Conceitos de Energia Solar Fotovoltaica

Conceitos de Energia Solar Fotovoltaica

Geração de Energia em Residências

Cenário Energético Mundial

Segundo dados publicados pelo BEN – Balanço Energético Nacional 2011, ano base 2010, os combustíveis fósseis continuam sendo a base da oferta de energia primária dos países. É possível perceber que a oferta mundial de energia em 2008 foi composta por 33,2% de petróleo, 27% de carvão mineral e apenas 10% de fontes renováveis, principalmente com a Geração de Energia em Residências.

Cenário Energético Mundial
Cenário Energético Mundial

Ou seja, ainda há uma grande dependência por combustíveis fósseis, por esse motivo, esforços com o intuito de restringir as emissões de gases de efeito estufa e as preocupações com a segurança do abastecimento desses combustíveis levaram a uma maior atenção e apoio à políticas de energias renováveis na última década. A transição de um modelo de sistema de geração por outro demanda tempo e investimentos, mas as projeções mostram uma tendência na oferta de energia renovável em vários países.

Cenário Energético Brasileiro

A oferta total de energia primária no Brasil no ano de 2010, foi de 268.754 milhões tep (1 tep = 41,85 x 109 J), o que representa 2% da oferta mundial. A matriz energética brasileira possui uma característica muito peculiar, ou seja é composta por quase 50% de fontes renováveis de energia, ao contrário da média mundial de 12,9% e da média dos OCDE que é de 7,3%.

Comparativo entre a matriz energética do Brasil e do Mundo
Comparativo entre a matriz energética do Brasil e do Mundo

Além do grande potencial na produção de combustíveis fósseis, o Brasil possui a maior bacia hidrográfica do mundo, o que reflete na produção de energia elétrica, proveniente, na sua maior parte, de usinas hidrelétricas. Em 2010, a geração interna hidráulica respondia por 74% da oferta interna do país.

Oferta Interna de Energia Elétrica por Fonte no ano de 2010
Oferta Interna de Energia Elétrica por Fonte no ano de 2010

Apesar disso, nas principais concentrações urbanas, boa parte do potencial hidráulico já foi aproveitado, exigindo desse modo investimentos na expansão das redes de transmissão e distribuição, o que consequentemente contribui para o aumento nos custos da geração de energia elétrica. É neste contexto que a expansão de outras fontes renováveis, como a energia solar e a energia eólica devem ser inseridas.

Por outro lado, o potencial de aproveitamento da energia solar no Brasil é muito grande. Segundo o Atlas Solarimétrico do Brasil (2000), as áreas localizadas no Nordeste brasileiro têm valores de radiação solar diária, média anual comparáveis às melhores regiões do mundo (regiões desérticas).

As cartas de radiação solar global diária, média mensal elaboradas pelo Atlas Solarimétrico do Brasil, mostram que a radiação solar no Brasil varia entre 8 a 22 MJ/m2.dia.

Segundo Rüther (2012), seriam necessários apenas 0,045% da área total do território nacional, ou seja, 3.844 Km2 em painéis fotovoltaicos, para gerar a energia consumida no Brasil em 2010, que foi de 455,7 TWh, o que revela que esta fonte renovável de energia tem muito a oferecer a matriz energética nacional, apesar de ainda ter uma participação muito incipiente e nem ser contabilizada de forma isolada nos relatórios setoriais atuais.

Geração Distribuída no Brasil

No Brasil, a geração elétrica perto do consumidor chegou a ser regra na primeira metade do século XX, quando a energia industrial era praticamente toda gerada localmente. No entanto, a partir da década de 1940, a geração em centrais de grande porte ficou mais barata, reduzindo o interesse dos consumidores pela geração distribuída, e consequentemente, houve uma estagnação no desenvolvimento tecnológico para incentivar este tipo de geração. (INEE, 2011).

A partir da criação da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) através da Lei 9.648/1998, várias resoluções e regulamentações foram criadas para formar o atual marco regulatório brasileiro. Em 2002, a Lei 10.438 foi promulgada e estabeleceu incentivos para a geração de energia elétrica a partir de fontes renováveis de energia e de co-geração qualificada com a criação do PROINFA – Programa de Incentivo às Fontes Alternativas.

