ESTUDO PARA IMPLANTAÇÃO DE SISTEMA DE PAINÉIS FOTOVOLTAICOS EM EDIFICAÇÃO COM GRANDE CONSUMO DE ENERGIA
Marco A. Losso (1); Jonas P. Fabris (2).
(1)Arquiteto, Mestrando em Engenharia Civil/UFSC – mlosso@terra.com.br (2)Eng. Civil, Mestrando Engenharia Civil/UFSC – jpfabris@hotmail.com
Universidade Federal de Santa Catarina – UFSC Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil - PPGEC Campus Universitário –Trindade - Cx.P.476 - CEP 88040-970
Florianópolis, SC RESUMO
A demanda por energia tem aumentado vertiginosamente a cada ano em diversos setores e na maioria dos países. Paralelamente, tem se constatado que muitas das fontes de energia utilizadas atualmente estão condenadas a acabar ou de atingir seu potencial máximo de geração num futuro não muito distante. Por outro lado, muitas tecnologias não são eficientes e/ou são caras e com grande impacto ambiental, social e econômico. Com relação a edificação, existe uma vertente arquitetônica teórica-projetual que baseia-se na sustentabilidade do edifício, onde ele pode funcionar sem depender de fontes externas, tais como: energia, abastecimento de água, tratamento e reaproveitamento dos efluentes e outros. Neste contexto, faz-se necessário desenvolver novas tecnologias que satisfaçam determinadas condições e que possam ser implantadas a curto e médio prazo. A energia solar, coletada através de painéis fotovoltaicos é uma opção para fornecimento de energia elétrica para edificações transformando-as em pequenas usinas geradoras de energia. Assim, este trabalho estuda a aplicabilidade dos painéis fotovoltaicos numa edificação já construída e com grande demanda por energia. Os resultados apontam que neste caso, esta tecnologia não supre toda demanda mas pode ser uma alternativa interessante se usada em conjunto com outras soluções, inclusive a energia elétrica convencional.
Palavras-chaves: Arquitetura e Tecnologia, Painéis Fotovoltaicos, Eficiência Energética na Arquitetura.
1. INTRODUÇÃO 1.1. Contexto
O mundo moderno necessita de grandes quantidades de energia para suprir as mais variadas demandas. Diversos estudos e dentre eles, GELLER [1] aponta que algumas das fontes primárias de energia tradicionais caminham ou para o esgotamento de sua
capacidade de geração ou para o esgotamento de matéria-prima, e brevemente passarão por processo de extinção.
A energia oriunda do petróleo, fonte da gasolina, óleo diesel, GLP entre outros, é uma das que estão com previsão de extinção e atualmente têm se buscado diversas alternativas para sua substituição. Principalmente o setor de transportes têm interesse direto no rápido desenvolvimento de novas alternativas de energia.
No que diz respeito a energia hidráulica, o Brasil optou pela utilização quase que única e exclusivamente desta fonte de energia em seu modelo de desenvolvimento energético. Modelo este, com grande impacto para o meio ambiente, pois os custos de implantação de uma usina hidroelétrica são elevados e com grande impacto negativo para o meio ambiente local e regional. Inundações, deslocamentos populacionais, riscos com segurança, perdas ambientais e modificações no clima são algumas das conseqüências enfrentadas.
Outros aspecto é que este sistema é muito vulnerável a condições meteorológicas, como presenciado no ano de 2001 em vários estados brasileiros onde foi necessário adotar medidas de controle de consumo, o conhecido racionamento. Desta forma, este meio de fornecimento de energia está sujeito a não ser capaz de atender a demanda necessária, levando até mesmo a economia de um país a estagnação temporária.
Quando analisamos o lado dos usuários da energia, as edificações em geral consomem na sua maioria energia elétrica produzida em usinas hidroelétricas. Diversos aparelhos e sistemas foram aperfeiçoados e/ou inovados nas últimas décadas, e isto fez com que precisa-se mais energia. Aparelhos eletro-eletrônicos, sistemas de aquecimento, e outros, juntamente com o aumento do poder aquisitivo da população, contribuem para maior demanda.
