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A IMPORTÂNCIA DO ESTABELECIMENTO DE PROCEDIMENTOS DE QUALIFICAÇÃO DOS COMPONENTES DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS DOMICILIARES (SFD

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A IMPORTÂNCIA DO ESTABELECIMENTO DE PROCEDIMENTOS

DE QUALIFICAÇÃO DOS COMPONENTES DE SISTEMAS

FOTOVOLTAICOS DOMICILIARES (SFD’s) VISANDO A

UNIVERSALIZAÇÃO DOS SERVIÇOS DE ENERGIA ELÉTRICA

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BR 1. RESUMO

Para efeitos da implementação da universalização de energia elétrica no Brasil, potencializada no ano de 2004 com o Programa Luz para Todos, prevê-se a utilização de diversas tecnologias onde a extensão de rede elétrica convencional não seja possível. Sendo a tecnologia fotovoltaica uma destas opções para fornecer um serviço elétrico com similares patamares de qualidade em relação às alternativas concorrentes, é preciso destacar a importância de se implementar políticas apropriadas que ajudem ao desenvolvimento de programas de eletrificação, especialmente às vinculadas a qualidade do serviço elétrico.

2. ABSTRACT

In order to implement the universality of the electrical energy in Brazil, giving this proposal a potential emphasis in the year 2004 by the introduction of the Program “Luz para Todos”, it’s being foreseen to use different technologies where the extension of the conventional grids is not possible. Being the photovoltaic technology one of these options for providing a electrical service with similar levels of quality compared to other alternatives, it is necessary to bring out the importance for implementing the appropriate policies which are giving the required support for developing the Electrification Programs, specially those linked to the quality of the electrical service.

3. INTRODUÇÃO

A primeira instalação registrada de um Sistema Fotovoltaico Domiciliar (SFD) aconteceu no ano 1968 com a instalação de um sistema de 48 Wp para o fornecimento de energia elétrica a uma televisão numa escola na Nigéria (POLGAR, 1977 in LORENZO, 1997:4), logo depois desta experiência foram instalados outros tantos sistemas com similares características no mesmo país (NARVARTE, 2001:28-29).

Nos seguintes anos começaram a surgir diversos projetos de eletrificação rural apoiados fundamentalmente por instituições de apoio ao desenvolvimento, governos e em menor escala pequenas empresas.

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Atualmente, depois de três décadas de experiências pontuais com sistemas fotovoltaicos, é amplamente aceito que a tecnologia fotovoltaica é uma tecnologia madura e disponível para satisfazer as demandas de energia elétrica especialmente em regiões rurais dispersas e afastadas da rede elétrica convencional.

A eletrificação rural fotovoltaica há se caracterizado por ter se desenvolvido sobre a base de projetos, entretanto os programas de eletrificação rural têm sido escassos e de pequena magnitude no mundo todo. Os mais importantes foram implementados na Índia, China, Quênia, Sri Lanka, etc., enquanto na América Latina os programas mais importantes estão sendo desenvolvidos no México (PRONASOL1) e no Brasil (PRODEEM2).

Atualmente, estima-se que existe um total de 1,3 milhões de SFD´s3 aproximadamente (NIEUWENHOUT et al., 2000:5) com uma tendência de crescimento de 12 a 15% ao ano (CHAUREY, 2001:240). Mas estas quantidades ainda são insignificantes, menores a 0,07%, se comparados com o número de domicílios rurais sem eletrificação ou se comparado à taxa de crescimento populacional no mundo.

No Brasil, a potência instalada em módulos fotovoltaicos é de aproximadamente 15 MWp, entretanto, estima-se que entre 10 a 15% da população não tem acesso à eletricidade, o que equivale aproximadamente a 4 ou 5 milhões de domicílios respectivamente (POPPE, 2003).

Esta realidade mostra que existe mundialmente, e o Brasil não é a exceção, uma grande lacuna que precisa ser preenchida por tecnologias mais apropriadas, tal como as fontes de energias renováveis.

