Árvores solares : um novo conceito na geração de energia solar fotovoltaica

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Texto

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Universidade de Brasília - UnB

Faculdade UnB Gama - FGA

Engenharia de Energia

Árvores Solares: Um Novo Conceito na Geração

de Energia Solar Fotovoltaica

Autor: Lucas Santos Moura

Orientador: Prof. Dr. Augusto César de Mendonça Brasil

Brasília, DF

2017

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Lucas Santos Moura

Árvores Solares: Um Novo Conceito na Geração de

Energia Solar Fotovoltaica

Monografia submetida ao curso de gradua-ção em Engenharia de Energiada Universi-dade de Brasília, como requisito parcial para obtenção do Título de Bacharel em Engenha-ria de Energia.

Universidade de Brasília - UnB

Faculdade UnB Gama - FGA

Orientador: Prof. Dr. Augusto César de Mendonça Brasil

Brasília, DF

2017

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Lucas Santos Moura

Árvores Solares: Um Novo Conceito na Geração de Energia Solar Fotovoltaica/ Lucas Santos Moura. – Brasília, DF,

2017-92p. : il. (algumas color.) ; 30 cm.

Orientador: Prof. Dr. Augusto César de Mendonça Brasil

Trabalho de Conclusão de Curso – Universidade de Brasília - UnB Faculdade UnB Gama - FGA , 2017.

1. Geração Fotovoltaica. 2. Árvore Solar. I. Prof. Dr. Augusto César de Mendonça Brasil. II. Universidade de Brasília. III. Faculdade UnB Gama. IV. Árvores Solares: Um Novo Conceito na Geração de Energia Solar Fotovoltaica

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Lucas Santos Moura

Árvores Solares: Um Novo Conceito na Geração de

Energia Solar Fotovoltaica

Monografia submetida ao curso de gradua-ção em Engenharia de Energiada Universi-dade de Brasília, como requisito parcial para obtenção do Título de Bacharel em Engenha-ria de Energia.

Trabalho aprovado. Brasília, DF, 05 de dezembro de 2017:

Prof. Dr. Augusto César de Mendonça Brasil

Orientador

Prof. Dr. Jorge Andrés Cormani Angarita

Convidado 1

Prof. Dr. Ronni Geraldo Gomes de Amorim

Convidado 2

Brasília, DF

2017

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À minha família, à minha esposa e aos meus amigos.

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Agradecimentos

Agradeço primeiramente à Deus, por estar presente em todos os momentos da minha vida. Ao meu pai, Wbiratan de Moura, que não pôde presenciar o momento de ver seu filho se tornar engenheiro, mas que tenho certeza que me acompanha lá de cima. À minha mãe, Maria José, por toda luta, todos os sacrifícios e todos os ensinamentos que me passou para que eu pudesse, enfim, vencer. À minha irmã, Mariana Moura, pelos momentos de briga e de conselho, por me dar a honra de ser o padrinho da criança mais linda do mundo, Maria Luísa.

Gostaria de agradecer especialmente à Kátia Marina de Matos Silva, a mulher a qual aprendi a amar como nunca amei na vida, que me apoiou em todos esses anos e me ajudou a chegar até aqui. Obrigado por estar sempre comigo e por mostrar que não estou sozinho, por acreditar em mim quando eu não mais acreditava. Sem você tudo seria muito mais difícil.

Agradeço a todos os amigos que fiz durante a caminhada. Aos meus amigos da turminha e a todos que, de alguma forma, me passaram qualquer tipo de conhecimento que me fizeram crescer como pessoa. Ao Sr. Wilson e D. Antonia por me acolherem como um filho e por darem a bênção de andar junto da pessoa mais bela desse mundo. Vocês são as melhores pessoas que eu já conheci.

Por fim, agradeço aos mestres e doutores que, ao longo desses anos de graduação, me passaram o conhecimento necessário para que eu pudesse crescer como pessoa e como profissional. Agradeço pelos tombos que levei e por todos aqueles que me ajudaram a levantar.

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“Conheço um velho ditado, que é do tempo dos agáis, diz que um pai trata dez filhos, dez filhos não tratam um pai.“ (Palmeira e Sabiá) Uma homenagem a Wbiratan de Moura

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Resumo

A evolução da indústria fotovoltaica nos últimos anos e a diminuição de seus custos proporcionou parte da população brasileira a ter acesso à geração fotovoltaica em suas residências. Atualmente, o Brasil conta com milhares de conexões de geração distribuída, entretanto, quando se trata de produção em maiores escalas, esse número não é tão expres-sivo. O Brasil conta atualmente com 44 usinas fotovoltaicas instaladas com capacidade de gerar de 23.764 kW, mas esse número tende a crescer ainda mais nas próximas décadas. Um dos grandes empecilhos para a instalação de uma usina fotovoltaica é a área em que o empreendimento será implantado, no entanto, isso pode ser resolvido com a utilização das chamadas Árvores Solares. A Árvore Solar é uma nova tendência para a geração de energia elétrica no mundo sendo também importante no contexto paisagístico, ecológico e educativo. Este projeto de graduação consiste em criar um modelo de Árvore Solar para ser instalada em um Jardim da Universidade de Brasília - Faculdade UnB Gama capaz de gerar uma boa parcela de energia, ressaltando os aspectos arquitetônicos e paisagísti-cos, bem como suas perdas envolvidas, comparando-a com uma instalação convencional e salientando seus pontos positivos, podendo ser aplicada como um elemento de visitação que pode ser direcionado à educação da sociedade acerca dos novos modelos de geração limpa de energia elétrica.

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Abstract

The photovoltaic industry evolution in the past few years and the drop in prices pro-vided the population to have access to photovoltaic generation in their houses. There are thousands of grid connected conections in Brazil, however, when it comes to long scale production, the number is not significant. There are 44 photovoltaic plants installed in Brazil capable of generating 23.764 kW and this number tends to grow even more in the next few decades. One of the biggest issues when it comes to instalation of a power plant is the area where it will be implanted, however, it can be settled with the use of Solar Trees. The Solar Tree is a worldwide trend to electricity generation and it is also important on landscape context. This graduation project consists in creating a Solar Tree model to be installed in University of Brasilia - Campus Gama capable of generate a good amount of electricity, bringing architectural and urban aspects, as well as their losses, compar-ing with a conventional photovoltaic installation, and servcompar-ing as an element of visitation turned to society education about new models of clean power generation as well.

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Lista de ilustrações

Figura 1 – Geração de Energia Elétrica no Brasil. . . 29

Figura 2 – Órbita da terra ao redor do Sol, com seu eixo N-S inclinado de um ângulo de 23,5∘. . . 31

Figura 3 – Direções da radiação solar que chega à superfície terrestre. . . 32

Figura 4 – Mapa Solarimétrico do Brasil. . . 33

Figura 5 – Módulo sem diodo bypass com um ponto quente à esquerda e módulo com diodo à direita. . . 37

Figura 6 – Gráfico do efeito do sombreamento na corrente de curto circuito. . . 37

Figura 7 – Painéis sombreados parcialmente por um poste e gráfico Tensão-Corrente correspondente. . . 38

Figura 8 – Inversor string conectado à um subsistema fotovoltaico. . . . 38

Figura 9 – Efeito da temperatura na curva característica da célula.. . . 39

Figura 10 – Árvores Solares instaladas no Brasil. . . 41

Figura 11 – Árvore Solar instalada na Índia com potência de 2 kWh. . . 42

Figura 12 – Árvore real e Árvore Solar.. . . 43

Figura 13 – Pequizeiro (Caryocar brasiliense Cambess). . . . 44

Figura 14 – O Pequizeiro Solar. . . 45

Figura 15 – Usina Solar flutuante instalada na China e Estacionamento da UFRJ. . 46

Figura 16 – Parque Ecológico de Indaiatupa, SP. . . 47

Figura 17 – Árvore Solar com design artístico. . . 48

Figura 18 – Árvore Solar instalada em Israel. . . 48

Figura 19 – Árvore Solar instalada no evento Rock in Rio. . . 49

Figura 20 – Ângulos de incidência da Radiação Solar.. . . 50

Figura 21 – Declinação Solar ao longo do ano. . . 51

Figura 22 – Azimute versus Altura solar para a região de Brasília - DF. . . 52

Figura 23 – Faculdade UnB Gama - Local da instalação do Jardim. . . 53

Figura 24 – Instalação de painéis convencionais no Jardim do Campus UnB Gama. 54 Figura 25 – Instalação dos Pequizeiros Solares no Jardim do Campus UnB Gama. . 55

Figura 26 – Software RADIASOL para a determinação de níveis de radiação em superfície horizontal e inclinada . . . 57

