelo da Clula Fotovoltaica
A juno P-N assemelha-se a um diodo, pois a utilizao de uma diferena de
potencial com o potencial positivo aplicado no material do tipo P diminui a barreira de
potencial e possibilita que a corrente atravesse a interface, enquanto que a aplicao de
uma diferena de potencial inversa aumenta a barreira de potencial e no possibilita a
passagem de corrente. AFigura 4.8ilustra a curva caracterstica de um diodo de silcio.
Figura 4.8 - Caracterstica I-V da clula de um diodo de silcio [Elaborao Prpria]
O modelo de clula no nada mais, nada menos que uma fonte de corrente,
cuja expresso da corrente que atinge a carga dada pela equao (4.1)
1)( 0
TmV
V
SDS eIIIIAI (4.1)
Onde
I0: representa a corrente de saturao do diodo e mrepresenta o fator de idealidade do
diodo, entre 1 e 2.
I
VD
Zona de ConduoZona de Bloqueio
0,7
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q
kTVVT )( (4.2)
k: constante de Boltzmann (k=1,38x10-23 m2kgs-2K-1)
T: temperatura (em K)
q: carga do eltron (q=1,6x10-19C)
O comportamento da clula, quando no est na presena de luz, pode ser
representado pelo circuito equivalente de um diodo e corresponde curva I-V.
Figura 4.9 - Clula fotovoltaica e modelo equivalente ideal alimentando uma carga Z
A expresso (4.3) indica qual a variao da corrente IDque circula atravs de um
diodo quando aplicada uma diferena de potencial aos terminais deste igual a V (Figura
4.9), a chamadaEquao de Shockley
10
TmV
V
D eII (4.3)
Em que
I0: a corrente inversa mxima de saturao do diodo;
ID
I
ZIS V
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V: tenso aos terminais da clula;
m: o fator de idealidade do diodo (diodo ideal: m = 1; diodo real: m>1);
VT: designado por potencial trmico (Equao 4.2);
T: a temperatura absoluta da clula em K (0oC = 273,15K);
q: a carga eltrica do eltron (q=1,6x10-19C).
Ao ser iluminada, surgir uma corrente eltrica (IS) gerada pela absoro dos
ftons que ser proporcional a radiao solar. Quanto maior a intensidade da incidncia
luminosa sobre a clula fotovoltaica, maior o deslocamento da curva I-V sobre o seu
eixo de referncia com mostrado na Figura 4.10.
Figura 4.10 Efeito da intensidade luminosa na curva I-V [16]
Os dois parmetros alcanados da interceptao da curva com o sistema de eixos
para uma dada radiao e temperatura, permitem descrever uma clula fotovoltaica de
uma determinada rea e designam-se por corrente de curto-circuito, ICC(V=0) em que
ICC= IS (4.5)
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A tenso mxima nos terminais da clula por tenso em circuito aberto V OC(I=0), emque
(4. 6)
Em resumo pode-se afirmar que a clula se comporta como diodo quando
escurecida, havendo conduo no 1oquadrante e quando sob radiao solar comporta-se
como fonte de corrente. No entanto no modelo real da clula (Figura 4.11), so
consideradas tambm as perdas RP e RSdetalhadas a seguir.
Figura 4.11 - Modelo real de clula fotovoltaica [Elaborao Prpria]
-Resistncia em srie (RS):esta a resistncia da prpria clula, composta pela
resistncia eltrica do material e a resistncia dos contatos metlicos, denominadas de
perdas por efeito Joule.
- Resistncia em paralelo (RP): resistncia do processo de fabricao e
caracteriza as correntes parasitas que circulam na clula devido, principalmente, a
pequenas imperfeies na estrutura do material.
Estas resistncias so responsveis pelo rebaixamento da curva caracterstica da
clula solar, logo quanto mais elevado RS e mais baixo RP provocam a reduo na
corrente de curto-circuito ICC (Figura 4.12) e na tenso de circuito aberto VOC (Figura
4.13). A corrente determinada atravs da expresso (4.7):
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P
SV
IRV
SPDSR
IRVeIIIIIAI T
S
1)( 0 (4.7)
Figura 4.12 Influncia da resistncia em srie (Rs) na curva I-V [36]
Figura 4.13 Influncia da resistncia em paralelo (Rp) na curva I-V [36]
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5 MOTIVAO E PROPOSTA PARA REDUO DE CUSTOS
Como dito anteriormente, o custo de implantao de sistema fotovoltaico ainda
um entrave para a expanso do uso desse tipo de energia. Medidas governamentais, no
entanto, visam estimular um maior desenvolvimento do mercado para a energia solar.