Assim, devido às condições reais de ganhos em eficiência econômica e à ampliação da competição, a geração distribuída é uma importante alternativa para o setor elétrico. No Brasil, quatro fontes renováveis de energia se destacam como sendo as mais favoráveis para serem utilizadas como fontes de Geração Distribuída: energia hidráulica, energia da biomassa, energia eólica e energia solar.

No entanto, uma das barreiras para o avanço da geração distribuída refere-se a interconexão dos geradores descentralizados com a rede, pois aumentam a preocupação com a segurança dos responsáveis pela manutenção e interferem na qualidade da energia. Assim, a padronização dos equipamentos de interconexão e a criação de normas são indispensáveis para a melhoria no gerenciamento da rede e para a viabilidade de pequenos projetos de geração.

Energia Solar Fotovoltaica

O aproveitamento da energia solar, seja como fonte de calor, seja como fonte de luz é uma das alternativas energéticas mais promissoras para solucionar parte dos problemas de escassez de energia enfrentados pela população mundial.

A energia solar fotovoltaica é obtida através da conversão direta da luz em eletricidade, denominada de efeito fotovoltaico e é realizada pelos dispositivos fotovoltaicos (FV). Tal efeito foi relatado pelo físico francês Edmond Becquerel, em 1839, como sendo o aparecimento de uma diferença de potencial nos extremos de uma estrutura de material semicondutor, produzida pela absorção da luz, ou seja, no momento da interação da radiação solar com o material semicondutor, ocorre a liberação e movimentação de elétrons por este material, gerando-se assim essa diferença de potencial (CRESESB, 2004).

A conversão da energia solar em eletricidade ocorre de modo silencioso, sem emissão de gases, não necessitando de operador para o sistema. Apenas a componente luminosa da energia solar (fótons) é útil para a conversão fotovoltaica. A componente térmica (radiação infravermelha) é utilizada em outras aplicações, como o aquecimento de água ou a geração de energia elétrica através de sistemas termo-solares com concentradores (LAMBERTS, et al., 2010).

O desenvolvimento da tecnologia fotovoltaica foi impulsionada inicialmente por empresas do setor de telecomunicações, que buscavam fontes de energia para sistemas instalados em localidades remotas e também pela corrida espacial, já que a célula fotovoltaica é o meio mais adequado para fornecer a quantidade de energia necessária para a permanência no espaço por longos períodos de tempo, por possuir menor custo e peso (CRESESB, 2004).

Com a crise mundial de energia em 1973/1974, a preocupação em estudar novas formas de produção de energia fez com que a utilização das células fotovoltaicas não se restringisse somente a programas espaciais, mas que também pudesse ser utilizada no meio terrestre para suprir o fornecimento de energia.

Um dos fatores que impossibilitava a utilização da energia solar fotovoltaica em larga escala era o alto custo das células, que foram produzidas a um custo de US$ 600/W para o programa espacial (CRESESB, 2004). Com a ampliação dos mercados e várias empresas voltadas para a produção de células fotovoltaicas, o preço médio de um módulo fotovoltaico na Europa, em julho de 2011, era de aproximadamente 1,2 €/W9, ou seja, cerca de 70% menor que há 10 anos, quando era comercializado a 4,2 €/W (EPIA, 2012).

Radiação Solar

O Planeta Terra, em seu movimento anual em torno do Sol, descreve em trajetória elíptica um plano que é inclinado aproximadamente 23,5º em relação ao plano equatorial. Esta inclinação é responsável pela variação da elevação do Sol no horizonte, dando origem às estações do ano.

Órbita da Terra em torno do Sol, com seu eixo N-S inclinado a 23,5º
Órbita da Terra em torno do Sol, com seu eixo N-S inclinado a 23,5º

A posição angular do Sol, ao meio dia solar, em relação ao plano do Equador (Norte positivo) é chamada de Declinação Solar (δ). Este ângulo pode variar de acordo com o dia do ano, dentro dos seguintes limites:

-23,45° ≤ δ ≤ 23,45°

A soma da declinação com a latitude local determina a trajetória do movimento aparente do Sol para um determinado dia em uma determinada localidade da Terra. A figura a seguir ilustra a declinação solar durante os equinócios de primavera e outono, e os solstícios de verão e inverno.