Figura 27 – Tabela gerada no software RADIASOL com 𝛽 = 16o e 𝛾 = 0o. . . . . . 59

Figura 28 – Diminuição do aproveitamento da irradiância em relação ao ângulo azimutal. . . 59

Figura 29 – Energia gerada pelo módulo fotovoltaico na posição ideal 𝛽 = 16∘ e 𝛾 = 0∘.. . . 63

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Figura 31 – Circuito equivalente de uma célula fotovoltaica com dois diodos. . . 67

Figura 32 – Simulação do modelo fotovoltaico na plataforma MATLABTM/Simulink. 67

Figura 33 – Curvas características I-V e P-V. . . 68

Figura 34 – Curvas características I-V e P-V com sombreamento parcial. . . 68

Figura 35 – Variação do Ponto de Máxima Potência (𝑃𝑚𝑝) em relação ao

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Lista de tabelas

Tabela 1 – Coeficientes de reflexão (albedo) de acordo com a superfície. . . 31

Tabela 2 – Quantidade de usinas fotovoltaicas por estado em operação no Brasil em 2017. . . 34

Tabela 3 – Geração das usinas fotovoltaicas em operação no Brasil em 2017 por região. . . 35

Tabela 4 – Comparação dos modelos de obtenção da irradiação solar para super-fícies inclinadas. . . 58

Tabela 5 – Erros percentual dos modelos apresentados em relação à referência. . . 58

Tabela 6 – Módulos de Silício Mono e Policristalino. . . 61

Tabela 7 – Característica do módulo FV Open Renewables - 100-MM36. . . 62

Tabela 8 – Energia gerada pelos painéis de acordo com suas inclinações e azimutes. 65

Tabela 9 – Análise dos novos pontos de máxima potência com base na porcenta-gem de sombreamento. . . 69

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Lista de abreviaturas e siglas

ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica

ABNEE Associação Brasileira da Indústria Elétrica e Eletrônica

CRESESB Centro de Referência em Energia Solar e Eólica

CEPEL Centro de Pesquisas em Engenharia Elétrica

CC Corrente Contínua

CA Corrente Alternada

DF Distrito Federal

Embrapa Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária

FV Fotovoltaico

GD Geração Distribuída

HSP Horas de Sol Pleno

INPE Instituto Nacional de Pesquisas Especiais

IEA International Energy Agency

INMETRO Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia

kW Quilowatt (103 Watts) [Unidade de Potência]

MW Megawatt (106 Watts) [Unidade de Potência]

GW Gigawatt (109 Watts) [Unidade de Potência]

LED Light Emitting Diode

MME Ministério de Minas e Energia

MPPT Maximum Power Point Tracking

SIN Sistema Interligado Nacional

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Sumário

Introdução . . . 23 1 OBJETIVOS . . . 27 1.1 Objetivo geral . . . 27 1.2 Objetivos Específicos . . . 27 1.3 Metodologia . . . 27 2 A ENERGIA SOLAR. . . 29

2.1 O Panorama Energético Brasileiro . . . 29

2.2 Irradiação Solar no Brasil . . . 30

2.2.1 Radiação direta, difusa e albedo . . . 31

2.2.2 Mapas Solarimétricos . . . 32

2.3 Unidades Fotovoltaicas Instaladas no Brasil . . . 33

2.4 Potencial de geração fotovoltaica no Distrito Federal . . . 35

2.5 Principais fatores de perdas no sistema fotovoltaico . . . 36

2.5.1 Efeitos de sombreamento . . . 36

2.5.2 Sujidade. . . 38

2.5.3 Efeito da Temperatura . . . 39

3 O NOVO CONCEITO . . . 41

3.1 A Árvore Solar . . . 41

3.1.1 Vantagens e Desvantagens da Árvore Solar . . . 43

3.2 Modelo da Árvore Solar proposta . . . 44

3.3 Aplicação de módulos fotovoltaicos em modelos não convencionais 46

3.4 A utilização da Árvore Solar como elemento paisagístico . . . 47

3.4.1 A influência da inclinação dos painéis e angulações solares . . . 49

4 DESCRIÇÃO DO PROBLEMA . . . 53

4.1 Caracterização do Local da Instalação. . . 53

4.1.1 Cenário 1 - Placas Fotovoltaicas Convencionais . . . 54

4.1.2 Cenário 2 - Árvores Solares . . . 54

4.2 Soluções propostas para a determinação da irradiação solar

inci-dente em superfícies inclinadas . . . 56

5 RESULTADOS E DISCUSSÕES . . . 57

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5.2 Equações para o Cálculo da Geração de Energia do Sistema

Foto-voltaico . . . 60

5.3 Escolha do módulo fotovoltaico . . . 61

5.4 Cálculo das Gerações de Energia . . . 62

5.4.1 Geração de Energia - Cenário 1 . . . 63

5.4.2 Geração de Energia - Cenário 2 . . . 64

5.5 Análise das perdas devido ao sombreamento parcial . . . 66

6 CONSIDERAÇÕES FINAIS . . . 71

7 SUGESTÃO PARA TRABALHOS FUTUROS. . . 73

8 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS . . . 75

APÊNDICES

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APÊNDICE A – ENERGIAS GERADAS PELOS MÓDULOS DO

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Introdução

Atualmente, muito se fala acerca do desenvolvimento de tecnologias sustentáveis que visam diminuir os impactos causados pelo homem ao longo da história, intensificados, principalmente, após a Revolução Industrial. A utilização de fontes energéticas que pouco agridem o meio ambiente é um tema que ganha maior visibilidade, especialmente a partir do século XXI, com a preocupação mundial tardia sobre a destruição da camada de ozônio.

O crescimento do consumo de energia mais que triplicou após a Revolução Indus-trial e estudos recentes mostram uma tendência de crescimento da demanda energética em consequência da recuperação econômica nos países em desenvolvimento (PEREIRA et al., 2006).

Os recursos naturais – hídricos e advindos de matéria orgânica, como o petróleo e gás natural – logo não estarão disponíveis como hoje em dia, por este motivo o desenvolvi-mento de novas fontes energéticas é fundamental para continuar suprindo as necessidades humanas. Em 2016, no Distrito Federal, foi registrada a pior crise hídrica dos últimos 30 anos, levando a capital federal a entrar em estado de restrição do uso de água1.

Pesquisadores e cientistas testam diferentes fontes não convencionais para suprir a demanda de energia, principalmente associadas a energia renovável como: solar (helio-térmica, fotovoltaica), dos ventos (eólica), das marés (maremotriz), rios (hidrocinética), geotérmica, biomassa etc. Entretanto, a energia advinda do sol é a principal alternativa em comparação com as outras energias renováveis para substituir fontes convencionais de energia, como carvão, gás, petróleo etc (MAITY, 2013). Conforme Estefanel et al. (1990), o Sol mostra-se como fonte primordial de energia que mantém a vida no planeta, de ma-neira que o seu destaque se amplia ao passo que as reservas energéticas convencionais vem se exaurindo.

A utilização de módulos fotovoltaicos vem sendo difundida no Brasil e no mundo, sendo utilizados, em sua maioria, em instalações residenciais e comerciais de pequeno porte. Os módulos suprem a demanda de energia local e podem ser instaladas como sistemas autônomos (Off Grid) ou conectados à rede elétrica (On Grid). No sistema Off Grid, a energia é armazenada em baterias para a utilização em períodos noturnos, quando não há produção de energia. Nos sistemas On Grid, as placas fotovoltaicas fornecem energia para o consumo no local e, se houver produção excedente de energia, essas são direcionadas à Geração Distribuída2, gerando créditos futuros ao consumidor. Segundo o

1 Fonte:

http://noticias.unb.br/publicacoes/117-pesquisa/1155-olhares-sobre-a-crise-hidrica-no-distrito-federal. Acesso em 17 de Jun. 2017.

2 Geração Distribuída (GD) é uma expressão usada para designar a geração elétrica realizada junto ou

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24 Introdução

Ministério de Minas e Energia (2015), estima-se que até 2020, 2,7 milhões de unidades consumidoras poderão gerar sua própria energia através de sistemas fotovoltaicos.

Os custos da energia solar estão rapidamente caindo devido aos avanços na tec-nologia. Segundo o Relatório Global das Energias Renováveis (2017 apud IRENA, 2016), entre os anos de 2010 e 2015, os custos dos geradores solares caíram cerca de 58% e ten-dem a cair ainda mais. A Agência Internacional de Energias Renováveis estima ainda que o preço cairá 57% até o ano de 2025.

Conforme a densidade populacional aumenta nos grandes centros urbanos, casas e áreas descampadas dão lugar à grandes prédios comerciais e residenciais. Com isso, no mesmo espaço que antes abrigava uma família, hoje habitam dezenas de famílias. Um dos principais desafios hoje é satisfazer essa demanda crescente de uma população altamente conectada e inteiramente dependente das redes de energia elétrica.