De acordo com o estudo da EPE [11], atravs de referncias internacionais, o custo de
investimento em sistemas fotovoltaicos pode ser decomposto em trs principais itens: os
painis solares, o inversor e a estrutura que engloba as estruturas mecnicas de
sustentao, equipamentos eltricos auxiliares, cabos e conexes para instalao e
montagem. Por causa dos incentivos de produo, os painis solares tm apresentado
constante reduo de preos para os mdulos de silcio cristalino e tambm as clulas de
filme fino. Atualmente o custo do sistema fotovoltaico 60% dos painis solares, cerca
de 10% referente ao inversor e o restante estrutura.
Para anlise de custo do sistema fotovoltaico foram adotados os valores
encontrados naTabela 5.1,para estimativa de custo no mercado internacional, onde se
pode perceber que o custo do mdulo representa a maior parte do investimento
fotovoltaico.
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Tabela 5.1 - Custo de investimento em sistemas fotovoltaicos - Referncia Internacional (US$/kWp)
[11]
Potncia Painis InversoresInstalaes e
MontagemTotal
Residencial (4-6kWp) 2,23 0,57 0,7 3,50
Residencial (8-10kWp) 2,02 0,50 0,63 3,15
Comercial (100kWp) 1,74 0,42 0,54 2,70
Industrial (>1000kWp) 1,60 0,30 0,48 2,38
Nota: Preo com impostos nos seus mercados de origem. [11]
Para tornar a energia solar mais competitiva comparada a outras fontes,
necessrio investir em pesquisas que reduzam o preo do mdulo fotovoltaico. Nesse
sentido, estudos tm sido feitos buscando novos tipos de clula que sejam de custo mais
baixo e que apresentem boa eficincia, como apresentado Tabela 5.2, porm, apesar domaior preo, as clulas de silcio cristalino apresentam maior eficincia.
Tabela 5.2 Eficincia Tpica dos mdulos comerciais [16]
Tecnologia Eficincia rea/kWp
Silcio
Cristalino Monocristalino 13 a 19 % ~7m
2
Policristalino 11 a 15% ~8m2
Filmes
Finos
Silcio Amorfo (a-Si) 4 a 8 % ~15m2
Telureto de Cdmio (Cd-Te) 10 a 11% ~10m2
Disseleneto de Cobre-Indio-
Glio (CIGS)
7 a 12% ~10m2
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Uma das vantagens da gerao fotovoltaica a possibilidade de aplicao em
larga ou pequena escala. Isso permite a implementao de sistemas de energia em
localidades afastadas da rede como regies rurais, populaes ribeirinhas e pequenos
vilarejos. Em casos como este, o custo da construo de linhas de transmisso para
fornecer energia eltrica pode ser muito alto e mesmo invivel. A opo pela energia
solar uma alternativa vivel, pois pode ser implantada em sistemas isolados.
Comparando-se as fontes de gerao de energia, em geral, as fontes alternativas
apresentam preo mais elevado do que o sistema convencional centralizado de
fornecimento de energia. No entanto, alguns pontos podem reduzir o custo da
transmisso de energia, visto que em geral, a carga encontra-se prximo a ponto de
gerao.
Para produzir energia, recursos fsseis necessitam ser extrados dos poos de
petrleo, transportados at as refinarias onde so preparados para queima, levados s
usinas termeltricas e aps a gerao de energia, seus resduos so eliminados. Autilizao das mquinas rotativas, gerador e turbina, necessitam de uma rotina de
manuteno mais complexa devido ao desgaste das peas mveis. A energia solar, em
contra partida, no necessita ser extrada, nem refinada ou transportada para o local de
gerao, por ser prximo carga, evitando custos de transmisso em alta tenso.
Outras questes, porm, permeiam a implantao das fontes alternativas, em
especial, da energia solar; a gerao solar fotovoltaica permite a expanso da gerao
distribuda, o que diminui o interesse de grandes empresas responsveis pela gerao e
distribuio a quererem investir neste tipo de recurso. Assim, a produo fica sujeita, a
pequenos produtores, o que no alavanca a produo em larga escala de painis
fotovoltaicos e consequentemente dificulta a reduo dos preos e custos de fabricao
dos mesmos. Para incentivar esses produtores, um bom exemplo foi a iniciativa do
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governo alemo de aprovar a lei de Energias Renovveis (Erneuerbare Energie Gesetz,
EEG), que exige que operadores de energia eltrica paguem um valor mais elevado aos
fornecedores de energia solar do que aos fornecedores de energia tradicional, uma
forma de estimular a gerao solar.
