ANDRÉ DA SILVA GOMES
INSTALAÇÃO E INTEGRAÇÃO DE SISTEMA DE MICROGERAÇÃO COM FONTES RENOVÁVEIS
PARA REDES ELÉTRICAS INTELIGENTES
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO PROFISSIONAL EM DESENVOLVIMENTO DE TECNOLOGIA
CURITIBA 2014
ANDRÉ DA SILVA GOMES
INSTALAÇÃO E INTEGRAÇÃO DE SISTEMA DE MICROGERAÇÃO COM FONTES RENOVÁVEIS
PARA REDES ELÉTRICAS INTELIGENTES
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-graduação em Desenvolvimento de Tecnologia, Área de Concentração Sistemas Energéticos Convencionais e Alternativos, do Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento, em parceria com o Instituto de Engenharia do Paraná, como parte das exigências para a obtenção do título de Mestre em Desenvolvimento de Tecnologia. Orientador: Prof. Dr. Rodrigo Jardim Riella Coorientador: Prof. Dr. Alexandre R. Aoki
CURITIBA 2014
À minha avó Cecília e ao meu avô Domingos (in memoriam). Aos meus pais Irene e João, com muito carinho.
À Graziele, minha amada esposa. Aos amigos.
AGRADECIMENTOS
Outrora sinalizei a incompletude do ato de agradecer: situação em que dificilmente é possível fazê-lo para todos que merecem. No entanto, sempre me arrisco a tentar. Neste sentido, certamente agradeço primeiramente à família pela compreensão das horas dispendidas para a conclusão deste mestrado.
Agradeço sinceramente, ao Sr. Celso Fabrício de Melo Junior e ao Sr. Raul Munhoz Neto, pois os considero parte de um momento especial em minha vida e que deu origem ao início desta jornada.
Registro também minha gratidão ao orientador, ao coorientador, aos componentes da Banca e a todos os professores do Programa de Pós-graduação em Desenvolvimento de Tecnologia dos Institutos Lactec, pela paciência e pelo suporte de conhecimento que contribuiu para o alicerce desta pesquisa.
Meus agradecimentos ao Instituto de Engenharia do Paraná (IEP) e ao Conselho Regional de Engenharia e Agronomia do Paraná (CREA-PR), pois são Instituições que faço parte e sinto-me muito honrado e inspirado.
Agradeço em especial ao Instituto de Tecnologia do Paraná (Tecpar) por acreditar e confiar no meu profissionalismo e, portanto, permitir que eu faça parte da equipe da Plataforma de Tecnologias do Projeto Smart Energy Paraná. Contudo, agradeço também a convivência com todos os integrantes do Tecpar, principalmente com a Diretoria Técnica e com o Centro de Energias. Também o faço aos Institutos Lactec que cederam equipamentos e contribuíram com conhecimentos adicionais para o desenvolvimento desta pesquisa e ao Instituto Tecnológico Simepar que gentilmente forneceu dados para esta pesquisa.
Como sinalizei no início dos agradecimentos, certamente não consigo abranger completamente aos que eu deveria fazê-lo, portanto de maneira ampla, mas não menos importante, reforço meus agradecimentos para alguns, em nome de todos, aos que fizeram parte desta empreitada e de alguma forma contribuíram para o sucesso desta dissertação. Obrigado!
Não falo aqui senão do interesse das nações; respeitando, como devo, a teologia, só considero neste escrito o bem físico e moral da sociedade. Rogo a todo leitor imparcial para que pese essas verdades, as retifique e as difunda. Leitores atentos, que comunicam entre si suas ideias, sempre vão mais longe que o autor.
RESUMO
Este trabalho apresenta estudo acerca da instalação e integração de um sistema de microgeração preparado para redes elétricas inteligentes nas condições climáticas específicas de Curitiba-PR. São abordadas as etapas para implantar um sistema deste porte, tais como: a elaboração do projeto elétrico e a respectiva execução, a preparação do ambiente, a coleta de dados, análise das variáveis meteorológicas e simulação energética. Esta dissertação contém comparações acerca da microgeração com fonte renovável solar, utilizando medições de energia injetada na rede e simulações computacionais com o software PVsyst. Foram instaladas três tipos de tecnologias de módulos fotovoltaicos diferentes: de silício monocristalino (tipo-m), de silício policristalino (tipo-p) e de filme fino, mais especificamente de silício amorfo (Si-a). Assim, a análise realizada nesta dissertação abrange as tecnologias mais encontradas atualmente no mercado, permitindo observar o comportamento destas tecnologias nas condições climáticas locais e verificando as interações entre a energia gerada e as variáveis climáticas, como por exemplo, a radiação solar e a temperatura ambiente. Desta forma, o desenvolvimento desta pesquisa pauta-se também na verificação da quantidade de energia gerada por processo fotovoltaico com os níveis de radiação solar existentes na cidade de Curitiba e em qualificar e quantificar a influência positiva, em relação à energia injetada na rede, das baixas temperaturas da cidade neste tipo de conversão energética. Foram instalados um aerogerador de pequeno porte e uma estação solarimétrica, anemométrica e meteorológica que integrada a Rede SONDA do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), no escopo do projeto elétrico e respectiva execução deste. Portanto, o sistema instalado permite uma visão comparativa dos conceitos aplicados nas características climáticas de Curitiba e, por extensão, no Estado do Paraná, possibilitando espaços adequados para ampliar o contexto da Geração Distribuída e aumentar o volume de pesquisas relacionadas com o tema, principalmente pelo fato do sistema implantado possuir base legal no Decreto Estadual 8.842/2013 e ser instalado no Instituto de Tecnologia do Paraná (Tecpar).
Palavras-chave: Microgeração. Fontes renováveis. Redes elétricas inteligentes. Aerogerador de pequeno porte. Energia solar. Energia eólica. Estação solarimétrica. Projeto elétrico.
ABSTRACT
This paper presents the study concerning the installation and integration of a smart grid capable microgeneration system specifically designed for climatic conditions specific to Curitiba-PR. The following are the steps to implement a system of this size, such as: summary of electronic design and execution, preparation of the environment, data collection, analysis of meteorological variables and energy simulation. This thesis contains comparisons of microgeneration with renewable solar power, using energy measurements into the grid and computational simulations with PVsyst software. Three types of photovoltaic modules of different technologies were installed: silicon monocrystalline (m-type), polycrystalline silicon (p-type) and thin film, more specifically Amorphous silicon (a-Si). Thus, the analysis in this paper covers the most up-to-date technologies found in the market, allowing the observation of the behavior of these technologies in local climatic conditions and validating the interactions between energy generated and climatic variables, such as solar radiation and ambient temperature. In this way the development of this research topic is also directed towards the verification of the amount of energy generated by the photovoltaic process with existing levels of solar radiation in the city of Curitiba and, additionally, qualify and quantify the positive influence of energy injected into the network with respect to the low temperatures of town with this type of energy conversion. A small wind turbine along with a solar monitoring station, anemometer, and weather station that integrates with the SONDA Network of the National Institute for Space Research (INPE) was installed to monitor the scope electric design and its execution. Therefore, the installed system allows a comparative overview of the concepts applied in the climatic conditions of Curitiba and, by way of extension, the State of Paraná, enabling the possibly of additional workspace for Distributed Generation and increases the volume research related to the theme, mainly due to fact that the implanted system has legal basis in the State Decree 8842/2013 to be installed at the Paraná Institute of Technology (Tecpar).