O rápido desenvolvimento do mundo moderno solicita cada vez mais de energia para suprir diversificadas demandas, sejam elas no setor industrial, comercial, residencial, público, agropecuário ou transportes. GELLER [1] cita estudo da Eletrobrás, onde conclui-se que a demanda por energia no Brasil dobraria entre os anos de 1988 e 2000, e o uso per capta de eletricidade estaria previsto para aumentar 55% neste período.
BRASIL, MINISTÉRIO DAS MINAS E ENERGIA [2] mostra que o consumo de eletricidade no Brasil cresceu de 160 TWh em 1984, para 315 TWh em 1999. Assim, comprova-se que realmente os indícios de crescimento da demanda estavam corretos e indicam que este crescimento se manterá para os próximos anos.
Então, uma situação com diversos problemas está formada: A) Como atender toda demanda por energia? B) Como produzir energia mesmo com o fim da capacidade de determinadas tecnologias? C) Como evitar elevados custos ambientais, sociais e econômicos para produção de energia? Estas questões parecem de difícil solução, se pensarmos da maneira como vinha se pensando até poucos anos atrás. Faz-se necessário o desenvolvimento de novas alternativas, com novas fontes, novos métodos de produção, nova mentalidade de consumo de energia, dentre outros.
Fontes de energia não convencionais atualmente podem ser exploradas, sendo as opções: a energia solar, a de biomassa, a de ondas, a das marés, a eólica e outras.
Destas, a energia solar é a fonte de energia alternativa ideal, especialmente por algumas características básicas: é abundante e permanente, renovável a cada dia, não polui e nem prejudica o ecossistema. Dentre as diversas formas de aproveitamento da energia solar, uma tem se destacado nos últimos anos: Através de painéis fotovoltaicos.
Segundo SAYEGH [3], os painéis solares fotovoltaicos absorvem a radiação da energia solar e a transformam em energia elétrica da seguinte maneira: Um material semicondutor, geralmente o silício, encontrado abundantemente na natureza, é transformado em lâminas dispostas em painéis ou em filmes finos aplicados entre vidros. Esse material é sensibilizado pelos fótons da luz e passa a produzir corrente elétrica.
Em geral, são usados painéis de silício cristalino ou amorfo, sendo o primeiro o que tem a melhor eficiência, da ordem de 11 % e o segundo 5,5 % aproximadamente. A princípio, pode parecer que a eficiência não é muito boa, todavia seu baixo rendimento é compensado por sua alta confiabilidade. A título de comparação, o mecanismo da fotossíntese que ocorre no reino vegetal e similarmente utiliza-se da energia fotônica tem uma eficiência entre 0,2 e 2%. Assim, um satélite equipado com células solares fotovoltaicas dispõe de uma fonte de eletricidade que durará seguramente muitos anos, o mesmo acontecendo com as aplicações aqui na Terra, como mostrado na figura 1.
Figura 1 - Células Solares convertem luz solar em eletricidade. Painéis maiores em associação, (esquerda), produzem força suficiente para atendimento de uma residência. Uma célula solar simples, (direita), medindo 7,5 cm de diâmetro, pode
atender pequenos aparelhos eletrônicos.
Para funcionamento do sistema, além dos painéis utiliza-se um inversor CC-CA, que tem como finalidade a transformação da energia gerada em corrente contínua, para corrente alternada, possibilitando assim sua utilização direta nas necessidades elétricas convencionais.
A utilização desta tecnologia não requer construção de usinas ou centrais produtoras. A maneira mais adequada de colaborar com o fornecimento de energia, é a geração em pequenas unidades produtoras, sendo que até mesmo um edifício pode se transformar em uma mini-usina, gerando energia para seu próprio consumo ou para venda a concessionária local. Este conceito vai de encontro ao pensamento da arquitetura auto-sustentável.