A geração descentralizada de energia em locais de alta densidade demográfica torna-se um desafio. Para a implementação de uma central de geração solar fotovoltaica é necessária uma significativa quantidade de área disponível para a instalação dos pai-néis (AVDIC et al., 2013). Em alguns prédios, não há quantidade de área útil disponível para instalação ou existem objetos que podem causar efeitos de sombreamento nas placas. Nesse contexto, aparece a ideia da Árvore Solar, a qual possibilita a disposição de mó-dulos fotovoltaicos ao longo de um poste, sendo, assim, possível sua instalação em locais específicos e é necessária somente 1% da área que seria utilizada no modelo convencional, aproximadamente (MAITY, 2013).

Enquanto que no modelo convencional seria necessária uma área de 40

𝑚2para gerar 2.2 Kwh, na Árvore Solar seria necessário somente 0.4 𝑚2

para gerar a mesma quantidade (MAITY, 2013).

Além do aspecto ambiental, a utilização da Árvore Solar em ambientes urbanos também possui um aspecto social, pois desperta a atenção da população sobre a impor-tância da utilização de novos equipamentos e sistemas eficientes de geração de energia limpa, confiável e segura. E quando esta é utilizada pelo Poder Público, o exemplo para a população se torna ainda mais evidente (VIGGIANO, 2012).

Ao incentivar o uso de energia solar fotovoltaica pelo setor público, um governo dá demonstração clara de seu compromisso não só com o meio ambiente, mas com a diversificação da economia, ao permitir que, criando-se demanda, surjam novas empresas de instalação e manuten-ção, de formação especializada de instaladores e de novas áreas de ensino tecnológico (WWF, 2016).

O trabalho será dividido em 7 capítulos. No Capítulo 1, os objetivos (geral e específico) e a metodologia serão explicitados. No Capítulo 2, será feito um levantamento

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25

teórico sobre os temas que são relevantes na geração de energia solar fotovoltaica, trazendo dados importantes da energia solar no Brasil. No Capítulo 3, a Árvore Solar é abordada com a definição de seus conceitos, demonstração de estudos que justificam sua utilização, trazendo também suas vantagens e desvantagens bem como sua utilização no mundo e é apresentado o modelo proposto de Árvore Solar. O Capítulo 4 apresenta a proposta de instalação da Árvore Solar no Jardim da Universidade de Brasília - Faculdade do Gama. O capítulo 5 mostra o cálculo das energias geradas em dois cenários e uma análise das perdas devido ao sombreamento. O Capítulo 6 mostra as conclusões do trabalho e, por fim, o último capítulo traz as sugestões para trabalhos futuros.

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27

1 Objetivos

1.1

Objetivo geral

Dimensionar um projeto de geração de energia solar fotovoltaica conectada à rede através de Árvores Solares no Jardim da Universidade de Brasília - Campus Gama, des-tacando seus ganhos estéticos e ambientais e comparando-a com a instalação de modo convencional.

1.2

Objetivos Específicos

∙ Fazer um levantamento teórico a respeito das Árvores Solares;

∙ Realizar um levantamento teórico das variáveis envolvidas no processo de instalação da Árvore Solar comparando com modelos convencionais;

∙ Dimensionar um projeto de instalação fotovoltaica em um jardim da Universidade de Brasília - Campus Gama;

∙ Comparar os dados obtidos em dois cenários; ∙ Analisar perdas devido ao sombreamento.

1.3

Metodologia

Para a realização deste trabalho de graduação foi realizado primeiramente um le-vantamento bibliográfico acerca das Árvores Solares, baseando-se em artigos, dissertações e teses, tendo o trabalho dos autores Maity (2013) e Mazumder e Verma (2015) como principal motivação.

Uma pesquisa exploratória foi realizada com o intuito de identificar maneiras não convencionais de geração de energia solar fotovoltaica e também sobre a utilização de Árvores Solares no mundo. Criou-se um modelo de Árvore Solar com os softwares 3DMax 2017, ZBrush 4R8, Photoshop CS6.

Por fim, a Faculdade UnB Gama foi escolhida para a instalação da Árvore Solar pois, além de se tratar de um campus tecnológico, há um interesse dos órgãos de direção da Faculdade de se instalar um jardim. Para a criação do escopo deste jardim foi utilizado o software Google SketchUp 2016 e para o cálculo da energia na árvore e as perdas devido ao

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28 Capítulo 1. Objetivos

sombreamento, foram utilizados os softwares RADIASOL e Matlab𝑇 𝑀/Simulink R2014a,

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29

2 A Energia Solar

2.1

O Panorama Energético Brasileiro

A geração de energia no Brasil é predominantemente advinda do recurso hídrico, em torno de 65%, e ainda estão previstos uma adição de 2.653.640 kW, somente de Usinas Hidrelétricas. Estima-se, ainda, que nos próximos anos a geração de energia a partir de recursos hídricos continuará a ocupar cerca de 50% da matriz energética brasileira (MORAIS, 2015).

A potência instalada no Brasil é da ordem de 152 GW, com destaque para a hidráulica com 96,9 GW (64,85% do total) e biomassa com 14 GW (9,3%). Com a recente crise hídrica que afetou parte do país nos últimos anos e com reservatórios atuando abaixo da capacidade, o Brasil passou a utilizar com mais frequência as usinas termelétricas, o que aumentou significativamente o custo da energia elétrica.

Figura 1 – Geração de Energia Elétrica no Brasil.

Fonte – ANEEL, 2017 .

De acordo com o Ministério de Minas e Energia, em janeiro de 2015 foi registrada a pior afluência da série histórica no subsistema Sudeste/Centro-Oeste, cerca de 38% (SOUSA, 2015). Sabendo disso, os incentivos às outras fontes confiáveis de energia devem ser maiores nos próximos anos.

Através de dados fornecidos pelo Banco de Informações de Geração da ANEEL1,

apesar do crescimento nas últimas décadas da energia solar fotovoltaica, ela ainda ocupa posição discreta na matriz brasileira, cerca de 0,02%. Contudo, há cerca de 38 centrais de geração solar fotovoltaica com capacidade total de 1.093.400 kW em construção e mais 73 empreendimentos previstos com construção ainda não iniciada, o que geraria mais 1.886.997 kW no Sistema Interligado Nacional (SIN), aumentando consideravelmente a participação da energia solar no setor.

1 http://www2.aneel.gov.br/aplicacoes/capacidadebrasil/capacidadebrasil.cfm. Acesso em 08 de jun. de

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30 Capítulo 2. A Energia Solar

A energia eólica, por sua vez, é uma das fontes de energia que terão maior incentivo de geração nos próximos anos, com a previsão de instalação de 160 centrais geradoras com Potência Outorgada2 de 3.726.300 kW. Hoje, ocupa cerca de 6,88% do total no SIN

(ANEEL, 2017).

2.2

Irradiação Solar no Brasil

Para analisar a viabilidade de um projeto de geração de energia solar fotovoltaica, é fundamental a verificação dos níveis de intensidade de radiação solar no local da instalação bem como sua variação sazonal ao longo do ano.

Além da importância atual no panorama energético e no desenvolvimento susten-tável do país, o conhecimento da radiação solar incidente é importante para diversas áreas da atividade humana como, por exemplo, a meteorologia e a climatologia. Na arquitetura e na construção civil, as práticas de eficiência energética e de conforto térmico necessitam de informações confiáveis sobre a iluminância natural e o fluxo de energia solar (PEREIRA et al., 2006).

Segundo o Atlas de Energia Solar da ANEEL (2015, apud CRESESB, 2000), estima-se que a energia solar incidente sobre a superfície terrestre seja da ordem de 10 mil vezes o consumo energético mundial.

Para melhor entender sobre a variação dos índices de radiação anual, faz-se neces-sário entender o movimento de translação – rotação da Terra em torno do Sol no período de 1 ano (365 dias). Para isso, a figura (2) mostra a trajetória elíptica da Terra, bem como seu ângulo de inclinação e declinação Solar.

O movimento de translação da Terra é dividido em quatro períodos, denominados estações do ano, durando aproximadamente três meses cada um e possuem condições atmosféricas distintas.

Os Solstícios e Equinócios determinam o início das estações do ano em cada he-misfério. Por conta do ângulo de inclinação da Terra praticamente não mudar ao longo de sua trajetória em torno do Sol – sendo 23,5o, em relação ao plano equatorial - a área

iluminada pelo Sol varia, determinando, assim, diferentes índices de radiação que chega à superfície da Terra no decorrer do ano.

O Brasil possui localização privilegiada no globo terrestre, pois os índices de ir-radiância solar não variam tanto ao longo do ano, devido à proximidade com a linha do equador.