Keywords: Micro-generation. Renewable sources. Smart grids. Micro wind turbine. Solar energy. Wind energy. Solarimetric station. Electrical design.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Instalação típica de um sistema fotovoltaico ... 26
Figura 2 – Distribuição do consumo total de energia final mundial em 2010 ... 28
Figura 3 – Crescimento do consumo mundial por fonte renovável (1990-2010) ... 29
Figura 4 – Energia renovável consumida em exajoules (1990-2010) ... 30
Figura 5 – Curvas da energia eólica e dos módulos fotovoltaicos ... 31
Figura 6 – Investimento global em energia renovável por país (2004-2011) ... 31
Figura 7 – Projeção da capacidade instalada (MW) ... 32
Figura 8 – Investimento em energia sustentável (2004-2009)... 32
Figura 9 – Potência instalada de células fotovoltaicas no mundo (MW) ... 35
Figura 10 – Preço dos painéis solares no Japão (em US$/W) ... 36
Figura 11 – Diagrama da interação entre radiação solar e atmosfera terrestre ... 37
Figura 12 – Mapas da média anual de temperatura e visibilidade ... 37
Figura 13 – Mapas média anual albedo de superfície e umidade relativa do ar... 38
Figura 14 – Mapas média anual da radiação solar horizontal e plano inclinado ... 39
Figura 15 – Mapas média anual da radiação solar PAR e difusa ... 39
Figura 16 – Células fotovoltaicas multijunção e plástica de fosfeto de zinco ... 42
Figura 17 – Curvas de Tensão x Corrente ... 42
Figura 18 – Características elétricas de módulo fotovoltaico ... 43
Figura 19 – Tipos de ligações elétricas de módulos fotovoltaicos ... 44
Figura 20 – Conectores, ferramentas e acessórios ... 45
Figura 21 – Sistema fotovoltaico conectado a rede de energia elétrica ... 45
Figura 22 – Sistema fotovoltaico com múltiplos inversores ... 46
Figura 23 – Sistema de monitoramento do sistema por meio do inversor ... 47
Figura 24 – Diagrama em blocos do inversor Sunway ... 47
Figura 25 – Instalação do sistema conectado à rede simulado ... 51
Figura 27 – Dados de radiação solar em Curitiba-PR ... 52
Figura 28 – Potencial eólico brasileiro ... 53
Figura 29 – Circulação atmosférica e influências ... 54
Figura 30 – Potencial eólico de Curitiba (50, 75 e 100 metros) ... 55
Figura 31 – Composição de um aerogerador de pequeno porte ... 56
Figura 32 – Campo de velocidades em microrregião ... 57
Figura 33 – Diagrama unifilar para conexão de AGPP na rede de distribuição ... 57
Figura 34 – Sistema eólico de pequeno porte conectado à rede elétrica ... 58
Figura 35 – Esquema de conexão da microgeração na rede da Distribuidora ... 59
Figura 36 – Instalação do Dispositivo de Seccionamento Visível ... 60
Figura 37 – Turbina Eólica EL-1000GT VAWT Grid-Tie ... 61
Figura 38 – Piranômetro MS-802 ... 64
Figura 39 – Pirgeômetro MS-202 ... 64
Figura 40 – Pireliômetro MS-56 e rastreador solar STR-22G ... 65
Figura 41 – Sensor temperatura e umidade relativa do ar e abrigo ... 66
Figura 42 – Sensor de pressão atmosférica PTB330 ... 66
Figura 43 – Sensores de direção e velocidade do vento ... 67
Figura 44 – Coletor de dados ou datalogger ... 68
Figura 45 – Estações integradas à rede SONDA ... 69
Figura 46 – Etapas da metodologia ... 70
Figura 47 – Área de instalação dos equipamentos ... 71
Figura 48 – Representação das tecnologias ... 72
Figura 49 – Ramal de Ligação ... 73
Figura 50 – Subestação (Ramal de Entrada) ... 74
Figura 51 – Entrada de energia da LOCALIDADE A ... 75
Figura 52 – Sistema de microgeração solar e eólica ... 76
Figura 53 – Módulos fotovoltaicos instalados no Tecpar ... 78
Figura 54 – Micro turbina eólica Windbooster 1.0 ... 79
Figura 56 – Base de concreto armado da torre anemométrica ... 81
Figura 57 – Rastreador solar Solys 2 ... 81
Figura 58 – Estrutura metálica para rastreador solar ... 82
Figura 59 – Analisador de qualidade de potência e energia Fluke 435-II ... 88
Figura 60 – Testes medições (tipo-m: tensão, corrente e frequência) ... 89
Figura 61 – Testes medições (tipo-m: potência) ... 90
Figura 62 – Dados dia 1 inversor para tipo-m (potência em watts) ... 91
Figura 63 – Dados dia 2 inversor para tipo-m (potência em watts) ... 91
Figura 64 – Estações meteorológicas do SIMEPAR no Paraná ... 92
Figura 65 – Dados do SIMEPAR de radiação solar (módulo tipo-m) ... 93
Figura 66 – Dados do SIMEPAR de temperatura do ar (módulo tipo-m) ... 93
Figura 67 – Dados do SIMEPAR de umidade relativa do ar (módulo tipo-m) ... 94
Figura 68 – Dados do SIMEPAR de velocidade do vento (módulo tipo-m) ... 94
Figura 69 – Dados do SIMEPAR de direção do vento (módulo tipo-m) ... 95
Figura 70 – Dados do SIMEPAR de pressão atmosférica (módulo tipo-m) ... 95
Figura 71 – Dados do SIMEPAR de radiação solar (módulo tipo-p) ... 96
Figura 72 – Dados do SIMEPAR de temperatura do ar (módulo tipo-p) ... 96
Figura 73 – Dados do SIMEPAR de umidade relativa do ar (módulo tipo-p) ... 97
Figura 74 – Dados do SIMEPAR de velocidade do vento (módulo tipo-p) ... 97
Figura 75 – Dados do SIMEPAR de direção do vento (módulo tipo-p) ... 98
Figura 76 – Dados do SIMEPAR de pressão atmosférica (módulo tipo-p) ... 98
Figura 77 – Dados do SIMEPAR de radiação solar (módulo tipo Si-a) ... 99
Figura 78 – Dados do SIMEPAR de temperatura do ar (módulo tipo Si-a) ... 99
Figura 79 – Dados do SIMEPAR de umidade relativa do ar (módulo tipo Si-a) ... 100
Figura 80 – Dados do SIMEPAR de velocidade do vento (módulo Si-a) ... 100
Figura 81 – Dados do SIMEPAR de direção do vento (módulo tipo Si-a) ... 101
Figura 82 – Dados do SIMEPAR de pressão atmosférica (módulo tipo Si-a) ... 101
Figura 83 – Temperatura compensada média mensal de Curitiba ... 104
Figura 85 – Velocidade do vento média mensal de Curitiba ... 105
Figura 86 – Irradiação solar média de Curitiba orientada ... 106
Figura 87 – Modo de ligação do Fluke 435-II ... 107
Figura 88 – Tensão máxima e mínima (tipo-m) ... 108
Figura 89 – Tensão máxima e mínima (tipo-p) ... 109
Figura 90 – Tensão máxima e mínima (tipo Si-a) ... 110
Figura 91 – Frequência máxima e mínima (tipo-m) ... 112
Figura 92 – Frequência máxima e mínima (tipo-p) ... 113
Figura 93 – Frequência máxima e mínima (tipo Si-a) ... 114
Figura 94 – Corrente máxima e mínima (tipo-m) ... 116
Figura 95 – Simulação: radiação global (tipo-m) ... 117
Figura 96 – Comparação: radiação global (tipo-m) ... 118
Figura 97 – Simulação: energia total injetada na rede (tipo-m) ... 118
Figura 98 – Energia ativa, reativa e aparente (tipo-m) ... 119
Figura 99 – Simulação: tensões e correntes (tipo-m) ... 120
Figura 100 –Tensão DC no inversor (tipo-m) ... 120
Figura 101 – Potência ativa máxima e mínima (tipo-m) ... 122
Figura 102 – Potência reativa máxima e mínima (tipo-m) ... 123
Figura 103 – Potência aparente máxima e mínima (tipo-m) ... 124
Figura 104 – Corrente máxima e mínima (tipo-p) ... 126
Figura 105 – Simulação: radiação global (tipo-p) ... 127
Figura 106 – Comparação: radiação global (tipo-p) ... 128
Figura 107 – Simulação: energia total injetada na rede (tipo-p) ... 128
Figura 108 – Energia ativa, reativa e aparente (tipo-p) ... 129
Figura 109 – Simulação: tensões e correntes (tipo-p) ... 130
Figura 110 – Potência Ativa máxima e mínima (tipo-p) ... 131
Figura 111 – Potência Reativa máxima e mínima (tipo-p) ... 132
Figura 112 – Potência Aparente máxima e mínima (tipo-p) ... 133
Figura 114 – Corrente máxima e mínima (tipo Si-a) ... 135