Então, a energia gerada pode ser usada diretamente, armazenada em baterias, ou vendida para a rede pública de energia elétrica. No primeiro caso, pode servir como complementação de energia em situações onde se deseje minimizar a utilização da rede
pública. O segundo caso serve para atender unidades autônomas, como por exemplo lugares geograficamente afastados onde o custo de fornecimento de energia para a concessionária é alto, ou para suprir a demanda noturna do edifício, período onde os painéis não geram energia. No último caso, existe um excesso de energia gerada pelos painéis fotovoltaicos, então esta energia extra é transferida para o sistema público, através da venda.
Um dos maiores entraves a utilização de painéis fotovoltaicos é o seu custo [4]. Até pouco tempo, painéis fotovoltaicos tinham alto custo de implantação. Mas como mostra a figura 2, esse custo está diminuindo com tendência de baixar ainda mais devido ao desenvolvimento da tecnologia e aumento da demanda, gerando maior necessidade de produção e conseqüente barateamento dos custos de produção.
Figura 2 - Evolução do custo de painéis solares fotovoltaicos no mercado internacional e projeção do custo para o ano 2002, assumindo o cenário atual de crescimento e redução de custos no setor (Maycock, P. D., 1997 apud RUTHER) [5] 1.2. Justificativa
Para verificar se há viabilidade técnica de aplicação da tecnologia de painéis solares fotovoltaicos, será feito um estudo de caso numa edificação com grande consumo de energia. O edifício escolhido foi a sede da Federação das Industrias do Estado de Santa Catarina- FIESC/SC, em Florianópolis.
1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 0 50 100 150 200 250 300 ~ 1.5 $/Wp ~ 5 $/Wp
Evolução do custo de painéis solares fotovoltaicos U S $ / W p Ano
1.3. Objetivos
Elaborar estudo para implantação de Sistema Solar Fotovoltaico integrado a edificação e interligado ao sistema de rede elétrica pública;
Avaliar se esta tecnologia é viável de ponto de vista técnico em uma edificação com grande consumo de energia e já construída;
Mostrar que a tecnologia dos painéis fotovoltaicos está cada vez mais ao alcance dos projetistas arquitetos e engenheiros;
2. METODOLOGIA
A metodologia utilizada neste trabalho baseia-se no levantamento de dados para avaliações e cálculos, tais como o consumo de energia do edifício e análise de plantas construtivas para verificação da área disponível para locação dos painéis.
Confirmado a existência de área disponível, partir-se-á para escolha dos painéis e posteriormente serão feitos os cálculos de produção de energia elétrica e estudo de viabilidade.
3. RESULTADOS
3.1. Levantamento do consumo de energia
Em levantamento realizado, constatou-se que o edifício possui elevada demanda por energia elétrica, com consumo anual em 1997 de 1.235.630 kWh. O consumo mensal está ilustrado na tabela 1.
Tabela 1 – Consumo mensal de energia elétrica no ano de 1997.
Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez
Consumo
(kWh)
135.701 134.441 131.713 122.525 92.355 64.723 77.714 74.194 84.311 97.566 93.809 126.578
3.2. Análise da viabilidade da implantação dos painéis no edifício
O edifício da FIESC/SC localiza-se em terreno de esquina, com acesso principal de fronte para a rodovia SC-404. Existe um edifício principal com área de cobertura de 2.100 m2, e
um edifício anexo com 456 m2, como ilustrado na figura 3.
Sua cobertura possui boa incidência solar, praticamente sem elementos que causam sombreamento. Por ser um edifício de grande porte, e também pelo fato de dispor de
grande espaço físico para instalação dos painéis fotovoltaicos, existem condições para implantação do sistema.
3.3. Estudo de anteprojeto para implantação do sistema
O ponto de partida foi a escolha do painel e do inversor, características que podem ser visualizadas na tabela 2, a seguir.
Tabela 2 - Características do painel e inversor escolhidos. Painel escolhido. Inversor escolhido.