2 A Potência Outorgada é igual a considerada no Ato de Outorga, que é a partir da Concessão,

Per-missão, Autorização ou Registro a agentes privados a responsabilidade por produzir, transmitir e distribuir energia elétrica.

(33)

2.2. Irradiação Solar no Brasil 31

Figura 2 – Órbita da terra ao redor do Sol, com seu eixo N-S inclinado de um ângulo de 23,5∘.

Fonte: Peniche et al., 2017.

2.2.1

Radiação direta, difusa e albedo

A radiação solar que incide sobre a superfície da Terra é constituída de duas componentes, a direta (ou de feixe) e a difusa. A radiação direta é aquela que não sofre qualquer desvio durante sua trajetória. A radiação difusa sofre deflexão – por meio de nuvens, moléculas de água e ar ou partículas em suspensão – ao incidir sobre a atmosfera terrestre, tendo suas componentes difundidas em várias direções.

O albedo, também chamado de coeficiente de reflexão, é considerado como a capa-cidade de reflexão de uma superfície. É medido como a razão entre a radiação refletida pela superfície e a superfície incidente sobre ela. Na tabela abaixo, encontram-se os diferentes valores do albedo para cada tipo de superfície.

Tabela 1 – Coeficientes de reflexão (albedo) de acordo com a superfície.

Superfície Albedo

Gramado 0,18 - 0,23 Grama seca 0,28 - 0,32 Solo descampado 0,17

Asfalto 0,15

Fonte – Adaptado de Pinho e Galdino (2014).

A radiação global pode ser calculada como sendo a soma das componentes das radiações direta, difusa e albedo, ou seja:

(34)

32 Capítulo 2. A Energia Solar

A figura (3) mostra as radiações incidentes na superfície terrestre.

Figura 3 – Direções da radiação solar que chega à superfície terrestre. Fonte: Viana, 2008.

Dados recentes da WMO (World Meteorological Organization) indicam um valor médio de 1367 𝑊/𝑚2 para a irradiância que chega à superfície terrestre. Ao chegar na

atmosfera terrestre, esse valor diminui para cerca de 1000 𝑊/𝑚2, devido a efeitos de

dispersão. Essas componentes de radiação são medidas através de instrumentos próprios de medição. Os principais são o pireliômetro e o piranômetro.

O pireliômetro é o instrumento responsável por medir somente a parcela de ra-diação direta que chega à superfície. Este instrumento precisa necessariamente medir o curso do Sol para ter uma medida exata e possui uma estrutura que minimiza a influência da temperatura do ambiente, na abertura dianteira existe uma janela de quartzo para proteger o sensor e para atuar como filtro na radiação que passa (OLIVEIRA et al, 2011).

O piranômetro mede a irradiância global (direta + difusa) incidente em uma super-fície. O modelo mais utilizado funciona com dois sensores de temperatura, que são pares termoelétricos, os quais medem a diferença de temperatura entre duas superfícies. Ao ab-sorver o calor, há uma expansão das superfícies que provoca uma diferença de potencial que, ao ser medida, mostra a parcela de irradiância global (BONEBERG, 2016).

2.2.2

Mapas Solarimétricos

Segundo o MME (2015), a irradiação horizontal média anual brasileira varia entre 1.200 e 2.400 𝑘𝑊 ℎ/𝑚2.𝑎𝑛𝑜, bem acima da média da Europa, como Alemanha (900-1250

𝑘𝑊 ℎ/𝑚2.𝑎𝑛𝑜), França (900-1650 𝑘𝑊 ℎ/𝑚2.𝑎𝑛𝑜) e Espanha (1200-1850 𝑘𝑊 ℎ/𝑚2.𝑎𝑛𝑜).

Contudo, há no mundo regiões com valores acima de 3.000 𝑘𝑊 ℎ/𝑚2.𝑎𝑛𝑜, como Austrália,

norte e sul da África, Oriente Médio, parte da Ásia Central, parte da Índia, sudoeste dos USA, além de México, Chile e Perú.

(35)

2.3. Unidades Fotovoltaicas Instaladas no Brasil 33

Figura 4 – Mapa Solarimétrico do Brasil. Fonte: Adaptado de SWERA – INPE, 2017.

A região do centro-oeste brasileiro possui média de 5,13 𝑘𝑊 ℎ/𝑚2.𝑑𝑖𝑎 – cerca

de 1.846,8 𝑘𝑊 ℎ/𝑚2.𝑎𝑛𝑜 – no plano inclinado e 4,93 𝑘𝑊 ℎ/𝑚2.𝑑𝑖𝑎 no plano horizontal,

possuindo grande potencial de geração fotovoltaica.

Conforme apresentado na figura (4)3, os níveis de radiação4 tem maior

concentra-ção em parte do centro-oeste e do nordeste brasileiro, apresentando níveis médios de 5,0 e 6,0 𝑘𝑊 ℎ/𝑚2.𝑑𝑖𝑎, podendo chegar em até 6,5 𝑘𝑊 ℎ/𝑚2.𝑑𝑖𝑎 em alguns locais.

Segundo o Atlas Brasileiro de Energia Solar (2006), ao norte da Bahia foram registrados os valores máximos de irradiação global – 6,5 𝑘𝑊 ℎ/𝑚2 – enquanto que nas regiões norte e o litoral de Santa Catarina tiveram os menores índices, devido à alta taxa de precipitação ao longo do ano e, consequentemente, alta fração de cobertura das nuvens, o que faz aumentar a reflexão da radiação solar e diminuir sua incidência na superfície.

2.3

Unidades Fotovoltaicas Instaladas no Brasil

A Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) registra cerca de 11.241 cone-xões de geração distribuída até junho de 2017, totalizando potência instalada de 89.679,85 kW e um total de 44 usinas fotovoltaicas com geração centralizada instaladas no Brasil,

3 Disponível em: https://maps.nrel.gov/swera. Acesso em: 25 de Abr.de 2017.

4 O INPE (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais) classifica cinco níveis de radiação ultravioleta:

(36)

34 Capítulo 2. A Energia Solar

somando um total de 23.764 kW gerados, cerca de 0,02% da potência total de energia gerada no país.

Segundo estudos projetados para 2020 da International Energy Agency (IEA, 2010), dos sistemas de geração fotovoltaica no Brasil, estima-se que cerca de 60% se-jam residenciais e comerciais conectadas à rede, enquanto que as centrais fotovoltaicas representariam 30% e apenas 10% em sistemas isolados.

Como mostra a tabela (2) a seguir, o maior número de usinas fotovoltaicas ins-taladas se encontra no estado do Amazonas (31, 82%). Todavia, esse grande número de usinas fotovoltaicas não reflete na maior potência instalada do país.

Tabela 2 – Quantidade de usinas fotovoltaicas por estado em operação no Brasil em 2017.

Estado Qtde Usinas FV [%]

AM 14 31,82 SP 6 13,64 MG 4 9,09 SC 3 6,82 PR 3 6,82 RS 2 4,55 PE 2 4,55 BA 2 4,55 RN 2 4,55 MA 2 4,55 CE 1 2,27 MT 1 2,27 RO 1 2,27 MS 1 2,27 Total 44 100

Fonte – Adaptado de ANEEL (2017) .

Ao somar as potências instaladas na região norte do país, tem-se apenas uma potência total de 196,52 kW, o que é considerado baixo, quando comparado a outros estados. Isso se deve pelo fato da radiação solar incidente no estado ser considerada abaixo da média nacional, devido ao alto índice de precipitação no local e sua produção, geralmente, ser para atender regiões onde a demanda por energia elétrica é baixa.

No nordeste brasileiro há grande expressão de usinas fotovoltaicas instaladas bem como a potência total instalada – a maior do país – por volta de 14.664,67 kW. Es-ses números são altos devido ao potencial de geração no local, como discutido na seção anterior.

O levantamento da ANEEL ainda mostra os tipos de ligações que existem no país, sendo a Geração Própria com a maior parcela, cerca de 59,52%.

(37)

2.4. Potencial de geração fotovoltaica no Distrito Federal 35

Tabela 3 – Geração das usinas fotovoltaicas em operação no Brasil em 2017 por região.

Região Estados Potência [kW]

Norte AM, RO 196,52

Nordeste CE, BA, PE, MA, RN 14.664,77

Sul PR, SC, RS 4.068,34

Sudeste SP, MG 3.929,66

Centro-Oeste MS, MT 901,38

Total 14 estados 23.760,67

Fonte – Adaptado de ANEEL (2017).

seção anterior, a geração de energia solar fotovoltaica não acontece de forma expressiva. Entretanto, nos próximos anos as políticas de incentivo devem se identificar, especialmente no âmbito do Distrito Federal.