Figura 115 – Comparação: radiação global (Si-a) ... 136
Figura 116 – Simulação: energia total injetada na rede (tipo Si-a) ... 136
Figura 117 – Energia ativa, reativa e aparente (tipo Si-a) ... 137
Figura 118 – Simulação: tensões e correntes (tipo Si-a) ... 138
Figura 119 – Potência Ativa máxima e mínima (tipo Si-a) ... 139
Figura 120 – Potência Reativa máxima e mínima (tipo Si-a)... 140
Figura 121 – Potência Aparente máxima e mínima (tipo Si-a) ... 141
Figura 122 – Fator de potência máximo e mínimo (tipo-m) ... 142
Figura 123 – Fator de potência máximo e mínimo (tipo-p) ... 143
Figura 124 – Fator de potência máximo e mínimo (tipo Si-a) ... 144
Figura 125 – Energia ativa, reativa e aparente agrupada 15 min (tipo-m) ... 146
Figura 126 – Energia ativa, reativa e aparente agrupada 15 min (tipo-p) ... 147
Figura 127 – Energia ativa, reativa e aparente agrupada 15 min (tipo Si-a) ... 148
Figura 128 – Pst e Plt (tipo-m, tipo-p e Si-a) ... 152
Figura 129 – THD de tensão e corrente (tipo-m) ... 153
Figura 130 – THD de tensão e corrente (tipo-p) ... 154
Figura 131 – THD de tensão e corrente (tipo Si-a) ... 155
Figura 132 – Simulação: diagrama de perdas (tipo-m, tipo-p e Si-a) ... 156
Figura 133 – Simulação: produção normalizada (tipo-m) ... 157
Figura 134 – Simulação: produção normalizada (tipo-p) ... 158
Figura 135 – Simulação: produção normalizada (tipo Si-a) ... 159
Figura 136 – Simulação: temperatura ambiente (tipo-m) ... 160
Figura 137 – Simulação: temperatura ambiente (tipo-p) ... 160
Figura 138 – Simulação: temperatura ambiente (tipo Si-a) ... 161
Figura 139 – Comparação: radiação global medida ... 162
Figura 140 – Comparação: radiação global simulada ... 162
Figura 141 – Comparação: temperatura ambiente medida ... 163
Figura 143 – Simulação para conjunto monocristalino ... 165
Figura 144 – Simulação para conjunto policristalino ... 166
Figura 145 – Simulação para conjunto filme fino (Si-a) ... 166
Figura 146 – Simulação de energia injetada em cada tecnologia ... 167
Figura 147 – Simulação de energia injetada acumulada ... 167
Figura 148 – Simulação de energia anual injetada total em cada tecnologia ... 168
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Comparação de máxima eficiência fotovoltaica ... 41
Tabela 2 – Comparativo de softwares para simulação energética fotovoltaica ... 50
Tabela 3 – Datas e horários das medições com Fluke 435-II... 92
Tabela 4 – Variações percentuais de tensão ... 111
Tabela 5 – Variações percentuais de frequência ... 115
Tabela 6 – Condições de THD para tensão e corrente ... 149
Tabela 7 – Comparativo da Energia Injetada na Rede ... 164
Tabela 8 – Energia Injetada na Rede de Energia (tipo-m) ... 170
Tabela 9 – Energia Injetada na Rede de Energia (tipo-p) ... 171
Tabela 10 – Energia Injetada na Rede de Energia (Si-a) ... 171
LISTA DE SIGLAS
AGPP - Aerogeradores de Pequeno Porte
AM - Massa de Ar
ANEEL - Agência Nacional Energia Elétrica
BEL - Barramentos de Equipotencialização Locais BEP - Barramento de Equipotencialização Principal BSRN - Baseline Solar Radiation Network
BT - Baixa Tensão
CGEE - Centro de Gestão e Estudos Estratégicos
CPTEC - Centro de Previsão do Tempo e Estudos Climáticos
CRESESB - Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio Brito
DL - Disjuntor da Carga
DPS - Dispositivo de Proteção contra Surtos DSV - Dispositivo de Seccionamento Visível
EASM - Estação Anemométrica, Solarimétrica e Meteorológica
EE - Eficiência Energética
EPRI - Eletric Power Research Institute
GD - Geração Distribuída
GEF - Fundo Global para o Meio Ambiente
INMET - Instituto Nacional de Meteorologia
INPE - Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais IRENA - International Renewable Energy Agency
MPPT - Maximum Power Point Tracking
MT - Média Tensão
NOCT - Normal Operation Cell Temperature
NTC - Norma Técnica Copel
PCD - Plataforma de Coleta de Dados
PE - Condutores de Proteção
PEAD - Polietileno de Alta Densidade PEBD - Polietileno de Baixa Densidade
PF - Fator de Potência
Plt - Severidade de Longa Duração
PNUMA - Programa das Nações Unidas para o Meio Ambiente PRODIST - Procedimentos de Distribuição
PSE Paraná - Projeto Smart Energy Paraná
Pst - Severidade de Curta Duração
QEE - Qualidade de Energia Elétrica
REI - Redes Elétricas Inteligentes
ROL - Radiação de Onda Longa
SEP - Sistema Elétrico de Potência
SETI - Secretaria de Estado da Ciência, Tecnologia e Ensino Superior SFCR - Sistemas Fotovoltaicos Conectados a Rede
SIMEPAR - Sistema Meteorológico do Paraná
SONDA - Sistema de Organização Nacional de Dados Ambientais
STC - Standard Test Conditions
SWERA - Solar and Wind Energy Resource Assessment Tecpar - Instituto de Tecnologia do Paraná
THD - Total Harmonic Distortion
VAWT - Vertical Axis Wind Turbine
WMO - World Meteorological Organization WRMC - World Radiation Monitoring Center
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO... 18 1.1 CONTEXTO ... 20 1.2 JUSTIFICATIVAS ... 21 1.3 OBJETIVOS ... 24 1.3.1 Objetivo Geral ... 24 1.3.2 Objetivos Específicos ... 24 1.4 ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO ... 25 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ... 26 2.1 PROBLEMA E PREMISSAS ... 262.2 FONTES RENOVÁVEIS DE ENERGIA ... 28
2.3 ENERGIA SOLAR ... 34
2.3.1 GRANDEZAS FÍSICAS E AQUISIÇÃO DE DADOS ... 36
2.3.2 Módulos Fotovoltaicos ... 40
2.3.3 Inversor ... 45
2.3.4 Simulação Energética ... 49
2.4 ENERGIA EÓLICA ... 52
2.5 ESTAÇÃO ANEMOMÉTRICA E SOLARÍMETRICA ... 62
3 METODOLOGIA ... 70
3.1 PROJETO ELÉTRICO ... 70
3.2 EXECUÇÃO DO PROJETO ELÉTRICO ... 72
3.2.1 Suprimento de Energia ... 73
3.2.2 Inversores ... 76
3.2.3 Módulos Fotovoltaicos ... 77
3.2.4 Aerogerador de Pequeno Porte ... 79
3.2.5 Estação Solarimétrica, Anemométrica e Meteorológica ... 80
3.2.6 Quadros Elétricos ... 82
3.2.7 Distribuição dos Circuitos ... 83
3.2.8 Sistema de Aterramento ... 83
3.2.9 Especificação de Materiais ... 84
3.2.10 Caixas de Passagem ... 84
3.2.11 Eletrodutos ... 84
3.2.12 Curvas, Luvas e Abraçadeiras ... 85
3.2.13 Conduletes ... 85
3.2.14 Quadro de Distribuição Existente (BT) ... 85
3.2.15 Quadros Elétricos (BT) ... 86
3.3 COLETA DE DADOS ... 86
3.4 Análise e Tratamento dos Dados... 92
3.5 SIMULAÇÃO ENERGÉTICA ... 102
4 ANÁLISE DOS RESULTADOS ... 107
5 CONCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS ... 174
5.1 TRABALHOS FUTUROS ... 178
REFERÊNCIAS ... 180
APÊNDICE ... 185
1 INTRODUÇÃO
O Sistema Elétrico de Potência (SEP) está na iminência de transformações próprias de uma revolução tecnológica, sendo que uma crescente e promissora mudança nos princípios tecnológicos que aflora em muitos países são as smart grids ou Redes Elétricas Inteligentes (REI), as quais são descritas pelo Centro de Gestão e Estudos Estratégicos (2012, p. 7) como "a rede elétrica que utiliza tecnologia digital avançada para monitorar e gerenciar o transporte de eletricidade em tempo real com fluxo de energia e de informações bidirecionais entre o sistema de fornecimento de energia e o cliente final." Neste contexto, destaca-se a Geração Distribuída (GD) como um dos fatores para a implantação e o sucesso destas redes, pois segundo European Commission (2006, p. 18) a “[...] integração eficiente da GD é pouco provável ocorrer sem mudanças na estrutura da rede de transmissão e distribuição, planejamento e procedimentos operacionais”.