Fabricante: Sanyo Fabriante: Wurth
Tipo: HIP-J54BI Tipo: WE 500 NWR
Potência Nominal: 180W Potência Nominal de Operação: 650 W Dimensões: 1320mm x 890mm x 35mm Máx. Eficiência: 93 %
Área total do Painel: 1,175m2 Dimensões: 240 x 300 x 120 mm
Peso: 15,0 kg Peso: 10 Kg
Origem: Japão Consumo à noite: 0 W
Fabricante das Células: Japão Tensão de Entrada: 25 – 55 V Tipo das Células: Amorfo/ MonoCristalino Corrente de saída: Senoidal 60 Hz +/- 1 Hz
Células por painel: 96 Tensão de Saída: 230 V +/- 1-% Modelo das Células: Semi-Quadradas Temperatura Ambiente: -25/+60 oC
Tensão MPP: 54,0 V Umidade Relativa do Ar: 95 % Corrente MPP : 3,33 A Emissão de Ruído: 35 dB Algumas considerações à respeito do anteprojeto:
- As placas foram orientadas para o norte por possibilitar melhor custo- benefício entre potência gerada x número de painéis;
- A angulação azimutal dos painéis é de 27 graus, o mesmo grau da latitude geográfica de Florianópolis, maximizando a quantidade de radiação solar recebida pelos painéis. Figura 4;
- Os painéis localizam-se sobre o telhado do edifício principal e edifício anexo da FIESC/SC, e estão assentados em estrutura própria independente do telhado. Esta estrutura é composta de perfis aço modulado (perfis I e L). Figura 4;
- A modulação desta estrutura acompanha a modulação dos painéis, existindo um corredor de 50 cm para passagem de pessoas encarregadas da manutenção da instalação;
- Esta modulação possibilita que todos os painéis recebam sol em todos os períodos do ano, inclusive no inverno (pior situação). Figura 4;
- Os inversores estão localizados sob os painéis fotovoltaicos, para melhor organização. Figura 4;
- Todos os painéis e inversores possuem acesso para manutenção;
- Foi utilizado 1 inversor (650W) para cada 3 painéis (180W), que estão ligados em paralelo. Figura 5;
- No lado oeste do vão central do edifício, onde se localizam os domos de iluminação zenital, está a torre dos elevadores, que projeta sombra sobre alguns painéis no período da
manhã. Neste local foram colocados painéis, pois a maior parte do dia eles recebem sol direto, viabilizando sua colocação;
- Todos os painéis estão conectados em paralelo, o que garante o funcionamento mesmo quando alguns painéis recebem sombra ou quando estão desativados para manutenção. Esta solução demanda maior custo com cabeamento, mas garante melhor eficiência de produção de energia;
- Área de Aproveitamento da Cobertura da Edificação: Edifício Principal: 2100 m2 ---- Total de Painéis: 1254 Edifício Anexo: 456 m2 ---- Total de Painéis: 252
Total de Painéis utilizados: 1506 Total de Inversores: 502
Figura 3 – Planta de situação do edifício da FIESC/SC. Sem escala.
Figura 4 - Corte esquemático da implantação dos painéis. Iluminação
Zenital
Rod. SC 404
N
Inversores sob Painéis Painéis
27o 40o
Telhado Ângulo de Insolação no Inverno
A tabela 2 a seguir indica os resultados dos principais parâmetros de cálculo. A figura 6 indica em forma de gráfico o quanto será suprido da demanda mensal por energia elétrica no edifício.
Tabela 2- Diferentes dados a respeito da implantação do sistema.
Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez
1. Pcc kW 271,08 271,08 271,08 271,08 271,08 271,08 271,08 271,08 271,08 271,08 271,08 271,08 2. Gpoa kWh/m2/dia 5.35 4.94 4.67 4.26 3.55 2.86 2.85 3.34 3.56 4.09 5.54 6.04 3. E diário kWh 1.450 1.339 1.266 1.155 962 775 773 905 965 1.109 1.501 1.637 4. E mensal kWh 43.500 40.170 37.980 34.650 28.860 23.250 23.190 27.150 28.950 33.270 45.030 49.110 5. Cons. kWh 135.701 134.441 131.713 122.525 92.355 64.723 77.714 74.194 84.311 97.566 93.809 126.578 6. (%) E suprida 32,1 29,9 28,8 28,3 31,3 36,0 30,0 36,7 34,4 34,1 48,0 38,8
1- Potência total de geração, 2- Média mensal do total diário de radiação solar incidente no plano dos painéis @ 1000 W/m2, 3- Energia diária máxima gerada, 4- Energia mensal máxima gerada, 5-Consumo da edificação e 6- Porcentagem da demanda atendida com painéis.
Figura 6 – Comparação entre o consumo mensal x energia gerada pelos painéis fotovoltaicos.
4. CONCLUSÕES
Verifica-se que para o edifício em questão, a tecnologia dos painéis solares fotovoltaicos atenderia a aproximadamente uma média de 34 % da demanda por energia elétrica, sendo então uma produção baixa para resolver o problema de alta demanda.
0 20.000 40.000 60.000 80.000 100.000 120.000 140.000 160.000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Meses kW h Consumo Energia gerada
Porém o sistema poderá ser uma boa solução caso seja adotado, pois poderá trazer os seguintes benefícios: reduzir o consumo de energia elétrica oriundo da rede pública e conseqüentemente redução do custo de compra de energia, aliviar a carga de energia fornecida pela concessionária, contribuir para a diversificação das fontes de produção de energia elétrica, evitando assim a dependência de um sistema e o acarretamento de possíveis racionamentos e apagões.
Outra alternativa seria fazer um estudo de readequação das condições de iluminação do edifício. WESTPHAL et al. [7] e WESTPHAL & LAMBERTS [8] fizeram estudos para retrofit dos sistemas de iluminação respectivamente na Universidade Federal de Santa Catarina- UFSC, e no própria FIESC/SC, com grande possibilidade de redução de consumo. Combinar soluções, resultaria em grande benefício para a manutenção do edifício.
Salienta-se que no caso estudado, foi feito um estudo de retrofit para implantação do sistema solar fotovoltaico no edifício, ou seja, implantou-se uma tecnologia nova num edifício antigo que não foi concebido para receber tais painéis, implicando assim em menor aproveitamento da tecnologia. Em outros casos, deve-se pensar na integração com a projeto arquitetônico desde a concepção do mesmo, pois além de possibilitar uma majoração da eficiência, contribui-se para diminuição do custo do sistema, inclusive com diminuição em outros aspectos construtivos, quando se utilizam por exemplo os painéis fotovoltaicos como revestimento da edificação.
5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] GELLER, Howard S. O uso eficiente da eletricidade. Uma estratégia de desenvolvimento para o Brasil. Washington. 1994.
[2] BRASIL, MINISTÉRIO DAS MINAS E ENERGIA. Balanço Energético Nacional 2000. Brasília. 2000.
[3] SAYEGH, Simone. Força domada: Quilowatts de economia. Revista Téchne. ed.53, agosto de 2001.
[4] DELAHOY, Alan; ZOLTAN, Kiss. Photovoltaics – Heading Towards Thin Films. Internal report, Energy Photovoltaics Inc. 2001.
[5] RUTHER, Ricardo. Instalações Solares Fotovoltaicas Integradas a Edificações Urbanas Interligadas a Rede Elétrica Pública. Apostila PPGEC/UFSC. Florianópolis. 2001.
[7] WESTPHAL, Fernando; et. al. Proposta de retrofit para o sistema de iluminação artificial da UFSC. In: IX Encontro Nacional de Tecnologia do Ambiente Construído. Foz do Iguaçu. 2002.
[8] WESTPHAL, Fernando; LAMBERTS, Roberto. Proposta de melhoria na eficiência energética de um edifício comercial. In: VIII Encontro Nacional de Tecnologia do Ambiente Construído. Salvador. 2000.