2.4

Potencial de geração fotovoltaica no Distrito Federal

A matriz energética do Distrito Federal (DF) é predominantemente dominada pela geração através de usinas hidrelétricas, cerca de 80% vinda de Furnas e 20% de Itaipu. Porém, ambas apresentam cenários nada positivos nos últimos anos, com grandes estiagens e vazões apresentando números de até 50% abaixo da linha de cota (SEMARH, 2016).

A energia solar se torna uma importante alternativa para a diminuição das perdas técnicas no transporte de energia elétrica, pelo desafogamento das linhas de transmissão e dos sistemas de distribuição de eletricidade e, por consequência, pela diminuição do custo final da eletricidade para o consumidor. Essa forma de geração descentralizada de energia é a forma mais moderna para garantir o crescimento energético em harmonia com o meio ambiente (WWF, 2016).

Em janeiro de 2016, o Governo de Brasília elaborou um documento de consulta pública de um programa de incentivo à geração solar fotovoltaica, denominado Programa Brasília Solar5, onde consta sugestões de incentivo à geração fotovoltaica no âmbito

Dis-trito Federal e políticas de isenções fiscais para a produção de energia através de painéis solares fotovoltaicos. Este último que é um dos maiores empecilhos para o aumento da produção na região.

De acordo com estimativas produzidas a partir de um estudo da WWF (2016), seriam necessários 27 𝑘𝑚2 de módulos fotovoltaicos instalados para suprir a demanda

inteira de energia do DF. Isso equivale a cerca de 0,41% de todo o território da região.

Segundo Maity (2013), com a utilização de árvores solares, a área necessária para suprir essa demanda de energia local diminuiria ainda mais. No entanto, a comparativa

5 A minuta do Programa Brasília Solar pode ser acessada em

(38)

36 Capítulo 2. A Energia Solar

feita pelo autor suprime considerações a respeito das perdas envolvidas no processo.

2.5

Principais fatores de perdas no sistema fotovoltaico

Uma forma de se prever a geração de um projeto fotovoltaico é realizando o produto da irradiação no local da instalação pela área útil do módulo e seu rendimento nominal, diminuindo-se deste valor as perdas.

Conforme lista a ABNEE (2012, p. 54), os principais fatores que afetam o desem-penho de um gerador fotovoltaico são:

(i) Perdas nos inversores de energia de CC para CA; (ii) Eventuais sombreamen-tos na instalação; (iii) Eventual acúmulo de poeira ou sujeira nos módulos, reduzindo a capacidade de absorção da irradiação; (iv) Perdas (ôhmicas) nos cabos, tanto no lado CC como CA da instalação; (v) Redução de eficiência dos módulos fotovoltaicos decorrente de temperaturas mais elevadas que as utilizadas no ensaio e informadas pelo fabricante (cé-lulas a 25 graus); (vi) Indisponibilidade do sistema fotovoltaico, seja por paradas forçadas (quebras de componentes) ou desligamentos para manutenções; (vii) Diferenças nas cur-vas características (I x V) dos módulos (dentro de tolerância), o que significa que quando conectados eletricamente não operarão no mesmo ponto de máxima eficiência;

Dentre as citadas, destacam-se as perdas por sombreamento, sujidade e tempe-ratura, pois estas podem ser previstas e minimizadas. Perdas por desajustes de tensão podem ser evitadas instalando-se um regulador MPPT6.

2.5.1

Efeitos de sombreamento

Quando uma célula é sombreada em um módulo fotovoltaico, esta pode começar a atuar como uma carga ao invés de gerador de energia. Isso pode fazer com que ela comece a trabalhar em um nível de corrente que excede a capacidade do curto-circuito de uma célula ou do grupo de células do módulo. Quando isso acontece, uma perda de energia no módulo é registrada e ocorre os chamados pontos quentes, podendo causar danos ao sistema pela chamada polarização inversa.

Como o módulo FV é um conjunto de células conectadas em série, ao diminuir a irradiação solar incidente devido ao sombreamento em um ou mais módulos, ela passa a gerar menos corrente e desta forma limita a corrente de todo o resto do módulo bem como em todos os módulos restantes conectados em série. Para minimizar tais prejuízos, o dispositivo eletrônico denominado diodo de bypass pode ser incluído no sistema. Esse dispositivo permite a passagem da corrente sem danificar a célula (LOPES, 2013).

(39)

2.5. Principais fatores de perdas no sistema fotovoltaico 37

Figura 5 – Módulo sem diodo bypass com um ponto quente à esquerda e módulo com diodo à direita.

Fonte: Araújo et al., 2015.

Sathyanarayana et al. (2015), através de resultados experimentais, concluiu que a corrente de curto-circuito 𝐼𝑠𝑐 diminui conforme o aumento da porcentagem sombreamento

em uma relação linear, conforme mostra o gráfico da figura (6) abaixo.

Figura 6 – Gráfico do efeito do sombreamento na corrente de curto circuito. Fonte: Sathyanarayana et al., 2015.

Sun et al. (2013) também demonstrou em um gráfico Tensão versus Corrente a diferença entre 6 módulos com áreas parcialmente sombreadas (figura7). Nos módulos 2 e 3 não houve sombreamento, portanto, não houve alteração da tensão e corrente nominal. Entretanto, nos módulos restantes, foi possível observar quedas acentuadas de eficiência, que só não foram totais pois nos painéis foram instalados diodos de bypass.

O sombreamento parcial tem sido identificado como a principal causa para a re-dução do rendimento7 e do fator de desempenho de sistemas fotovoltaicos conectados à rede (ZOMER, 2014 apud WOYTE et al., 2003).

Outra forma de diminuir as perdas devido ao sombreamento é pela utilização do chamado inversor string. Esta configuração é conectada diretamente em uma série de painéis FV, como mostra a figura (8). Ela reduz acoplamentos defeituosos e permite a utilização de séries FV com orientações diferentes, aumentando a eficiência e confiabilidade

(40)

38 Capítulo 2. A Energia Solar

Figura 7 – Painéis sombreados parcialmente por um poste e gráfico Tensão-Corrente cor-respondente.

Fonte: Sun et al., 2013.

do sistema. Uma desvantagem da utilização de inversores string é que ocasiona em um aumento de custo, pois é necessário a utilização de mais inversores com potência inferior (ALMEIDA, 2012).

Figura 8 – Inversor string conectado à um subsistema fotovoltaico. Fonte: Almeida, 2012.

Cabe ressaltar, também, que módulos feitos com filmes finos apresentam melhores resultados quando sujeitos ao sombreamento parcial do que módulos de silício cristalino (PINHO; GALDINO, 2014).

O sombreamento pode ser evitado com estudos prévios do local de instalação, entretanto existem situações em que o sombreamento provocado nas placas não pode ser prognosticado, como dejetos de pássaros ou folhas caídas. Para evitar que o sombreamento parcial afete a eficiência do sistema, devem ser realizadas visitas periódicas às instalações para retirar possíveis obstruções de captação solar pelos módulos.

2.5.2

Sujidade

As perdas deste tipo são frequentes em módulos fotovoltaicos. A periodicidade da limpeza das placas deve ser mais frequente em alguns casos do que em outros, pois depende das características do clima local. Em grandes centros urbanos, pode haver sujeira devido à circulação de carros, em locais mais isolados a sujidade deve-se ao acúmulo de poeira. Para evitar o acúmulo de poeira, é recomendável que utilize-se uma inclinação de, no mínimo, 10o.

(41)

2.5. Principais fatores de perdas no sistema fotovoltaico 39

No estudo de caso demonstrado por Araújo et al. (2015), foi verificado um aumento na taxa de desempenho do sistema de 66,91% do mês anterior para 74,43% após a limpeza dos módulos, os quais não haviam sido limpos há dois anos. O que demonstra que efeitos como a sujidade do módulo não devem ser negligenciados na manutenção do sistema solar fotovoltaico.

2.5.3

Efeito da Temperatura

O aumento de temperatura afeta diretamente a potência e a tensão gerada pelo módulo fotovoltaico. Apesar da maioria dos módulos comercializados atualmente serem feitos de silício cristalino, estes são mais sensíveis ao aumento de temperatura. Células de filmes finos apresentam menores influências com o aumento da temperatura (PINHO; GALDINO, 2014).

A figura (9) abaixo mostra um gráfico de Tensão (V) versus Corrente (A) onde é possível notar que os valores de tensão diminuem de forma proporcional com o aumento da temperatura enquanto que a corrente é pouco alterada.

Figura 9 – Efeito da temperatura na curva característica da célula. Fonte: Pinho e Galdino, 2014.

Para que os efeitos da temperatura sejam minimizados é necessário considerar a instalação dos módulos em locais com boa ventilação para que o calor gerado possa ser dissipado.