Estabelecendo a relação existente entre REI e GD, a Associação Brasileira de Distribuidores de Energia Elétrica (2011, citado por Centro de Gestão e Estudos Estratégicos, 2012, p. 94)1, descreve que o "[...] conceito de REI está associado principalmente aos aspectos de distribuição de energia elétrica. O impacto nos níveis mais altos do sistema elétrico ocorre de forma indireta, por meio do aplainamento da curva de carga e das consequências do surgimento de uma quantidade significativa de geração distribuída. [...] Complementando a geração centralizada, a REI irá promover um crescimento da chamada Geração Distribuída." Portanto, este trabalho não possui foco central nas REI, mas conduz a preparação para estas redes por meio da implantação de GD, sendo também a GD, no escopo deste trabalho, apenas representada pela parcela relacionada à Microgeração Distribuída, cuja definição está inserida no item 1.2.
1 ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE DISTRIBUIDORES DE ENERGIA ELÉTRICA. Relatório Smart
A geração de energia elétrica utilizando como base energética os ventos e o Sol na microgeração, segundo o Centro de Gestão e Estudos Estratégicos (CGEE), também poderá contribuir "[...] com o sistema elétrico para os aumentos de carga de forma otimizada, reduzindo-se os picos de demanda, [...] criando serviços antes inexistentes e impulsionando a eficiência energética" (Centro de Gestão e Estudos Estratégicos, 2012, p. 31). Este fato ocorre, pois cada unidade consumidora é uma potencial célula de geração, minimizando vultosos investimentos em geração de energia por parte das concessionárias e com a possibilidade de tornar a curva de demanda diária menos assimétrica. Estes sistemas podem ser conectados à rede de distribuição de energia elétrica ou funcionar de forma autônoma, ou seja, completamente independentes da rede elétrica existente.
Segundo Markvart e Castañer (2003, p. 636), a ligação à rede elétrica de sistemas fotovoltaicos está aumentando rapidamente e com vasto potencial para ambientes residenciais e industriais. Um sistema fotovoltaico conectado à rede fornece para o consumidor residencial ou industrial os meios para a própria produção de energia elétrica, bem como contribui para o desenvolvimento sustentável. O diferencial para sistemas ligados na rede é que estes funcionam em paralelo com a rede de distribuição já estabelecida.
Segundo Pinto (2013, p. 110), “algumas microturbinas eólicas estão sendo produzidas para realizar várias tarefas simultaneamente, quais sejam, carregar baterias de veículos elétricos, fornecer energia para iluminação e gerar potência elétrica (de acordo com as especificações da concessionária de energia). Outras são até capazes de fornecer energia para casas situadas em locais remotos, onde não há fornecimento de eletricidade por uma concessionária”.
Para identificar e analisar as condições meteorológicas que afetam os sistemas de microgeração distribuída é fundamental realizar o monitoramento de várias grandezas, tais como exemplo: a radiação solar, a temperatura, as medidas anemométricas, a umidade relativa do ar e a pressão atmosférica. Conforme indicado por Varela e Pereira (2006, p. 5), as estações desta natureza:
coletar informações importantes a respeito da energia eólica e solar. Com unidades instaladas em vários pontos distintos é possível mapear o comportamento dos dados solarimétricos e eólicos de uma região e sua precisão está diretamente associada à quantidade de estações e a qualidade dos dados coletados. Para isso são utilizados sensores específicos, que quando expostos, são capazes de medir, instantaneamente, valores da radiação solar, intensidade e direção do vento, umidade relativa do ar, da região onde se encontra. Um sistema de armazenamento de dados (Data Logger) é utilizado para registrar em memória os dados obtidos a cada instante pelos sensores, podendo ser analisado ao longo do tempo, sendo feita, assim, médias diárias, semanais, mensais, sazonais e anuais." (VARELA; PEREIRA, 2006, p. 5)
Portanto, uma Estação Anemométrica, Solarimétrica e Meteorológica (EASM) foi instalada no Instituto de Tecnologia do Paraná (Tecpar), permitindo avaliar o potencial energético dos sistemas de microgeração por fontes renováveis, especificamente eólica e solar nas condições climáticas reais locais, desconsiderando suposições ou extrapolações imprecisas, tornando o processo metodológico factível e com base científica relevante. Como um dos pilares das REI é a GD, a instalação destes sistemas na cidade de Curitiba e o monitoramento dos parâmetros ambientais para aproveitamento energético contribuem diretamente para o desenvolvimento destas redes no Estado do Paraná.
1.1 CONTEXTO
Os principais fatores que contextualizam e norteiam o desenvolvimento desta dissertação são: o pioneirismo do Decreto Estadual 8.842/2013 e o fato de qualificar e quantificar a microgeração solar nas condições climáticas da cidade de Curitiba e, por extensão, do Paraná.
Primeiramente, o Decreto define nos Art. 1o e 2o que, "[...] visando consolidar a competência do Estado do Paraná em geração distribuída (GD), por fontes de energias renováveis conectada a redes inteligentes [...]" (PARANÁ, 2013, p.1), o Tecpar deve cumprir o objetivo de "implementar plataforma de certificação e exposição de tecnologias [...]". Portanto, ao realizar esta implantação, inicialmente, é possível analisar quali-quantitativamente a microgeração solar em Curitiba, cidade em que se observa comumente um céu nublado. Tal fato, pode remeter a
perspectiva errônea de que a cidade não é adequada para utilização dos sistemas fotovoltaicos. Outro ponto importante que deve ser salientado, é que a plataforma integra energia solar e eólica, além de possuir a primeira EASM do Estado integrada à rede do Sistema de Organização Nacional de Dados Ambientais (SONDA) do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE).
Neste contexto, o trabalho expõe a análise dos módulos fotovoltaicos nas condições climáticas da cidade de Curitiba, sendo os equipamentos instalados no Tecpar, com a implantação e integração de três conjuntos de equipamentos, centrando na GD por fontes de energias renováveis, que é um dos passos para implantação das REI. O fato de futuramente realizar in loco o monitoramento constante dos dados anemométricos, meteorológicos e solarimétricos possibilitará comparar a eficiência dos equipamentos instalados em Curitiba para geração de energia elétrica nas condições climáticas próprias desta localidade do sul do Brasil.
1.2 JUSTIFICATIVAS
"A implementação da REI possibilita uma gama de novos serviços, abrindo a possibilidade de novos mercados. Desta forma, a REI se apresenta como uma das fortes tendências de modernização do sistema elétrico em vários países" (Centro de Gestão e Estudos Estratégicos, 2012, p. 7). Também, a complementação da matriz energética é viável para suprir a demanda e reduzir ou postergar investimentos, além de torná-la sustentável. Entretanto, duas condições são incontestáveis: a questão sócio-ambiental e o custo da falta de eficiência com o gerenciamento nas redes de energia implantadas nos séculos passados. Quanto à primeira questão, as REI são conceitualmente inigualáveis, pois agregam na rede fontes de energias renováveis, de baixa ou nenhuma emissão poluente. Em relação à segunda questão, a ineficiência das redes de energia atuais é alarmante, pois o gerenciamento, o monitoramento, a análise e a ação efetiva são difíceis quando integrados num único processo, o fluxo da energia é apenas unidirecional e o sistema atual não responde com velocidade ideal em condições de falhas. Portanto,
o avanço tecnológico permite que o conceito de smart grids deixe de ser pensamento futuro e torne-se objeto de execução imediata, convergindo para ser solução e revolução no âmbito da cadeia energética.