O custo dos sistemas fotovoltaicos varia muito e dependem de diversos fatores,
incluindo o tamanho do sistema, localizao, tipo de conexo (isolado ou conectado a
rede), especificaes tcnicas e a extenso at a carga refletem no preo final de todos
os componentes. Em mdia, os preos para sistemas isolados, tambm conhecidos como
sistemas com armazenamento, so praticamente o dobro dos de sistemas conectados a
rede. Isso atribudo ao fato da necessidade de baterias para armazenamento e os
equipamentos associados.
Em 2011, os preos mais baixos para sistemas fora da rede, independente do tipo
de aplicao, tipicamente variavam entre 3,7 US$/W a 7,2 US$/W, de acordo com o
pas. A Tabela 5.3 reporta a mdia de preos para alguns pases, baseado na pesquisa daEuropean Statistics [8], mostra que os valores variam de acordo com o pas e aplicao
do projeto. Os preos para sistemas conectados a rede, em 2011, tambm variaram,
como mostrado na mesma tabela, cerca de 3,6 US$/W foi a mdia dos preos que
reduziu aproximadamente 17% em relao ao ano anterior. Preos de 2 US$/W
chegaram a ser relatados, porm estes preos podem variar de acordo com a natureza
das construes, o grau de integrao com a instalao, de inovao e o tipo de
fabricao dos mdulos tambm influenciam bastante.
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Tabela 5.3 Indicativo de preos para sistemas instalados em 2011 (US$/W) [8]
PAS SISTEMAS ISOLADOS CONECTADOS A REDE
1kW < 10 kW >10 kW
China - - 2,7 2,7
Frana - - 3,9 2,8-3,6
Sua 6,9 4,9 4,3 3,9
Estados Unidos - - 6,1 3,6-4,8
Israel 7,0 7,0 3,5 3,0
Alemanha - - 2,8-3,5 2,5
Austrlia 6,2-15,5 7,2-20,6 3,1-4,1 2,6-4,1
Itlia 6,9-9,7 - 4,2-4,7 2,6-4,2
Japo - - 6,5 6,5
Em mdia, o custo com os mdulos fotovoltaicos em 2011 foram responsveis
por 50% dos preos mais baixos apresentados nos sistemas conectados rede. O preo
mdio do mdulo nos pases relatados foi prximo de 1,38 US$/W, uma queda de 50%
em relao a 2010, seguindo o declnio de 20% relatado no ano anterior. A Figura 5.5
exemplifica a evoluo dos preos normalizados para painis fotovoltaicos de acordo
com a inflao. Na Figura 5.4 podem-se observar os preos reais para sistemas e
mdulos no mesmo perodo.
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Figura 5.3Grfico da evoluo dos preos do Mdulo Fotovoltaico no perodo de 2001 a 20115
[37]
Figura 5.4Grfico da evoluo de preos de Mdulos e Sistemas fotovoltaicos no perodo de 2001
a 20115 [37]
5
Identificao dos pases no informada pela fonte.
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Considerando-se o valor de 3,7 US$/W mostram que os valores da energia solar
no so competitivos em relao a outras fontes de energia, como mostraTabela 5.4,
muito embora, conforme dados relatados pelo Photovoltaic Power System Programme
(PVPS) da International Energy Agency (IEC), esses valores tm reduzido a cada ano.
Tabela 5.4Valores tpicos de implantao de usinas geradoras de energia [2]
Tipo de Gerao Custo de Implantao
ANEEL (US$/W)
Custo de Implantao
CESP/IMT (US$/W)
Termeltrica a Diesel 0,40 a 0,50 0,35 a 0,50
Termeltrica a gs 0,40 a 0,65 0,35 a 0,50
Termeltrica a Vapor 0,80 a 1,00 -
Termeltrica ciclo
combinado
0,80 a 1,00 -
Pequenas Centrais
Hidreltricas (PCHs)1,00 -
Gerao Elica 1,20 a 1,50 1,00
Clulas fotovoltaicas - 3,7 a 7,2
Motivado por essa dificuldade de competitividade dos painis solares foi
desenvolvido um prottipo com o intuito de criar uma linha de fabricao sustentvel
que reduzisse o custo final do mdulo utilizando materiais reutilizveis da construo
civil. A proposta que fosse possvel a montagem desses mdulos pelas comunidades
de baixa renda onde possam, alm de reduzir os gastos com conta de luz, gerar renda
para essa populao.