(42)
(43)

41

3 O novo conceito

3.1

A Árvore Solar

A utilização de Árvores Solares (Solar Trees, em inglês) para geração de energia não é novidade no mundo. Atualmente, seu uso está bem difundido em vários países da Europa e Ásia e vem sendo instaladas em alguns estados do Brasil, como Ceará e Rio Grande do Sul (figura 10).

Figura 10 – Árvores Solares instaladas no Brasil.

A Árvore Solar é uma estrutura de metal que se assemelha a uma árvore comum, com galhos que sustentam os painéis fotovoltaicos e, em determinados casos, possui a capacidade de gerar a mesma quantidade de potência do que um modelo convencional, utilizando menos espaço.

Na Índia, em 2013, foi instalada uma Árvore Solar com potência de 2 kWh em uma área de 0,28 𝑚2, conforme mostra a figura (11). O estudo proposto por Maity (2013),

mostrou que se fossem usados painéis solares de modo convencional, seria necessário uma área total de 50 𝑚2 para gerar uma potência de 2,2 kWh, enquanto que para gerar a

mesma potência utilizando uma Árvore Solar seria necessário apenas 1% dessa área, ou seja, 0,5 𝑚2.

Mazumder e Verma (2015) demonstraram em um estudo, envolvendo uma simu-lação com modelo matemático, que a utilização de Árvores Solares pode aumentar a densidade de energia gerada em até 322% no inverno e 52% no verão, se comparado com painéis convencionais. As árvores solares, neste caso, possuem formato de uma casca

(44)

es-42 Capítulo 3. O novo conceito

Figura 11 – Árvore Solar instalada na Índia com potência de 2 kWh. Fonte: Maity, 2013.

férica (figura12) e por haver espaços entre as placas fotovoltaicas, podem ser adicionadas camadas internas de placas, o que aumentaria ainda mais o rendimento.

É importante, entretanto, ressaltar que o modelo proposto por Mazumder e Verma a irradiância solar é constante durante todo o dia e é inalterado pelas condições atmosfé-ricas, o que não acontece na realidade.

Seguindo a mesma vertente, um grupo japonês (ASAI; TOSHIAKI, 2010) conduziu um estudo de uma árvore solar que dispõe as placas seguindo a sequência de Fibonacci e constatou ganhos significativos de captação de energia comparado à painéis solares convencionais apontados em uma direção (MAZUMDER; VERMA, 2013). Contudo, suas descobertas foram baseadas em modelagem computacional e o modelo despreza possíveis efeitos de sombreamento.

A utilização de Árvores Solares ainda é questionável, do ponto de vista da melhoria da eficiência de captação de radiação solar. Entretanto, diversos estudos com modelos variados de árvores solares vem sendo desenvolvidos por pesquisadores de todo o mundo no intuito de legitimar a sua implementação.

Para uma justificativa de sua utilização em um projeto, é necessário remeter-se a um cenário de áreas degradadas ou parques em que a instalação do tipo convencional não é viável, como em projetos arquitetônicos em que a utilização de painéis solares não harmonizam com o ambiente. A Árvore Solar também pode ser utilizada como alternativa em imóveis onde o telhado não aponta na melhor direção da irradiação solar.

(45)

3.1. A Árvore Solar 43

Figura 12 – Árvore real e Árvore Solar. Fonte: Mazumder e Verma, 2015.

ordenar e organizar plasticamente o espaço, em função de uma determinada época, de um determinado meio, de uma determinada técnica e de um determinado programa e é nesse contexto que aparece a ideia da árvore solar (COSTA, 1995. p. 608).

Embora a utilização de Árvores Solares, em certos casos, pode diminuir a captação da energia solar por conta de possíveis efeitos de sombreamento nas placas e diferentes orientações, a inserção de placas em um arranjo vertical é possível em locais como parques, jardins e à beira de rodovias, por exemplo.

Para aumentar a captura da radiação na árvore solar, podem ser instalados rastre-adores solares. Com isso, a angulação da irradiação é quase sempre normal à superfície, o que pode representar ganhos superiores a 30% se comparado com painéis fixos (TRE-VELIN, 2014). No entanto, sua utilização acarreta em um aumento do custo do projeto.

3.1.1

Vantagens e Desvantagens da Árvore Solar

Dentre as vantagens da utilização da Árvore Solar, destacam-se a economia de espaço para a geração de energia, sendo possível a instalação de geradores fotovoltaicos em locais que não seria aplicável painéis convencionais. Pode servir como ponto de encontro comunitário com pontos de internet sem fio, carregador de dispositivos móveis e colocação de painéis digitais. Ainda traz ganhos arquitetônicos e ecológicos ao projeto, servindo como um importante objeto para a educação e incentivo da comunidade acerca da geração de energia solar fotovoltaica.

As desvantagens, por sua vez, são que o custo pode ser mais elevado devido ao uso de materiais como aço ou ferro para a fabricação e modelagem do tronco que sustentará os painéis, pode trazer danos à aves e insetos e também para a visão humana, devido ao reflexo provocado pelas placas. Por fim, dependendo do modelo, pode trazer perdas

(46)

44 Capítulo 3. O novo conceito

significativas de eficiência devido ao efeito de sombreamento e diferentes orientações dos módulos.

3.2

Modelo da Árvore Solar proposta

Uma abordagem arquitetônica e paisagística é considerada neste projeto, no qual o modelo da árvore solar deverá estar em harmonia com o ambiente que está inserida. O local pesquisado se encontra no Cerrado brasileiro, bioma este que não possui uma fisionomia única em toda a sua extensão. Muito ao contrário, ela é bastante diversificada (COUTINHO, 2017).

A região do Cerrado apresenta uma das diversidades mais ricas dentro da vegetação savânica do mundo, na qual uma vegetação rasteira, for-mada principalmente por gramíneas, coexiste com árvores esparsas, bai-xas, tortuosas, com cascas grossas, folhas largas e sistemas radiculares profundos. Essa vegetação apresenta estratégias de adaptação à seca, como raízes alcançando profundidades superiores a 10 m, germinação de sementes na época das chuvas e crescimento radicular pronunciado nos primeiros estádios de desenvolvimento (SANTOS et al., 2004 apud PINTO, 1993; SANO e ALMEIDA, 1998).

O pequizeiro (figura 13)1 é uma árvore que pode atingir 15 metros de altura ou

ter porte pequeno, dependendo da fertilidade do solo ou de fatores genéticos. Possui caule retorcido, galhos secos e espaçados entre si.

Figura 13 – Pequizeiro (Caryocar brasiliense Cambess). Fonte: Marcelo Kuhlmann/Frutos Atrativos do Cerrado.

O Pequizeiro é uma das árvores mais conhecidas do Cerrado, sendo declarada no Estado de Minas Gerais e Goiás como Patrimônio Ecológico e Símbolo do Cerrado. A

1 Disponível em:

(47)

3.2. Modelo da Árvore Solar proposta 45

árvore possui filotaxia oposta, i. e., quando duas folhas inserem-se no mesmo nó do caule, mas em lados opostos. Seu fruto é o pequi, muito consumido nas regiões centro-oeste e em alguns estados do nordeste do país.

Destarte, foi desenvolvida uma Árvore Solar através dos softwares Blender para a modelagem da base, ZBrush para esculpir e fazer o detalhamento e o Photoshop para os acabamentos finais, para ser incluso no projeto de um jardim da Universidade de Brasília - Campus Gama. A figura (14), denominada O Pequizeiro Solar, retrata o arquétipo da árvore apontada na figura (13).

Figura 14 – O Pequizeiro Solar. Fonte: Lhuan Terra.

A estrutura do Pequizeiro Solar, onde os painéis fotovoltaicos serão fixados, pode ser feita de diversos tipos de materiais. Recomenda-se, no entanto, o uso de aço inoxidável devido a suas características de modelagem e resistência à ventos e oxidação atmosférica.

Além da abordagem arquitetônica, o projeto de instalação de um Pequizeiro Solar também considera uma abordagem ecológica e sustentável pois o uso de árvores solares remete tanto à preservação da natureza quanto à geração de energia sem a necessidade de se esgotar recursos naturais e sem gerar subprodutos que tenham efeitos na sociedade ou no meio ambiente.

O projeto que será considerado no presente trabalho conta com 2 Árvores Solares que serão instaladas em locais estratégicos e poderão também servir como pontos de internet sem fio, carregador de celular ou podem abrigar painéis de LED que podem transmitir informações ou propagandas, sombra aos visitantes, bem como fornecerão a energia produzida excedente à rede.