Segundo descreve Fábio Toledo em seu livro, principalmente as redes elétricas:
“[...] tendem a provocar essa necessária revolução, não apenas técnica e tecnológica, mas também econômica, uma vez que novos modelos e negócios podem ser criados, contribuindo efetivamente para alavancar diversos setores da economia Uma clara evidência para tal tendência foi a iniciativa do presidente dos Estados Unidos, Barack Obama, em 2009, de investir 3,4 bilhões de dólares em redes elétricas inteligentes e impulsionar outras dezenas de bilhões de dólares em investimentos privados. Segundo análise feita na época pelo Eletric Power Research Institute (EPRI), estima-se que a implementação de redes inteligentes nos Estados Unidos reduza em mais de 4% o consumo de energia elétrica no país até 2030, o que poderia implicar economias para os clientes da ordem de 20,4 bilhões de dólares.” (TOLEDO, 2012, p. 3)
Atualmente o Estado do Paraná não possui EASM nos padrões metodológicos do INPE conectada à rede SONDA2. Também não possui um sistema integrado de geração eólica e solar que possibilite a comparação destas duas tecnologias de geração de energia elétrica simultaneamente.
No contexto da real e iminente necessidade da implantação das REI, da microgeração e minigeração distribuídas e da mudança nos aspectos regulatórios, foi instituída a Resolução Normativa 482 de 2012 da Agência Nacional Energia Elétrica (ANEEL) que estabelece as seguintes definições:
Microgeração distribuída: central geradora de energia elétrica, com potência instalada menor ou igual a 100 kW e que utilize fontes com base em energia hidráulica, solar, eólica, biomassa ou cogeração qualificada, conforme regulamentação da ANEEL, conectada na rede de distribuição por meio de instalações de unidades consumidoras; minigeração distribuída: central geradora de energia elétrica, com potência instalada superior a 100 kW e menor ou igual a 1 MW para fontes com base em energia hidráulica, solar, eólica, biomassa ou cogeração qualificada, conforme regulamentação da ANEEL, conectada na rede de distribuição por meio de instalações de unidades consumidoras (ANEEL, 2012, p. 1)
2 A rede SONDA (Sistema de Organização Nacional de Dados Ambientais) de dados nasceu de um projeto do Instituto
Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) para implementação de infraestrutura física e de recursos humanos destinada a levantar e melhorar a base de dados dos recursos de energia solar e eólica no Brasil. (Fonte: http://sonda.ccst.inpe.br/)
O Estado do Paraná foi pioneiro no estabelecimento de legislação aplicada às redes elétricas inteligentes. O Decreto Estadual 8.842 de 2013 institui no artigo primeiro “que o Projeto Smart Energy Paraná (PSE Paraná), vinculado ao Programa Paraná Inovador da Secretaria de Estado da Ciência, Tecnologia e Ensino Superior (SETI), visando consolidar a competência do Estado do Paraná em geração distribuída (GD), por fontes de energias renováveis conectada a redes inteligentes” (PARANÁ, 2013). A instalação no Estado do Paraná de um sistema de monitoramento de parâmetros ambientais focado em aproveitamentos energéticos é de extrema importância nos aspectos tecnológico e econômico, tornando-se assim ponto estratégico para o país, pois segundo Pereira et al. (2006, p. 23), o Atlas Brasileiro de Energia Solar foi desenvolvido "[...] dentro do escopo do 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 projeto [...] tem como foco principal promover o levantamento de uma base de dados confiável e de alta qualidade visando auxiliar no 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." Inúmeros projetos surgem a cada dia focando a utilização de fontes alternativas e renováveis de energia para REI. No entanto, para fontes energéticas específicas, como eólica e fotovoltaica, em que há evidentemente uma acentuada dependência das condições ambientais e climáticas, é necessário a correlação destes parâmetros com os resultados dos sistemas instalados, de forma que a análise seja integrada. Portanto, para contribuir com a modernização do sistema elétrico, permitir a complementação da matriz com sistemas energéticos sustentáveis, realizar pesquisa aplicada às energias solar e eólica simultaneamente, ampliar a microgeração no Estado e estabelecer a primeira base de dados meteorológicos paranaense integrada à rede SONDA do INPE.
1.3 OBJETIVOS
1.3.1 Objetivo Geral
Implantar uma plataforma tecnológica para demonstrar e avaliar as principais tecnologias de GD por fontes renováveis sob as condições climáticas específicas da cidade de Curitiba. Esta plataforma possui três conjuntos de equipamentos: um gerador eólico de pequeno porte de eixo vertical, três sistemas fotovoltaicos de tecnologias diferentes conectados à rede de energia elétrica e uma EASM.
Infere-se que a proposta desta dissertação compreende em realizar a instalação de uma EASM, a instalação de um aerogerador de eixo vertical operando em micro rede (micro grid) e a instalação de três sistemas de painéis fotovoltaicos com tecnologias construtivas distintas, no entanto será objeto de análise desta dissertação somente a microgeração fotovoltaica.
A seguir são descritos os objetivos específicos que possibilitaram a transformação das expectativas do trabalho em uma base tecnológica implantada.
1.3.2 Objetivos Específicos
O desenvolvimento deste trabalho será realizado conforme descrito a seguir:
a. Implantar a plataforma tecnológica de GD (microgeração) para análise sob as condições climáticas da cidade de Curitiba;
b. Implantar uma EASM nos padrões estabelecidos pelo INPE para realizar o monitoramento dos parâmetros ambientais locais;
c. Implementar a infraestrutura de controle, monitoramento e análise dos dados das tecnologias dos sistemas de geração fotovoltaica da plataforma;
Devido ao tempo necessário para realizar o comissionamento de toda a plataforma tecnológica, não haverá dados do aerogerador e da EASM disponíveis nesta dissertação.
1.4 ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO
O Capítulo 2 fundamenta as bases desta dissertação apresentando os conceitos de microgeração solar e eólica e apresenta o cenário nacional e internacional técnico e financeiro acerca das necessidades em projetos e instalações deste formato, tais como equipamentos, materiais e ferramentas computacionais para simulação energética. O referido capítulo estabelece também a importância de estabelecer medições das variáveis meteorológicas que interferem no funcionamento de sistemas que utilizam estas fontes de energias renováveis em microgeração.
No Capítulo 3 são abordadas as metodologias do trabalho, mais especificamente os materiais e métodos utilizados nesta pesquisa. Neste capítulo, discorre-se sobre o projeto elétrico e sua respectiva execução, bem como é realizado um estudo para cumprir as etapas relacionadas com os resultados observados. Portanto, neste estudo procede-se à coleta e análise de dados, bem como se realiza a simulação energética para comparação imediata.
Entretanto, o Capítulo 4 fornece a análise dos resultados obtidos para a geração fotovoltaica em período específico nas condições climáticas de Curitiba-PR. Esta análise contempla uma comparação quali-quantitativa acerca das três tecnologias de módulos fotovoltaicos instalados no Tecpar: silício monocristalino, silício policristalino e filme fino de silício amorfo. Portanto, foram realizadas análises com dados reais coletados por um analisador de qualidade de potência e energia comparadas com as perspectivas de informações simuladas em software (PVsyst).
O Capítulo 5, finalmente, apresenta as conclusões da pesquisa realizada, juntamente com as respectivas sugestões para trabalhos futuros.
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1 PROBLEMA E PREMISSAS
A análise apresentada por Markvart e Castañer (2003, p. 636) sobre uma maneira possível de integração do gerador fotovoltaico em uma instalação doméstica está demonstrada na Figura 1.
Figura 1 – Instalação típica de um sistema fotovoltaico Fonte: Adaptado de MARKVART e CASTAÑER (2003, p. 636)
A energia gerada pelo sistema fotovoltaico é utilizada para suprir a demanda do consumidor, sendo qualquer excesso medido e exportado para a rede elétrica. Outros esquemas são possíveis, como por exemplo, o gerador fotovoltaico (após conversão DC / AC3 e medidor de exportação) conectado diretamente ao
barramento da entrada de energia. Toda a energia gerada é assim exportada para a
rede, e a unidade do consumidor é ligada por uma linha separada através do medidor de importação da maneira usualmente conhecida. Este esquema é benéfico para o consumidor se o preço da energia elétrica gerada pelo processo fotovoltaico da concessionária de energia for maior do que a tarifa doméstica normal.
Segundo VILLALVA e GAZOLI (2012, p. 65), o “[...] efeito fotovoltaico é o fenômeno físico que permite a conversão direta da luz em eletricidade. Esse fenômeno ocorre quando a luz, ou a radiação eletromagnética do Sol, incide sobre uma célula composta de materiais semicondutores com propriedades específicas”.