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Com base nessa ideia, ser apresentada no prximo tpico uma comparao de
custos para um sistema fotovoltaico residencial utilizando painis disponveis no
mercado e outro com o painel de baixo custo, apontando a viabilidade do mesmo. Por
fim nos resultados dos ensaios realizados no mdulo obtm-se os parmetros do mesmo.
5.1 Desenvolvimento Tcnico
Neste tpico, ser realizado o dimensionamento do sistema fotovoltaico e em
seguida o oramento do mesmo. O sistema composto por arranjo fotovoltaico que
representa o conjunto de mdulos necessrios para abastecer a carga; controlador de
carga que tem a funo proteger o banco de baterias de sobrecarga e descargas
profundas; o inversor utilizado para transformar de corrente contnua fornecida pelos
painis solares para corrente alternada solicitada pelas cargas e o banco de baterias que
tem por funo armazenar energia para suprir a carga em perodos em que a radiao
insuficiente (Figura 5.3).
Figura 5.3 Sistema Fotovoltaico para configurao isolada [43]
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5.1.1Localizao da instalao
O local de implantao da residncia em Marechal Hermes, localizada na zona
oeste do Rio de Janeiro. As coordenadas geomtricas so 22 51 39 S e 43 22
16W. Com estes dados a insolao correspondente durante o ano obtido na base de
dados do SunDatatendo a regio mais prxima a regio do Rio de Janeiro (Santa Cruz)
(Tabela 5.5).
Tabela 5.5 - Radiao mdia diria na regio do Rio de Janeiro (Santa Cruz) [38]
Radiao Diria mdia mensal (kWh/m2.dia)ngulo Inclinao
JAN
FEV
MAR
ABR
MAI
JUN
JUL
AGO
SET
OUT
NOV
DEZ
MEDIA
PlanoHorizontal 0 C 5,86 5,67 5,22 4,06 3,83 3,22 3,78 4,06 4,22 4,86 5,28 5,61 4,64 2,64
nguloigual alatitude 23 N 5,29 5,41 5,38 4,56 4,76 4,14 4,85 4,76 4,47 4,74 4,85 5,00 4,85 1,27
Maior
mdiaanual 20 N 5,39 5,48 5,39 4,53 4,67 4,05 4,74 4,70 4,46 4,79 4,93 5,11 4,85 1,43
Maiormnimomensal 34 N 4,83 5,07 5,23 4,62 4,99 4,40 5,15 4,90 4,41 4,50 4,47 4,55 4,76 0,82
A instalao dos painis feita com uma inclinao para evitar acmulo de gua
da chuva. Essa inclinao corresponde ao ngulo de latitude da localidade, neste caso
23. A partir das informaes acima se observa que, para radiao mxima de 1.000
W/m2, o tempo de insolao a sol pleno de HSP 4,85 horas, ou seja, o perodo em que
o painel est exposto a maior nvel de radiao durante o dia.
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5.1.2 Clculo do consumo de carga
O fornecimento de energia deve ser suficiente para abastecer a carga composta
de iluminao interna, televiso, geladeira e computador. Os dados da Tabela 5.6
mostram o consumo da residncia durante o ano (Figura 5.4).
Tabela 5.6 - Consumo mensal de energia em kWh na residncia [39]
Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez
215 195 232 197 209 160 157 163 176 170 148 152
Figura 5.4 - Curva de Consumo da Carga durante o ano [39]
O consumo mximo dirio de energia da residncia estabelecido por:
diakWh
dias
mskWhCdirio /73,7
30
/232
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5.1.3Especificaes do Sistema Fotovoltaico
5.1.3.1 Especificaes do Banco de Baterias
O banco de baterias deve ser dimensionado de modo que possa suprir a carga em
dias consecutivos que o arranjo fotovoltaico no esteja gerando energia. De acordo com
o SIGFI, o sistema deve ter autonomia por 48 horas. Seguindo esta orientao o sistema
projetado para abastecer o sistema durante dois dias.
O principal tipo de baterias utilizado em sistemas fotovoltaicos de chumbo-
cido aberta, em que a profundidade de descarga mxima permitida de 80% da
capacidade nominal da bateria. Foi adotado o valor de 24 V para a tenso nominal do
sistema fotovoltaico.
kAhV
kWh
V
CC
PH
diadiabateria 32,0
24
73,7/
Dimensionamento de baterias em paralelo:
kAhkAh
Cbateria 8,08,0
232,0
Realizando a escolha da bateria com capacidade de 115 Ah (100 horas), a
quantidade de baterias.
bateriasAh
kAh
elecionadadaBateriaSCapacidade
NecessriaCapacidadeNPAR 7
115
8,0
Como a tenso da bateria de 12 V o nmero de baterias deve ser duplicado para
atender a tenso do sistema, portanto para manter a autonomia so necessrias 14
baterias. As especificaes do banco de baterias para este sistema encontram-se na
Tabela 5.7.