(48)

46 Capítulo 3. O novo conceito

∙ Capacidade da geração;

∙ Quantidade de área útil para geração;

∙ Quantidade de módulos fotovoltaicos instalados;

∙ Harmonia da instalação com o meio ambiente (Projeto Arquitetônico e Paisagístico); ∙ Indicação de parâmetros para redução de perdas;

∙ Chamar atenção da comunidade local sobre a utilização de fontes de energia limpa.

3.3

Aplicação de módulos fotovoltaicos em modelos não

conven-cionais

A utilização de placas solares fotovoltaicas acontece de forma mais expressiva em telhados residenciais. Entretanto, existem diversos locais menos convencionais onde é pos-sível ter uma central geradora de energia solar fotovoltaica. Em 2017, a China instalou o que seria considerada a maior usina solar flutuante do mundo. A usina tem capacidade instalada de 40 MW, o suficiente para abastecer uma cidade com 15 mil residências.

Figura 15 – Usina Solar flutuante instalada na China e Estacionamento da UFRJ. Fonte: SUNGROW Power Supply Co., Ltd.

Em agosto de 2015, a Universidade Federal do Rio de Janeiro - UFRJ inaugurou o que foi denominado como o maior estacionamento solar do país em geração distribuída (à direita da figura 15). São 414 painéis solares fotovoltaicos capazes de gerar 140 mil kWh por ano e ocupa uma área de 651,64 𝑚2.

Outro exemplo é o Parque Ecológico de Indaiatupa, SP (figura 16)2, que instalou

um sistema de geração fotovoltaica conectado à rede, no ano de 2015. O sistema ocupa uma área de aproximadamente 130 𝑚2 e possui capacidade de produção mensal de 2 mil

2 Fonte: http://indaiatubaecologia.blogspot.com.br/2015/02/energia-solar-em-indaiatuba.html. Acesso

(49)

3.4. A utilização da Árvore Solar como elemento paisagístico 47

kWh. Para evitar riscos à segurança dos visitantes do parque, assim como evitar possíveis depredações, a área em torno dos painéis teve que ser isolada.

Figura 16 – Parque Ecológico de Indaiatupa, SP.

Com base nos exemplos citados acima, é possível notar que a geração de energia solar fotovoltaica não é restrita apenas a telhados de imóveis e com o passar do tempo surgem novas formas de utilização dessa tecnologia em diferentes locais.

Com a micro e mini geração distribuída, a energia é gerada no mesmo local em que é consumida e essa é uma tendência que tende a crescer significativamente nos próximos anos. Cabe, então, aos profissionais da área buscar alternativas para que essa geração se processe em qualquer lugar.

3.4

A utilização da Árvore Solar como elemento paisagístico

A Árvore Solar é um novo conceito na captação da energia solar que satisfaz as demandas ambientais, sociais, culturas e estéticas. Ela representa a energia solar de um modo artístico (RAWAT; SINGH, 2015).

O artista Ross Lovegrove desenvolveu um modelo de Árvore Solar para ilumina-ção pública que foi instalado na cidade de Viena, na Itália e também em Londres, na Inglaterra3 (figura 17).

Em HaNadiv Gardens, próximo à cidade israelense de Zikhron Ya’akov, a empresa especialista em energias renováveis, Sologic, instalou uma Árvore Solar, denominada eTree (figura 18). A Árvore Solar funciona como estação para carregar smartphones e outros dispositivos móveis, serve como ponto de internet sem fio e possui um bebedouro, ao mesmo tempo em que fornece sombra aos visitantes do parque4.

3 Disponível em:

https://www.treehugger.com/sustainable-product-design/solar-tree-new-street-lighting-from-ross-lovegrove.html. Acesso em 12 de Jun. 2017.

4 Disponível em: https://www.revolvesolar.com/beautiful-solar-trees-can-really-spruce-property/.

(50)

48 Capítulo 3. O novo conceito

Figura 17 – Árvore Solar com design artístico. Fonte: Tree Hugger, 2011.

Em setembro de 2017, uma Árvore Solar também foi utilizada na cidade do Rio de Janeiro em um dos principais eventos internacionais de música do mundo, o Rock in Rio5. A Árvore Solar, chamada de OPTree (figura 19), foi produzida pela empresa

Sunew e também serve como ponto de encontro para os usuários, fornecendo abrigo do sol enquanto carregam o celular. Além da Optree remeter à geração sustentável, a empresa também utiliza módulos FV orgânicos, que possuem impacto ambiental menor do que os painéis de silício no seu processo de fabricação.

Figura 18 – Árvore Solar instalada em Israel. Fonte: Sologic, 2014.

A Árvore Solar é, portanto, uma tendência e um fenômeno real que acontece em todo o mundo. Artistas, arquitetos e engenheiros de todas as partes se unem para buscar soluções que viabilizam a geração de energia solar em harmonia com o ambiente.

Cabe ressaltar que uma das vantagens da utilização de módulos fotovoltaicos em locais públicos é que eles podem ser mais vistos pela população, com isso, além da própria geração de energia, os módulos desempenham um papel educacional e informativo para a

5 Disponível em:

(51)

3.4. A utilização da Árvore Solar como elemento paisagístico 49

Figura 19 – Árvore Solar instalada no evento Rock in Rio. Fonte: Sunew/Divulgação.

difusão da tecnologia solar, trazendo à discussão a conservação de energia e utilização de fontes renováveis (ZOMER, 2014 apud RÜTHER et al., 2011; SANTOS et al., 2010).

Em contrapartida, uma das principais dificuldades para a integração de módulos fotovoltaicos em espaços abertos é que além do fato de que em áreas densamente ocupa-das, as ruas não recebem irradiação solar constante pois são bastante sombreadas pelas edificações ao redor, ocorre a preocupação em relação à segurança do sistema, pois os módulos podem ser depredados (ZOMER, 2014).

3.4.1

A influência da inclinação dos painéis e angulações solares

No caso do projeto de instalação de uma Árvore Solar, o aspecto arquitetônico e paisagístico justifica a instalação dos painéis de modo aleatório, no entanto, a sua efi-ciência de geração não pode ser neglicenciada. Por esse motivo, um estudo preliminar dos parâmetros que influenciam na geração fotovoltaica é extremamente importante para garantir uma boa eficiência na conversão da energia.

Os parâmetros mais importantes e que serão enfatizados no presente estudo são: o posicionamento do Sol durante o ano, a inclinação dos painéis e a sua angulação azimutal. Dependendo da inclinação dos painéis e sua posição em relação ao Norte, é possível produzir mais energia em determinadas épocas do ano do que em outras. Desta forma, será considerado o estudo da eficiência de geração de energia por cada painel fotovoltaico na Árvore Solar ao longo do ano.

Para isso, é necessário definir que para obter uma máxima geração de energia, os painéis fotovoltaicos devem estar sempre perpendiculares à incidência dos raios solares (LOPEZ, 2012).

(52)

50 Capítulo 3. O novo conceito

Os principais ângulos que serão analisados são: a declinação solar (𝛿), a elevação ou altura solar (𝛼), o ângulo de incidência (𝜃), o ângulo zenital (𝜃𝑧), o ângulo azimutal

do sol (𝛾𝑆) e do módulo (𝛾) e o ângulo de inclinação do painel (𝛽). Alguns desses ângulos

são mostrados na figura (20) abaixo.

Figura 20 – Ângulos de incidência da Radiação Solar. Fonte: ANGARITA, 2017.

A declinação solar (𝛿) é o ângulo entre a incidência do raio solar e o plano do equador e que varia ao longo do ano, oscilando entre -23,45o no Solstício de Inverno (21

de Dezembro), época em que ocorrem as piores médias de incidência de radiação solar em Brasília, e +23,45o no Solstício de Verão (21 ou 22 de Junho), época das melhores médias.

Nos Equinócios (Primavera e Outono), a declinação solar é nula (0o). Essa declinação

influencia no ângulo zenital (𝜃𝑧)6 e pode ser dada pela equação (3.1), desprezando-se a

excentricidade da órbita da Terra.

𝛿 = −23, 45𝑐𝑜𝑠 (︂ 2𝜋

365(𝐷 + 10) )︂

(3.1)

Sendo D os dias do ano, com 𝐷 = 1 (1de janeiro), 𝐷 = 80 (21 de março) e assim por diante, devendo-se sempre considerar o mês de fevereiro com 28 dias. A figura (21) mostra a variação da declinação solar ao longo do ano.

Segundo Pinho e Galdino (2014), a determinação do ângulo zenital do Sol é im-portante pois influencia diretamente na chamada Massa de Ar (AM, do inglês Air Mass) e, portanto, na radiação que chega à superfície terrestre. Para ângulos zenitais entre 0o e 70o, a Massa de Ar é determinada pela equação (3.2). Caso não esteja neste intervalo, os

efeitos da curvatura da Terra devem ser considerados.