Quanto aos aerogeradores é importante considerar que o fluxo dos ventos em ambiente urbano é caracterizado por fortes efeitos 3D e efeitos na separação das bordas superiores dos edifícios. Vários experimentos e estudos já foram feitos para avaliar o comportamento do vento em torno dos edifícios e acima do dossel urbano. Nessa linha de estudo, quando se considera uma grande área com rugosidade homogênea e terreno plano com uma região de comprimento de rugosidade correspondente ao ambiente urbano, uma grande quantidade de considerações podem ser feitas sobre o comportamento do vento: redução do fluxo de vento (geralmente superior a 20%), aumento da tensão de cisalhamento e desvio abrupto são exemplos do que normalmente ocorre quando o vento passa de uma região com rugosidade homogênea e baixa para outra com alto valor de rugosidade, como exemplo uma área urbana (SIMÕES, COSTA e ESTANQUEIRO, 2009, p. 2).
Após tecnicamente integrados, os sistemas de geração de energia elétrica por fontes renováveis devem possuir uma forma de monitoramento e gerenciamento dos dados. Esta constatação é reforçada numa pesquisa inglesa, na qual os britânicos sinalizam que pagariam por monitoramento de energia, de forma que os “consumidores que desejem monitorar seu consumo de energia em casa estão dispostos a usar um sistema remoto para examinar a quantidade de gás e eletricidade que estão consumindo.” (PORTAL LUMIÈRE, 2010)
2.2 FONTES RENOVÁVEIS DE ENERGIA
O primeiro passo é definir energia renovável, que de acordo com o Estatuto da International Renewable Energy Agency (IRENA) “significa todas as formas de energia produzida a partir de fontes renováveis de forma sustentável, que incluem, entre outros, a bioenergia, a energia geotérmica; hidrelétrica, a energia do oceano – incluindo, entre outras, das marés, das ondas e energia térmica dos oceanos – energia solar e energia eólica” (International Renewable Energy Agency, 2009, p. 4). Existem outras definições que incluem, por exemplo, a energia proveniente do hidrogênio, portanto ainda não há um consenso global sobre a definição de energia renovável, mas são definições similares, incluindo conceitos de reposição natural e defesa da sustentabilidade. É impossível discutir fontes de energia sem perceber o elo existente entre as várias fontes predominantes. Exemplificando, a energia dos ventos está intimamente ligada à térmica, tal como a energia da biomassa depende da conexão natural com a energia solar e assim em muitas outras referências. As fontes renováveis de energia são, portanto, interligadas e de fundamental importância na matriz energética mundial. São estas consideradas inesgotáveis pelos padrões de utilização da humanidade atualmente.
Figura 2 – Distribuição do consumo total de energia final mundial em 2010 Fonte: Adaptado de International Energy Agency (2013, p. 52)
Conforme disseminado no relatório da International Energy Agency (2013, p. 51), o “ponto de partida para distribuição das energias renováveis no consumo total final de energia, no qual o progresso futuro será medido, é estimado em mais de dezoito por cento em 2010, refletindo incertezas sobre a utilização de qual tipo de energia renovável (nomeadamente biomassa tradicional) atenderá aos critérios de sustentabilidade. Sendo que o objetivo mundial é atingir até trinta e seis por cento em 2030”.
A Figura 2 mostra a distribuição do consumo total de energia final mundial em 2010, contudo é importante analisar a taxa percentual de crescimento de cada uma das energias renováveis, sendo possível avaliar o potencial de crescimento de cada uma mundialmente. A Figura 3 indica estes percentuais, na qual é observado que entre os anos 1990 e 2010 as energias renováveis que alcançaram os maiores percentuais de crescimento foram eólica, biogás e solar.
Figura 3 – Crescimento do consumo mundial por fonte renovável (1990-2010) Fonte: Adaptado de International Energy Agency (2013, p. 52)
É importante verificar na Figura 4 que o Brasil foi classificado como a segunda nação no consumo de energia renovável, sendo a primeira dos países em desenvolvimento. Esta estatística exclui o consumo relacionado à biomassa tradicional e considera o período de vinte anos (de 1990 até 2010).
Figura 4 – Energia renovável consumida em exajoules (1990-2010) Fonte: Adaptado de International Energy Agency (2013, p. 60)
Outro ponto essencial envolvendo as tecnologias aplicadas às energias renováveis é o considerável aumento da capacidade instalada e a drástica redução do preço médio de venda dos equipamentos associados às principais fontes de energia renovável no mundo. Conforme gráfico apresentado na Figura 5 e informações contidas no relatório da International Energy Agency (2013, p. 213) descreve-se a seguinte realidade:
“Na vanguarda do desenvolvimento tecnológico, tem ocorrido progresso contínuo na busca da eficiência, sendo que a experiência acumulada é transformada em soluções cada vez mais rentáveis. Por exemplo, o custo de investimento de energia eólica baixou de US$2.500,00/quilowatt (kW), em meados da década de 1980, para algo entre US$630,00 e US$1.270,00/kW em 2012, enquanto o custo de sistemas fotovoltaicos baixou de cerca de US$7.000,00/kW para algo entre US$750 e US$1.100,00/kW no mesmo período [...] Cerca de 30 GW de energia solar fotovoltaica foi instalada globalmente a cada ano entre 2010 e 2012, modificando o total da capacidade instalada desta energia de 40 GW para mais de 100 GW [...] Além disso, a capacidade total global de energia eólica atingiu mais de 282 GW em 2012, representando um aumento de quase 20 por cento a partir de 2011 [...] A expansão do mercado tecnologias renováveis em muitas regiões do mundo também possibilitou redução de custos consideravelmente. Por exemplo, o custo dos módulos solares fotovoltaicos reduziram 42 por cento em 2011, enquanto que o custo de turbinas eólicas onshore decresceu 10 por cento.” (INTERNATIONAL ENERGY AGENCY, 2013, p. 213)
Figura 5 – Curvas da energia eólica e dos módulos fotovoltaicos Fonte: Adaptado de International Energy Agency (2013, p. 213)
Observa-se na Figura 6 que o Brasil vem ao longo dos anos investindo razoavelmente de forma equilibrada e estável em energias renováveis. É fato, também, que o mundo gradativamente aumentou os investimentos neste tipo de energia, alcançando 277 bilhões de dólares no ano de 2011, ou seja, em sete anos ocorreu aumento de 7,1 vezes o valor que foi investido no ano de 2004.
Figura 6 – Investimento global em energia renovável por país (2004-2011) Fonte: Adaptado de International Energy Agency (2013, p. 215)
A estimativa da ANEEL indicada no gráfico contido no Atlas de Energia Elétrica do Brasil (3ª edição) projeta uma expansão da capacidade instalada de produção de energia elétrica, conforme relacionado na Figura 7. Esta expansão projeta que a energia solar (geração fotovoltaica) atingirá um valor próximo a 250 GW e a energia eólica em terra (on shore) ultrapassará o valor de 300 GW.
Figura 7 – Projeção da capacidade instalada (MW) Fonte: Agência Nacional de Energia Elétrica (2008a, p. 88)
A Figura 8 demonstra o montante de investimento mundial em energia sustentável apresentado no relatório do PNUMA no ano de 2011. Os números informados pela IEA e pelo PNUMA são muito similares, confirmando e validando o propósito dos dados estabelecidos. Importante também salientar que a queda nos investimentos no ano de 2009 foi o reflexo da grave crise econômica mundial iniciada no ano de 2008, abalando a ascendência dos investimentos realizados nesta área.
Figura 8 – Investimento em energia sustentável (2004-2009) Fonte: Programa das Nações Unidas para o Meio Ambiente (2011, p. 15)
Além de compreender as fontes de energia renovável, deve-se principalmente analisar o fator motivador para aceitar a inclusão necessária destas fontes na diversificação da matriz energética nacional. Portanto, a inclusão de tais fontes de energia torna o modelo socioeconômico mais sustentável numa análise de longo prazo, além de corroborar para a preservação ambiental e minimizar os impactos de agressão e nocividade ao nosso planeta.
O conceito de sustentabilidade compreende três dimensões ou pilares: crescimento econômico, responsabilidade social e preservação ambiental (RAZZOTO, 2009, p. 20-21).