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Tabela 5.7 Especificaes da Bateria Selecionada
Caractersticas Tcnicas
Bateria Estacionria Freedom DF2000 105Ah/115Ah
Capacidade @25C 94 Ah (10h); 105Ah (20h); 115Ah (100h)
Profundidade de Descarga Mxima 20 %
Observa-se que a bateria apresenta capacidades diferentes para a mesma especificao,
isso porque a capacidade nominal est relacionada corrente que a bateria capaz de fornecer
por determinado perodo.
5.1.3.2 Especificaes do Arranjo Fotovoltaico
Para o dimensionamento do arranjo fotovoltaico considerado o nvel de
radiao da localidade onde ser instalado o painel, no caso, o Rio de Janeiro onde a
temperatura mdia de 32C e deve ser considerado o fator de correo de eficincia do
painel. Para determinar o nmero mdio de horas de insolao igual a 1.000W/m2
, neste
caso projetaremos para condio de sol pleno na regio durante o ano, com inclinao
de 23, desta forma as demais sero tambm atendidas (Tabela 5.8).
horasmkWh
mkWhSP 85,4
/1
/85,42
2
Para atender a demanda do ms de referncia, o sistema fotovoltaico deve
fornecer uma potncia de:
kWhoras
kWhP 6,1
85,4
73,7
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Corrigindo a potncia pelo fator de correo obtm-se a potncia real
demandada pelo sistema:
kW
kW
PR 28,0
6,1
Dimensionando o arranjo para utilizao de mdulos com potncia 240 W, na
mesma faixa do prottipo, teremos a necessidade de utilizar 8 painis.
Tabela 5.8 Especificaes do Mdulo
Caractersticas TcnicasPainel Solar Fotovoltaico Policristalino de
240WMartifer Solar Mprime M240 3R
VOC 37,23 V
ICC 8,47 A
VMP 29,55 V
IMP 8,13 A
PMAX 240 Wp
Tipo de Clula Silcio PolicristalinoCondio Padro de Teste: Radiao 1000W/m2; Temperatura da Clula: 25C; Massa de Ar:1,5.
5.1.3.3 Especificao do Inversor
O inversor deve ser escolhido de acordo com as tenses de entrada e sada dosistema, neste caso respectivamente, 24 V e 127 V; e a potncia demandada, 1,5 kW.
Para essa especificao, foi escolhido o Inversor de Energia Profissional de 3000W
Wagan Tech ProLine cujos dados tcnicos esto na Tabela 5.9.
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Tabela 5.9 - Especificaes do Inversor [40]
Caractersticas Tcnicas
Tenso CA nominal 120 V
Tenso de entrada CC 24 V
Potncia de Sada Mxima 3 kW
Frequncia 60 Hz
Forma de Onda Sada Senoidal
5.1.3.4 Especificao do Controlador de Carga
O controlador de carga tem a funo de proteger a bateria de cargas e descargas
excessiva e facilitar a mxima transferncia de potncia do arranjo fotovoltaico para a
bateria. A especificao do mesmo deve atender as caractersticas da bateria, a tenso e
a corrente do sistema. Para este projeto foi selecionado o Controlador de Carga de 60A
(12/24V) com timer programvel EPSOLARVS6024N especificado na Tabela 5.10.
Tabela 5.10 Especificao Controlador de Carga [41]
Caractersticas Tcnicas
Tenso Nominal 12/24 V
Corrente mxima de carga 60 A
5.1.3.5 Levantamento de Custo do Sistema Fotovoltaico Convencional
Realizando um levantamento oramentrio dos itens do sistema fotovoltaico de
forma a atender o dimensionamento, obtemos um custo mdio de R$16.464,00, com
mdulos convencionais disponveis no mercado. A seguir, analisaremos a variao do
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preo do sistema, apresentada na Tabela 5.11, ao utilizarmos o painel sustentvel e ser
discutida a viabilidade deste projeto.