𝐴𝑀 = 1

𝑐𝑜𝑠𝜃𝑧

(3.2)

6 Um ângulo zenital maior corresponde a uma camada maior de ar a qual a radiação será submetida,

(53)

3.4. A utilização da Árvore Solar como elemento paisagístico 51 0 100 200 300 400 −25 −20 −15 −10 −5 0 5 10 15 20 25

Declinacao solar ao longo do ano

Dias do ano D e cl in a ca o s o la r

Figura 21 – Declinação Solar ao longo do ano.

Outro ângulo a ser analisado é o chamado elevação ou altura solar (𝛼), que é o ângulo entre a direção da radiação solar e o plano horizontal. Esse ângulo influencia o caminho percorrido pela radiação solar na atmosfera e é dado pela equação:

𝑠𝑒𝑛𝛼 = 𝑠𝑒𝑛𝛿𝑠𝑒𝑛𝜑 + 𝑐𝑜𝑠𝛿𝑐𝑜𝑠𝜑𝑐𝑜𝑠𝜔 (3.3)

Sendo que 𝜑 é o valor da latitude terrestre e 𝜔 é o ângulo horário, considerando que a cada hora Terra gira 15∘ (360∘/24ℎ), o 𝜔 é dado pela equação

𝜔 = (12 − 𝐻) × 15∘ .

O ângulo horário é um desvio angular cujo valor é nulo quando o horário do Sol local é meio-dia (CAMPOS, 2013).

A cidade de Brasília, Distrito Federal, possui latitude de 15∘ 47’ S, longitude 47∘ 55’ W e altitude 1152 m do nível do mar. Em cidades localizadas no hemisfério sul, como no caso de Brasília, orienta-se que se instalem painéis fotovoltaicos voltados para o Norte. A posição do Sol a qualquer instante do dia pode ser descrita a partir do ângulo de altitude (𝛼) e o ângulo azimutal (𝛾).

O ângulo azimutal é o ângulo medido no plano da superfície terrestre entre a projeção normal do módulo em relação ao Norte. O ângulo azimutal do Sol (𝛾𝑆), que

é o ângulo que compreende a projeção dos raios solares no plano horizontal e o Norte geográfico, depende da latitude terrestre, do dia e da hora. Por convenção, o azimute é positivo quando a projeção se encontrar à Leste e negativo à Oeste. A figura (22) mostra a relação entre o azimute e a altura solar em Brasília - DF.

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52 Capítulo 3. O novo conceito

Figura 22 – Azimute versus Altura solar para a região de Brasília - DF. Fonte: Shayani, 2006.

Os cálculos relativos à energia solar são baseados na hora solar. Na estimativa de produção de energia elétrica por um sistema fotovoltaico, geralmente consideram-se a totalidade da energia elétrica convertida em intervalos horários. Para isso, é importante considerar uma grandeza denominada Horas de Sol Pleno (HSP).

Essa grandeza reflete o número de horas em que a irradiância solar deve permanecer constante e igual a 1 𝑘𝑊/𝑚2, de forma que a energia

resul-tante seja equivalente à energia disponibilizada pelo Sol no local e ques-tão, acumulada ao longo de um dado dia (PINHO; GALDINO, 2014).

Como exemplo, tem-se o cálculo do HSP em Brasília, onde, a irradiação média para o mês de agosto é aproximadamente a 6,2 𝑘𝑊 ℎ/𝑚2/𝑑𝑖𝑎, mostrado abaixo.

𝐻𝑆𝑃 = 6, 2 𝑘𝑊 ℎ/𝑚

2/𝑑𝑖𝑎

1 𝑘𝑊/𝑚2 = 6, 2 ℎ/𝑑𝑖𝑎

Para o problema apresentado, o qual se deve comparar a energia produzida por painéis planos em diferentes inclinações, é indispensável que os dados de irradiação sejam apresentados conforme a inclinação da superfície e seu ângulo azimutal.

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53

4 Descrição do Problema

4.1

Caracterização do Local da Instalação

O local escolhido para a realização do projeto de instalação das Árvores Solares é a Faculdade UnB Gama, campus da Universidade de Brasília. A área apontada como Jardim na figura (23) mostra o local que foi designado para a construção do jardim para a comunidade acadêmica. Possui aproximadamente 7.200 𝑚2, medidos através do software

Google Earth. No entanto, nem toda essa área será utilizada para o projeto do jardim.

Figura 23 – Faculdade UnB Gama - Local da instalação do Jardim. Fonte: Google Earth. Acesso em 20 de Jun. 2017.

A referida área é parte do cerrado brasiliense e teve que ser desmatada para o projeto de expansão do campus, onde também serão construídas outras instalações. Ainda não foi realizado um estudo para concretizar o projeto de instalação do jardim, todavia, neste estudo, será apresentado um escopo.

Diante das prerrogativas estabelecidas, serão mostrados dois cenários de compa-ração, sendo o primeiro com módulos dispostos de forma convencional e o segundo com a utilização de Árvores Solares. O projeto do jardim, desenhado no software Google Sket-chUp 2016, possui uma área total de aproximadamente 1.828 𝑚2 e o Pequizeiro Solar tem

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54 Capítulo 4. Descrição do Problema

4.1.1

Cenário 1 - Placas Fotovoltaicas Convencionais

Para a projeção deste cenário, foi utilizado o software Google SketchUp 2016. Esboçou-se uma área total para o parque de 57,33x31,9 m e uma usina solar fotovoltaica com 66 painéis convencionais de 1,202x0,0,539 m cada um com potência de 100 Wp cada, todos apontados para o Norte e com uma inclinação equivalente à latitude local, aproximadamente 16o, conforme mostra a figura (24).

Figura 24 – Instalação de painéis convencionais no Jardim do Campus UnB Gama. Fonte: Autoria própria.

Segundo as dimensões do software, a usina solar ocuparia uma área de 386,1 𝑚2,

perfazendo uma capacidade nominal de 6,6 kWp, sendo assim uma central de microge-ração fotovoltaica. A área da instalação deve ser isolada para evitar riscos à segurança dos frequentadores e possíveis depredações. Deste modo, também para uma questão de eficiência de projeto, deve-se projetar uma área maior do que a área ocupada pelas placas para evitar possíveis efeitos de sombreamento provocados pelas próprias placas e pelas cercas, principalmente em horários que o Sol está mais baixo, tal como abrir caminho para a realização de manutenções.

Impactos causados em virtude da ocupação do solo e visuais também devem ser considerados. Segundo Reis (2015 apud DERÍSIO, 2000), aspectos como a ausência de vegetação e impermeabilidade afetam a qualidade do solo. Já o impacto visual é causado pela ausência de vegetação e a concretização do terreno.

4.1.2

Cenário 2 - Árvores Solares

A figura (25) mostra o projeto de instalação de duas Árvores Solares, exatamente iguais à figura (14) e com a mesma quantidade de módulos da figura (24), ou seja, 33 módulos em cada árvore.

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4.1. Caracterização do Local da Instalação 55

Figura 25 – Instalação dos Pequizeiros Solares no Jardim do Campus UnB Gama. Fonte: Autoria própria.

Cada área cercada da Árvore Solar tem cerca de 31 𝑚2, segundo o projeto, isto

é, para as duas árvores são 62 𝑚2 no total. Isso significa cerca de 17% da área ocupada

pelos painéis do Cenário 1. Os módulos são apontados para o norte, nordeste e noroeste e suas angulações podem variar devido a estética do projeto. Desta forma, a energia gerada pelos módulos deve ser menor do que a calculada anteriormente.

De acordo com os padrões estabelecidos pelo projeto e pelo espaçamento recomen-dado entre os pequizeiros pela Embrapa1, de 8 a 10 metros, seria possível a instalação de

4 a 5 árvores solares para ocupar o mesmo espaço do Cenário 1 (figura 24).

A Árvore Solar, além de ser um elemento para a geração de energia elétrica limpa, embarca conceitos de sustentabilidade e preservação da natureza uma vez que imita uma árvore real e, do ponto de vista arquitetônico e paisagístico, é mais viável a sua instalação em vista das instalações de modo convencional. Todavia, efeitos de sombreamento serão maiores neste caso, pois, como a área útil é menor, o espaçamento entre as placas também será menor.

No contexto socioeducativo, a Árvore Solar pode despertar a curiosidade e o in-teresse de pessoas não tão familiares a conhecer mais sobre a geração de energia solar fotovoltaica gerando, desta forma, um aumento no nível de conhecimento técnico da re-gião.

1 Fonte: http://www.agencia.cnptia.embrapa.br/gestor/agroenergia/arvore/CONT000fbl23vmz02wx5eo0sawqe3egcicvo.html.

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