Declinação Solar durante os Equinócios e Solstícios
Declinação Solar durante os Equinócios e Solstícios

As relações geométricas entre os raios solares, que variam de acordo com o movimento do Sol e a superfície terrestre, são descritas através de vários ângulos:

(a) Ilustração dos ângulos α e as. (b) Coordenadas de orientação da superfície, aw e β, e o ângulo γ
(a) Ilustração dos ângulos α e as. (b) Coordenadas de orientação da superfície, aw e β, e o ângulo γ

Os ângulos apresentados são definidos da seguinte maneira:

  • Ângulo de incidência (γ): ângulo formado entre os raios do Sol e a normal à superfície de captação;
  • Ângulo Azimutal da Superfície (aw): ângulo entre a projeção da normal à superfície no plano horizontal e a direção Norte-Sul. O deslocamento angular é tomado a partir do Norte (-180° ≤ aw ≤ 180°).
  • Ângulo Azimutal do Sol (as): ângulo entre a projeção do raio solar no plano horizontal e a direção Norte-Sul.
  • Altura Solar (α): ângulo compreendido entre o raio solar e a projeção do mesmo sobre um plano horizontal.

Inclinação (β): ângulo entre o plano da superfície em questão e a horizontal.

A norma técnica brasileira ABNT NBR 10899:2006 define a radiação solar como sendo a forma de transferência de energia advinda do sol através da propagação de ondas eletromagnéticas ou fótons. E irradiação solar como sendo a quantidade de radiação incidente em uma superfície e integrada durante um intervalo de tempo especificado, normalmente uma hora ou um dia. A irradiância solar é a taxa da radiação solar incidente em uma superfície por unidade de área, normalmente medida em watt por metro quadrado e simbolizada por “G”. É este o parâmetro utilizado para o cálculo da quantidade estimada de energia elétrica que um sistema fotovoltaico é capaz de produzir

Anualmente, a energia fornecida pelo Sol é da ordem de 1,5 x 1018 kWh, correspondendo a 10.000 vezes o consumo mundial de energia neste período. Considerando- se apenas a superfície terrestre, com potencial para a instalação de geradores de energia por meio do sol, esta energia passa a ser da ordem de 10,8 x 1111 GWh/ano. Isto indica que, além de ser responsável pela manutenção da vida na Terra, a radiação solar é uma inesgotável fonte energética com enorme potencial de utilização por meio de sistemas de captação e conversão em outra forma de energia, como térmica e elétrica (RÜTHER, 2004).

A luz solar que atinge a superfície terrestre é composta por uma fração direta e por uma fração difusa, conforme ilustra a Figura a seguir. A fração direta segue a direção do sol, produzindo sombras bem definidas em qualquer objeto. Já a fração difusa é aquela proveniente da atmosfera e depende de uma direção específica.

Componentes da radiação solar na superfície terrestre
Componentes da radiação solar na superfície terrestre

O conhecimento exato da localização do Sol, é necessário para determinar os dados de radiação e a energia produzida pelas instalações solares. A localização do Sol pode ser definida em qualquer local, pela sua altura e pelo seu azimute. No campo da energia solar, o Sul é referido geralmente como α = 0°. O sinal negativo é atribuído aos ângulos orientados a Leste (Leste: α = – 90°) e o sinal positivo aos ângulos orientados a Oeste (Oeste: α = 90°).

Entretanto, na arquitetura e na construção, o ângulo de azimute é 0o, referindo-se ao Norte. Os demais ângulos surgem no sentido dos ponteiros do relógio (Leste: α = 90°; Sul: α = 180°; Oeste: α = 270°).

Representação de ângulos da posição solar
Representação de ângulos da posição solar

A irradiância solar depende da altura do Sol (γs), que é calculada a partir de uma base horizontal. Devido à sua trajetória, a altura do Sol muda durante o dia e também durante o ano.