Tabela 5.11 - Oramento do Sistema Fotovoltaico [45] e [46]
Custo do Sistema Fotovoltaico
Arranjo Fotovoltaico(8 painis de 240W) R$ 8.592,00
Banco de Baterias R$ 7.406,00
Inversor R$ 1.499,00
Controlador de Carga R$ 1.099,00
Total R$ 18.596,00
5.2Proposta
A proposta do mdulo alternativo a fabricao dos painis como fontes de
renda para comunidades de baixo poder aquisitivo e que seja utilizado em regies
carentes onde o custo de energia fornecido pela concessionria seja elevado. Neste caso,
o processo de manufatura usaria materiais reciclados em lugar de alguns componentes
do painel. A Tabela 5.12 lista o custo do painel, comparando a quantidade pela qual
foram comprados os itens do painel.
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Tabela 5.12 Comparao de custo entre as alternativas de prottipo
MaterialPreo avarejo
Preo noatacado
Substituindo porreciclados
Clula Fotovoltaica Silcio
Policristalino(1,8W/ 3,6A/0,5V) R$ 5,50 R$ 0,54 R$ 0,54
Caneta Fluxo para clula solar R$ 13,00 R$ 13,00 R$ 13,00
Fita De Estanho Para ClulasSolares TabWire 50 m R$ 75,00 R$ 22,00 R$ 22,00
Fita para barramento R$ 4,00 R$ 1,80 R$ 1,80
Conector para painel solar R$ 29,00 R$ 29,00 R$ 29,00
Vidro R$ 100,00 R$ 100,00
R$ 50,00**(Substituindo
vidro traseiro pormadeira)
Cola de Silicone R$ 10,00 R$ 4,00 R$ 4,00
Moldura R$ 93,00 R$ 93,00Substituio por
PVC
Total R$ 423,00 R$ 282,52 R$139,52Baseados em preos de mercado disponveis [45] e [46]
Observa-se que, com base nos preos disponveis no mercado, h a possibilidade
de reduzir o custo de fabricao do painel de forma que seja vivel a construo de
painis de forma sustentvel. Sendo ento a potncia gerada pelo painel correspondente
a 32,4W, o custo para gerar 1 W 13,06 R$/W no mximo (ou seja, para itens de
varejo) e 4,31 R$/W no mnimo (para produo comunitria em larga escala),
comparando este valor com equivalente encontrado comercialmente para mdulos na
mesma faixa, 12,20 R$/W6percebe-se que o prottipo consegue ser economicamente
vivel.
6Clculos baseados na mdia de preos para painis fotovoltaicos de 30W nas seguintes
fontes:minhacasasolar.lojavirtualfc.com.br/e http://www.neosolar.com.br/loja/
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No caso do uso residencial destes painis, retornando ao estudo de caso, a
aplicao do prottipo seria capaz de reduzir o custo final da implantao do sistema,
conforme mostra aTabela 5.13.
Tabela 5.13 - Oramento do Sistema Fotovoltaico com mdulos alternativos [45] e [46]
Custo do Sistema Fotovoltaico
Arranjo Fotovoltaico(58 painis de 32 W) R$ 8.092,16
Banco de Baterias R$ 7.406,00
Inversor R$ 1.499,00Controlador de Carga R$ 1.099,00
Total R$ 18.096,16
5.3Ensaios
A determinao das caractersticas fotoeltricas dos mdulos de silcio cristalino
para aplicaes terrestres estabelecida pela Norma Internacional IEC 61215 (1993).
Basicamente, o procedimento baseia-se no registro da curva I-V e a temperatura da
amostra e o registro da corrente de curto-circuito e temperatura de desvio padro,
concomitantemente, e depois na correo dos valores obtidos, para as condies
desejadas. O esquema de testes, com as devidas conexes est ilustrado naFigura 5.5.
medida, primeiramente, a corrente de curto-circuito (V=0) e tenso de circuito aberto
(I=0). Em seguida, inserida uma carga varivel nos terminais do mdulo a fim de
variar a corrente de sada, deste modo obtm-se os valores correspondentes de tenso e
corrente para diversos pontos.
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Figura 5.5 Diagrama de blocos e conexes de ensaio conforme norma IEC 904-3 [42]
5.3.1 Resultados dos Ensaios
Os ensaios realizados utilizando procedimentos laboratoriais, ou seja, usando
iluminao artificial para simular a luz solar; no caso, um refletor de lmpada
fluorescente compacta com potncia de 42W e 2860 lumens. Para carga varivel, foi
utilizado um reostato em srie com uma resistncia de 1. Os resultados das medies
encontram-se nosGrfico 5.1 eGrfico 5.2experimentais de I-V e P-V:
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Grfico 5.1 Curva Experimental de I-V
Grfico 5.2 Curva Experimental P-V
Observa-se que atravs das curvas levantadas, o prottipo do painel fotovoltaico
experimental encontra-se dentro das especificaes desejadas, assim como os painis
comerciais. De acordo com os resultados obtidos, os parmetros deste painel so:
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Corrente de curto-circuito (ICC) igual a 8,56 A, tenso de circuito aberto (VOC) igual a
1,792 V. Para os pontos de mxima potncia (PMP) fornecida pelo mdulo foi de 8,4 W
para tenso correspondente (VMP) 1,35 V.