Para atingir o conceito pleno de sustentabilidade o PNUMA indica que primeiramente ocorre a evolução em etapa e escala menos abrangentes, ou seja, mais específicas. Desta forma, são aplicados objetivos voltados à economia verde, a qual é definida “como uma economia que resulta em melhoria do bem-estar da humanidade e igualdade social, ao mesmo tempo em que reduz significativamente riscos ambientais e escassez ecológica.” (PNUMA, 2011, p. 2). Portanto, a importância dos investimentos em fontes de energias renováveis e respectivos subsídios são traduzidos da seguinte forma:
“Investir em fontes renováveis que estão disponíveis localmente – em muitos casos de forma abundante – poderiam aumentar significativamente a garantia no fornecimento de energia – e por extensão, segurança econômica e financeira [...] O enverdecimento da energia requer a substituição dos investimentos em fontes de energia intensivas em carbono por investimentos em energia limpa, bem como aprimoramentos de eficiência. Muitas oportunidades para aprimorar a eficiência de energia pagam por si mesmas, enquanto investimentos em tecnologias de energia renovável já estão crescendo no mercado atual conforme tornam-se cada vez mais competitivas [...] A participação de investimento mundial em renováveis cresceu de 29% em 2007 para 40% em 2008, com o Brasil, China e Índia sendo responsáveis pela sua maioria. As tecnologias renováveis são ainda mais competitivas quando o custo social de tecnologias de combustíveis fósseis, que em parte está sendo atrasado até o futuro, é levado em consideração. A este respeito, a conclusão bem-sucedida de um acordo mundial sobre emissões de carbono e a garantia resultante de que haverá um mercado de carbono futuro e a fixação de preços é um forte incentivo para mais investimentos comerciais em energia renovável.” (PNUMA, 2011, p. 15)
Diante dos fatos e afirmações de várias instituições nacionais e internacionais sobre a importância das fontes renováveis para o processo energético
mundial, além do direcionamento para uma economia verde até atingir o conceito pleno de sustentabilidade, verifica-se como condição sine qua non que as nações realizem planos, estabeleçam metas e cumpram os objetivos relacionados às fontes de energia limpa. Sendo a utilização da energia solar e da eólica as que mais cresceram em capacidade instalada, associado ao fato de uma rápida redução nos preços médios dos equipamentos, é factível e bastante prudente realizar investimentos nestas áreas, pois o amadurecimento das tecnologias envolvidas é latente.
2.3 ENERGIA SOLAR
A importância da energia solar na matriz energética brasileira está traduzida sinteticamente da seguinte forma:
“A energia solar chega à Terra nas formas térmica e luminosa. Segundo o estudo sobre Outras Fontes constante do Plano Nacional de Energia 2030, produzido pela Empresa de Pesquisa Energética, sua irradiação por ano na superfície da Terra é suficiente para atender milhares de vezes o consumo anual de energia do mundo. Essa radiação, porém, não atinge de maneira uniforme toda a crosta terrestre. Depende da latitude, da estação do ano e de condições atmosféricas como nebulosidade e umidade relativa do ar. Ao passar pela atmosfera terrestre, a maior parte da energia solar manifesta-se sob a forma de luz visível de raios infravermelhos e de raios ultravioleta. É possível captar essa luz e transformá-la em alguma forma de energia utilizada pelo homem: térmica ou elétrica. São os equipamentos utilizados nessa captação que determinam qual será o tipo de energia a ser obtida. Se for utilizada uma superfície escura para a captação, a energia solar será transformada em calor. Se utilizadas células fotovoltaicas (painéis fotovoltaicos), o resultado será a eletricidade [...] no sistema fotovoltaico, a transformação da radiação solar em eletricidade é direta. Para tanto, é necessário adaptar um material semicondutor (geralmente o silício) para que, na medida em que é estimulado pela radiação, permita o fluxo eletrônico (partículas positivas e negativas). Segundo o Plano Nacional 2030, todas as células fotovoltaicas têm, pelo menos, duas camadas de semicondutores: uma positivamente carregada e outra negativamente carregada, formando uma junção eletrônica. Quando a luz do sol atinge o semicondutor na região dessa junção, o campo elétrico existente permite o estabelecimento do fluxo eletrônico, antes bloqueado, e dá início ao fluxo de energia na forma de corrente contínua. Quanto maior a intensidade de luz, maior o fluxo de energia elétrica. Um sistema fotovoltaico não precisa do brilho do sol para operar. Ele também pode gerar eletricidade em dias nublados.” (AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA, 2008a, p. 83-84)
Portanto, conforme afirma a Agência Nacional de Energia Elétrica (2008a, p. 82), “[...] a evolução da potência solar instalada no mundo de 1992 a 2007 para
produção de eletricidade [...], assim como ocorreu no segmento da energia eólica, também na energia solar a Alemanha é a maior produtora, com 49% da potência total instalada. Além disso, juntos, Alemanha, Japão, Estados Unidos, e Espanha concentraram, em 2007, 84% da capacidade mundial. Todos são países com programas fortes de diversificação e simultânea “limpeza” da matriz energética local.”
A Figura 9 mostra graficamente a evolução da potência instalada de células fotovoltaicas no mundo, sendo que em 2007 atinge valor próximo de 8 GW.
Figura 9 – Potência instalada de células fotovoltaicas no mundo (MW) Fonte: Agência Nacional de Energia Elétrica (2008a, p. 83)
Concomitantemente com a expansão da potência fotovoltaica instalada entre os anos de 1992 e 2007, ocorreu a redução do preço dos painéis fotovoltaicos, como ilustrado na Figura 10. Observa-se que houve um decremento superior a 50% do valor em dólares por watts, relativamente do preço praticado em 1993 para o verificado em 2006.
Figura 10 – Preço dos painéis solares no Japão (em US$/W) Fonte: Agência Nacional de Energia Elétrica (2008a, p. 85)
Diante dos fatos apresentados: o aumento global na capacidade instalada fotovoltaica associada com a consequente redução na precificação do principal material envolvido neste tipo de conversão energética, conclui-se que há excelente perspectiva de investimento neste setor.
2.3.1 GRANDEZAS FÍSICAS E AQUISIÇÃO DE DADOS
Vários fenômenos e grandezas físicas estão envolvidos com a energia solar. Portanto, no ano de 2006 o INPE e demais parceiros lançaram o Atlas Brasileiro de Energia Solar como parte do projeto SWERA que, segundo Pereira et al. (2006, p. 5), teve objetivo de “promover o levantamento de uma base de dados confiável e de alta qualidade visando auxiliar no 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.“
Conforme registrado por Villalva e Gazoli (2012, p. 48), é fundamental distinguir os conceitos de irradiância e insolação, onde a primeira é uma medida de densidade de potência expressa em W/m2 (watts por metro quadrado) e a segunda, uma medida de energia e expressa em Wh/m2/dia (watts-hora por metro quadrado diários). A Figura 11 demonstra o modelo físico simbólico para as interações entre radiação solar e atmosfera da Terra. Para apresentar dados de recursos de energia
solar existem, basicamente, dois métodos: uma ampla rede de radiômetros, utilizando interpolação de dados e uso de ferramentas computacionais.
Figura 11 – Diagrama da interação entre radiação solar e atmosfera terrestre Fonte: Pereira et al. (2006, p. 14)
Para realizar e apresentar documento tão importante no cenário energético nacional e internacional, “uma extensa base de dados de satélite dados coletados em superfície foi necessária para o mapeamento do fluxo de radiação solar incidente no território brasileiro. Além disso, uma base de dados confiável e de alta qualidade de irradiação solar em superfície é essencial para validação das estimativas fornecidas pelo modelo e transferência radiativa.“ (PEREIRA et al., 2006, p. 19).
Figura 12 – Mapas da média anual de temperatura e visibilidade Fonte: Pereira et al. (2006, p. 21)
Figura 13 – Mapas média anual albedo de superfície e umidade relativa do ar Fonte: Pereira et al. (2006, p. 21 e 22)
O trabalho desenvolvido pelo INPE possibilitou a apresentação dos mapas brasileiros da média anual de temperatura, visibilidade, albedo de superfície e umidade relativa do ar que são demonstrados respectivamente da esquerda para a direita na Figura 12 (obtidos por interpolação Krigging) e na Figura 13 (obtidos por interpolação do vizinho mais próximo).