Trajetória do Sol em diferentes estações do ano
Trajetória do Sol em diferentes estações do ano

Quando a posição do Sol é perpendicular à superfície da Terra, a luz solar percorre um percurso mais curto através da atmosfera e o contrário ocorre quando o ângulo de incidência solar é muito baixo. Assim, um modelo simples para calcular a intensidade de insolação solar baseia-se no número da massa de ar, que é utilizada para quantificar a redução da energia solar que passa através da atmosfera e é atenuada pela reflexão, absorção e dispersão. O número da massa de ar pode ser calculado através da Equação: Massa de Ar = 1 / cos (β) e a trajetória dos raios solares na atmosfera é ilustrada a seguir:

Trajetória dos raios de sol na atmosfera e definição do coeficiente de Massa de Ar
Trajetória dos raios de sol na atmosfera e definição do coeficiente de Massa de Ar

A intensidade da radiação solar fora da atmosfera depende da distância entre o Sol e a Terra, podendo variar entre 1,47 x 108 km e 1,52 x 108 km, durante o ano. Devido a este fato,a irradiância E0 varia entre 1.325 W/m2 e 1.412 W/m2. O valor médio é designado por constante solar, E0 = 1.367 W/m2 (IST; DGS ; UE, 2004).

Contudo, devido à reflexão, absorção (ozônio, vapor de água, oxigênio, dióxido de carbono) e dispersão (partículas de pó e poluição), apenas uma parte da quantidade total da radiação solar atinge a superfície terrestre. O nível de irradiância na Terra atinge um valor aproximado de 1.000 W/m2 ao meio-dia, em boas condições climáticas, independentemente da localização. A irradiação global anual pode ser medida em kWh/m2 e varia de modo significativo de acordo com as regiões, como pode ser observado no mapa de irradiação solar global horizontal (soma das parcelas de irradiação direta e difusa) média anual para o Brasil.

O mapa a seguir mostra a média anual da irradiação solar diária incidente sobre um plano com inclinação igual à latitude local. Esta configuração é a que possibilita a máxima captação da energia solar incidente, pois a irradiação solar sobre o plano inclinado apresenta forte influência do albedo da superfície. Os maiores níveis de irradiação no plano inclinado ocorrem na faixa que vai do Nordeste ao Sudeste durante a Primavera e os menores valores em todas as regiões do Brasil ocorrem durante os meses de Inverno (PEREIRA et al., 2006).

Mapa brasileiro de irradiação solar no plano inclinado média anual
Mapa brasileiro de irradiação solar no plano inclinado média anual

O mapa representado acima constam da base de dados gerada pelo Projeto SWERA (Solar and Wind Energy Resource Assessment), financiado pelo Programa das Nações Unidas para o Meio Ambiente (PNUMA) e co-financiado pelo Fundo Global para o Meio Ambiente (GEF). O foco principal do projeto, iniciado em 2001, foi promover o levantamento de uma base de dados confiável e de alta qualidade visando auxiliar o planejamento e desenvolvimento de políticas públicas de incentivo a projetos nacionais de energia solar e eólica e atrair o capital de investimentos da iniciativa privada para a área de energias renováveis.

Os produtos voltados para a energia solar aplicados ao Brasil foram desenvolvidos através de parceria entre a DMA/CPTEC/INPE e o Laboratório de Energia Solar da Universidade Federal de Santa Catarina (LABSOLAR/UFSC), fazendo uso do modelo de transferência radiativa BRASIL-SR e de uma base geo-referenciada de dados ambientais e sócio-econômicos disponibilizados por diversos parceiros nacionais e internacionais e de distribuição gratuita (PEREIRA et al., 2006).

Desta forma, conclui-se que deve-se considerar inúmeros fatores ambientais e físicos que são determinantes ao máximo aproveitamento da energia proveniente do sol. Sendo assim, respeitando todos esses fatores, consegue-se o maior rendimento possível da instalação do sistema de Energia Solar Fotovoltaica.

Se pretende conhecer mais sobre o Geração de Energia em Residências, entre em contato conosco através do telefone: (11) 4038 7080. Ou envie um e-mail para nucleoats@nucleoats.ind.br pois teremos imenso prazer em tirar as suas dúvidas.

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