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6 PAINEL CONVENCIONAL E PROTTIPO
6.1 Painel Convencional
A maioria dos mdulos convencionais encontrados no mercado constituda por
36 clulas solares de silcio. A potncia do mdulo, sob condies padro, varivel
desde 10 a 290 W. Em consequncia, o dispositivo varia de 0,2 a 1,5 m2. Na montagem
dos mdulos tradicionais, aps serem soldadas, as clulas so encapsuladas com a
finalidade de serem isoladas do exterior e protegidas das intempries, bem como para
darem rigidez ao mdulo. O mdulo constitudo pelas seguintes camadas: vidro de
alta transparncia e temperado, acetato de etilvinilacetato (EVA), clulas solares, EVA e
filme de fluoreto de polivinila (Tedlar) ou vidro. A seguir, colocada a moldura de
alumnio, para dar o acabamento e facilitar a instalao. A durabilidade dos mdulos
superior a 30 anos e atualmente est determinada pela degradao dos materiais usados
no encapsulamento, ou seja, a durabilidade das clulas solares cristalino bastante
superior.
Para os mdulos convencionais a etapa de fabricao tem incio com a limpeza
do vidro seguido de uma inspeo (automtica e visual). Em seguida, feito o primeiro
encapsulamento do vidro com aplicao do EVA. A prxima etapa a inspeo das
clulas visual com objetivo de detectar possveis imperfeies e danos nas mesmas.
Em seguida acontece o processo de soldagem automatizado (Figura 6.1) com
fios de cobre muito finos (0,05 mm) de forma a permitir uma ligao flexvel. As
fileiras de clulas soldadas so alinhadas sobre o vidro.
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Figura 6.1- Soldagem automtica [17]
Aps todas as fileiras estarem devidamente colocadas, feita a soldagem das
interconexes. Depois disso, ocorre o segundo encapsulamento do material com nova
camada de EVA fotovoltaica sob a parte traseira das clulas.
Subsequente inicia-se o processo de preparao para o encapsulamento com a
etapa de laminao. Antes de concluir este processo, porm, realizado um teste de
eletroluminescncia que permite uma anlise rigorosa e profunda do mdulo
fotovoltaico, uma vez que permite ver defeitos invisveis a olho nu, como micro-
fissuras, problemas nas clulas, problemas na soldagem, efeitos da umidade.
No processo de laminao haver o aquecimento a 145 C do conjunto vidro,
EVA e clulas de forma a uni-los permanentemente. Em seguida, aplica-se uma
camada de fita adesiva em torno do painel que receber a moldura de alumnio. Segue
ento a aplicao da caixa de juno na parte posterior do painel, nela encontram-se os
terminais de ligao, bem como o diodo de by-pass, utilizados para proteger o mdulo
de danos ocasionados por sombras parciais, evitando que este atue como receptor.
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Por fim realizado um teste de funcionamento eltrico e medidas onde so
inspecionadas a corrente de curto-circuito e a tenso de circuito aberto.
6.1.1 Prottipo
O prottipo foi construdo utilizando-se clulas fotovoltaicas de silcio
monocristalino, com tenso de 0,5V, dimenses 156x156mm, eficincia de 19%,
contendo trs barramentos e vida til esperada de mais de 25 anos se protegida da
umidade.
A solda foi realizada com fitas recobertas de estanho, e que tambm ocorreu
com as interligaes entre as fileiras. A moldura foi construda por tubos de PVC de 20
mm unindo os dois vidros do painel. Com o intuito de aumentar a vedao e assim a
durabilidade do mesmo, substituiu-se o EVA fotovoltaico pela cola de silicone ao redor
do vidro e em seguida a insero de fita metlica isolante. Foi inserido por fim um
conector na parte traseira do mdulo, que permite a conexo entre os terminais positivo
e negativo, para ligaes externas. Alm de possuir um diodo que impede a inverso de
corrente.