A estimativa de irradiação solar realizada a partir dos dados adquiridos foi validada por comparação de dados obtidos de estações de superfície no Brasil, integrantes da rede SONDA e plataforma de coleta de dados (PCD). Sendo que a instrumentação e sensores pertencentes à rede possuem confiabilidade reconhecida pelo meio científico. Importante salientar que os dados coletados na rede SONDA são submetidos a rígido controle de qualidade sob os padrões internacionais estabelecidos pela World Meteorological Organization (WMO) para estações constituintes da Baseline Solar Radiation Network (BSRN). Contudo, a base de dados desta rede ainda é reduzida temporal e espacialmente, apesar da alta qualidade e confiabilidade dos dados gerados. (PEREIRA et al., 2006, p. 23).
Conforme informado por Villalva e Gazoli (2012, p. 34 e 35), a Alemanha é o país que utiliza a energia solar fotovoltaica de forma mais intensa. A capacidade instalada é cerca de 20 GW neste país, representando 4% do total da eletricidade
produzida. A melhor insolação da Alemanha é cerca de 3.500 Wh/m2/dia e o Brasil apresenta valores de insolação diária entre 4.500 e 6.000 Wh/m2/dia, possuindo potencial de geração fotovoltaica aproximadamente 10 vezes superior a da Alemanha, ou seja, praticamente o dobro de toda energia elétrica produzida no Brasil atualmente.
Figura 14 – Mapas média anual da radiação solar horizontal e plano inclinado Fonte: Pereira et al. (2006, p. 34 e 38)
Figura 15 – Mapas média anual da radiação solar PAR e difusa Fonte: Pereira et al. (2006, p. 36 e 40)
A Figura 14 apresenta o mapa da média anual da radiação solar global horizontal (à esquerda) e o mapa da média anual da radiação solar no plano
inclinado (à direita), ao passo que a Figura 15 demonstra o mapa da média anual da radiação fotosinteticamente ativa ou Photosynthetic Active Radiation (PAR).
Segundo Pereira et al. (2006, p. 31), o “valor máximo de irradiação global – 6,5 kWh/m2 – ocorre no norte do estado da Bahia, próximo à fronteira com o estado do Piauí [...] A menor irradiação solar global – 4,25 kWh/m2 – ocorre no litoral norte de Santa Catarina [...]". O valor de irradiação solar global incidente em qualquer região do Brasil (4.200-6.700 Wh/m2) são maiores que os de países europeus, como a Alemanha (900-1.250 Wh/m2), a França (900-1.650 Wh/m2) e a Espanha (1.200-1.850 Wh/m2).
2.3.2 Módulos Fotovoltaicos
Apesar de muito difundido e utilizado o termo painel solar é inapropriado, pois este não é fabricado ou utiliza o conceito físico do Sol, mas sim da conversão fotovoltaica, na qual é necessária a irradiação solar. Tecnicamente, o mais correto é denominá-lo de módulo fotovoltaico. Os módulos são constituídos de células fotovoltaicas, as quais geralmente são conectadas em série para elevar a tensão elétrica produzida.
São encontradas comercialmente células de silício monocristalino, de silício policristalino e de filme fino, sendo estas últimas segmentadas em silício amorfo, silício microcristalino, células híbridas, telureto de cádmio (CdTe) e cobre-índio-gálio-selênio (CIGS). Cada uma destas tecnologias de fabricação possuem vantagem e desvantagem. Portanto, a Tabela 1 apresenta dados importantes de um dos critérios na escolha do módulo fotovoltaico com determinada tecnologia de fabricação dos mesmos. Este critério, que é o rendimento ou eficiência, impacta diretamente na geração de energia elétrica em corrente contínua através da transformação realizada pelo respectivo módulo. Obviamente que ao escolher algum tipo de tecnologia é fundamental compreender os custos envolvidos e a consolidação e aceitação desta no mercado.
Material da Célula Fotovoltaica Eficiência da Célula ηz (Laboratório) Eficiência da Célula ηz (Produção) Eficiência da Célula ηM (Produção em Série) Silício monocristalino 24,7% 18,0% 14,0% Silício policristalino 19,8% 15,0% 13,0%
Células de silício policristalino EFG 19,7% 14,0% 13,0% Silício cristalino de película fina 19,2% 9,5% 7,9% Silício amorfo (no estado estável) 13,0% 10,5% 7,5% Silício micromorfo (no estado estável) 12,0% 10,7% 9,1%
Célula solar híbrida HCI 20,1% 17,3% 15,2%
CIS, CIGS 18,8% 14,0% 10,0%
Telurieto de Cádmio 16,4% 10,0% 9,0%
Semicondutor III-V 35,8% (**) 27,4% 27,0%
Célula sensitivizadas com colorante 12,0% 7,0% 5% (***) (**)
medida com um fluxo concentrado de radiação.
(***)
séries de produção limitada.
Fonte: Comissão Européia (2004, p. 59)
Novas tecnologias estão em constante desenvolvimento para a melhoria da eficiência de células fotovoltaicas, dentre as quais são citadas a experiência alemã em células de material semicondutor multijunção de amplo espectro e a pesquisa canadense com nanopartículas de fósforo de zinco. Segundo Inovação Tecnológica (2013a) o estudo realizado com células multijunção estabeleceu que utilizando “[...] uma concentração e 297 sóis – luz concentrada por lentes – eles obtiveram uma eficiência de 44,7%. Isto indica que 44,7% de todo o espectro da energia solar, do ultravioleta ao infravermelho, é convertido em energia elétrica.” De acordo com Inovação Tecnológica (2013b), referente à pesquisa canadense, ocorreu a transformação do material “[...] em nanopartículas, o que significa que ele é tão fino que pode ser disperso em solução e aplicado na forma de tinta, através de sistemas de impressão [...]”, desta forma o grupo de pesquisadores destacou-se “[...] ao criar uma célula solar (sic) plástica com eficiência de 30%. A equipe desenvolveu uma técnica para sintetizar as nanopartículas de fosfeto de zinco e demonstrou que elas podem ser dissolvidas para formar uma tinta [...]”
Figura 16 – Células fotovoltaicas multijunção e plástica de fosfeto de zinco Fonte: Inovação Tecnológica. (2013a e 2013b)
A Figura 16 apresenta a célula multijunção (esquerda) e a célula plástica de fosfeto de zinco (direita). Sendo surpreendente a eficiência alcançada na primeira e a possibilidade de baixos custos indicados para a segunda. O essencial é que a tecnologia continua evoluindo e buscando alternativas com maior rendimento e de menor custo de produção.
Os módulos fotovoltaicos seguem requisitos de instalação, manutenção e operação que serão apresentados em capítulos posteriores deste estudo. Contudo, é importante compreender alguns requisitos básicos de funcionamento e algumas principais características técnicas destes materiais.
Figura 17 – Curvas de Tensão x Corrente Fonte: Adaptado de Kyocera. (2014)
Observam-se nas curvas da Figura 17 que uma elevação na temperatura do módulo fotovoltaico acarreta redução de tensão elétrica, ao passo que um incremento na irradiação solar, proporciona acréscimo na corrente elétrica. Fundamental compreender que a modificação na temperatura não afeta a corrente, mas acarretará, no entanto, uma redução na potência gerada pelo módulo fotovoltaico, devido à redução direta da tensão elétrica.
Nos manuais dos fabricantes de módulos fotovoltaicos também são encontradas características de performance elétricas, que estão relacionadas aos testes efetuados em condições padronizadas em normas técnicas. São duas as condições mais aceitas atualmente: Standard Test Conditions (STC) e Normal Operation Cell Temperature (NOCT), sendo a segunda considerada como a mais próxima das condições reais de instalação de um módulo.
As características elétricas contidas na Figura 18 foram extraídas de um manual técnico de um módulo fotovoltaico da Kyocera, sendo importante conhece-las no momento das especificações e cálculos de dimensionamento de sistemas fotovoltaicos. As condições normalizadas para testes em STC são de irradiância (também denominada de irradiação) solar de 1.000 W/m2, temperatura da célula fotovoltaico de 25ºC e massa de ar (AM4) de 1,5. No entanto, as condições para NOCT são de irradiância solar de 800 W/m2, AM 1,5, velocidade do vento de 1m/s e temperatura da célula de 48,4ºC (geralmente adotada quando um módulo está submetido à temperatura do ar de 20ºC). Contudo, em várias situações os fabricantes determinam a temperatura NOCT que foram realizados os testes padronizados, como por exemplo, a Figura 18 indica uma temperatura de 45ºC.
Figura 18 – Características elétricas de módulo fotovoltaico Fonte: Adaptado de Kyocera. (2014)