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6.1.2 Montagem do Prottipo
Inicialmente, o projeto do painel foi idealizado de forma a obter a maior
potncia possvel e que o painel fosse de fcil manuseio. Com clulas de 0,5V cada,
projetou-se um painel com 18 clulas, totalizando uma tenso do painel de 4V.
As clulas solares possuem o polo positivo na parte inferior e o polo negativo na
parte superior (Figura 6.2), dessa forma as clulas devem ser soldadas em srie para que
se possa obter a tenso desejada nos terminais do conjunto. As ligaes a um circuito
externo podem ser feitas de diversas formas. Podem ser colocadas em um suporte com
contatos de mola que pressionam a parte da frente e de trs, podendo as conexes ser
soldadas, porm a forma mais comum, e que foi utilizada neste prottipo, atravs da
soldagem por meio de fios condutores. As clulas foram conectadas em srie de modo a
aumentar a tenso de sada.
Figura 6.2 - (a) Terminal positivo da clula. (b) Terminal negativo da clula [Elaborao Prpria]
A soldagem foi feita com fita de solda e caneta de fluxo para clula fotovoltaica,
necessria para melhor fixao da solda na clula. As clulas solares utilizadas foram de
silcio monocristalino. As partes posterior e frontal possuem ranhuras com material
metlico onde feita a soldagem entre a clula e a fita de solda, que composta por
estanho, material condutor para que seja possvel a conduo de corrente eltrica pelas
+ -
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clulas (Figura 6.3). Em seguida, coloca-se a fita estanhada sob a ranhura, na posio
em que se deseja fixar para ento iniciar o processo de solda.
Figura 6.3 - Processo de soldagem de clula fotovoltaica [Elaborao Prpria]
O mesmo processo repetido nas outras duas ranhuras conforme pode ser visto
na Figura 6.4. Isso feito para que haja contatos redundantes. Assim, o mdulo no
falhar se uma ou duas soldas se partirem.
Figura 6.4 - Camada posterior j soldada [Elaborao Prpria]
Na parte da frente deve ser feito o mesmo processo de soldagem. necessrio
lembrar que a medida das tiras deve ser o dobro da medida da clula para que seja
possvel fazer a ligao entre as clulas e distanciar a fita de solda das margens da clula
e assim prevenir do risco de colocar em curto a clula no processo de soldagem.
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As clulas so ento ligadas em srie, soldando o terminal positivo (parte
posterior) com o terminal negativo (parte frontal) em cada fileira que composta de
duas clulas, de acordo com o projeto (Figura 6.5).
Figura 6.5 - Interligao entre parte frontal e posterior, soldadas [Elaborao Prpria]
Depois de finalizar essa etapa, montando as fileiras, realizam-se as
interconexes das mesmas, conectando-se as extremidades de cada fileira com a
seguinte de forma que fiquem em srie, ou seja, terminais positivos so conectados com
o negativo da fileira seguinte (Figura 6.6).
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Os painis solares comercializados no mercado so constitudos pelas seguintes
camadas: vidro, EVA fotovoltaico, clulas solares, outra camada de EVA fotovoltaico e
tedlar. O EVA fotovoltaico tem como funo proteger as clulas de degradao causada
pela exposio ao tempo que podem causar como ferrugem nos contatos. Isso
necessrio, j que a ferrugem pode gerar caminhos para correntes indesejadas, criando
perdas no painel. Para este painel, o uso do EVA fotovoltaico no seria vivel, isto
porque o EVA um filme opaco que se torna translcido ao ser fundido. Para esse
procedimento, no entanto, necessrio o uso de uma mquina para prensar o conjunto e
fundir o filme, o que no estava disponvel. Isso, no entanto pode contribuir
negativamente para o tempo de vida til do mesmo.
Em seguida, construiu-se a moldura. Para isso optou-se por utilizar tubos de
PVC, pela disponibilidade de conseguir este tipo de material em rejeitos de construo
civil, contribuindo para a sustentabilidade do painel e diminuindo o custo, visto que os
painis convencionais so moldurados de alumnio que aumenta o valor de fabricao
do painel. Como o mdulo ficar exposto ao do tempo, com intuito de contornar
este problema, aplicou-se uma camada de esmalte sinttico no tubo de PVC, para
permitir maior durabilidade. H ainda outro problema a ser solucionado, que era
impedir a entrada de umidade no mdulo, que pode danificar as clulas e a solda, por
isso utilizamos cola de silicone em torno na juno entre o vidro e a moldura.
Figura 6.6 - Clulas Interligadas em srie [Elaborao Prpria]
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7 CONCLUSO
Neste trabalho foram apresentados o d