Um acontecimento importante nesta direção no Brasil foi à publicação da resolução No 233 em abril de 2002 pela Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) referida à universalização do serviço elétrico no Brasil.

Nesta resolução reconhece-se que a energia elétrica é um direito de todo cidadão e que as tecnologias provenientes das fontes solar, eólica, biomassa e pequenas centrais hidroelétricas podem fornecer um serviço elétrico com os mesmos padrões de qualidade que supre a rede elétrica convencional.

4. OS SFD’S E A UNIVERSALIZAÇÃO

As políticas desenvolvidas na gestão dos projetos ou programas de eletrificação rural têm seguido diversas estratégias, mas todas têm como característica comum envolver o usuário na manutenção dos SFD’s.

Um dos problemas na implementação dos SFD’s é a deficiência na gestão dos projetos ou programas de eletrificação rural. Como exemplo disso se têm casos de uma deficiente coordenação entre as instituições vinculadas à compra, instalação e manutenção dos SFD’s, ou em outros casos, se tem a compra de kit’s de SFD’s que uma vez instalados são deixados à sorte. Assim, em muitas ocasiões, quando acontecer uma falha a responsabilidade não fica definida.

Espera-se que esta realidade mude com a universalização da energia elétrica, na qual a concessionária deverá ser a responsável pelo serviço elétrico prestado em sua totalidade, ou seja, da compra, instalação e manutenção,

1

Programa Nacional de Solidariedade. 2

Programa de Desenvolvimento Energético dos Estados e Municípios. 3

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independentemente da tecnologia que se utilize, da mesma forma como se encontra a relação usuário-concessionária nos centros urbanos.

Portanto a encarregada de cuidar da qualidade dos equipamentos e do sistema como um tudo será a concessionária, a qual para conseguir manter seus custos baixos deverá providenciar a melhor qualidade destes e da instalação para assim diminuir os custos de operação e manutenção envolvidos.

Adicionalmente, a concessionária deverá fomentar o uso de eletrodomésticos eficientes, especialmente aqueles destinados à iluminação, e que sejam compatíveis com os SFD’s.

As configurações dos SFD’s como se sabe pode ser muito variada, tipicamente as configurações em corrente continua tem sido as mais usadas, mas sob o ponto de vista da universalização da energia elétrica o SFD deverá ser apenas em corrente alternada, cuja configuração se mostra na figura 1, para atingir padrões de serviço similares às outras opções concorrentes.

CONCESSIONÁRIA OU EMPREITEIRA Gerador fotovoltaico Controlador de carga USUÁRIO Cargas Quadro de controle Contador de kWh Inversor CC/CA Acumulador de carga

Figura 1 - Configuração do SFD e demarcação das responsabilidades. Assim, a responsabilidade da concessionária abrangeria desde a geração de energia elétrica até o medidor de consumo de energia, enquanto o usuário ficaria apenas responsável ao que acontecer no interior de seu domicílio, logo depois do medidor de consumo de energia.

Mas como toda tecnologia, em especial se esta é descentralizada e dependente das condições climáticas, será preciso levar em conta suas particularidades4 no funcionamento. Por exemplo, deveria pensar-se em incluir um dispositivo que informe de uma forma clara ao usuário do estado de carga do acumulador de carga e a possibilidade de que fique sem energia elétrica com o devido tempo de antecipação, etc. Desta forma, ele poderá providenciar a energia ainda disponível no acumulador de carga da forma mais conveniente para ele.

5. OS PRIMEIROS PASSOS PARA UM SERVIÇO DE QUALIDADE

A qualidade do serviço elétrico pode ser definida como a coincidência entre o serviço produzido e as expectativas do usuário. Conceito que envolve não só a qualidade da energia elétrica que fornece o sistema como também a confiança do usuário em relação ao SFD, que por a sua vez está relacionada com a qualidade dos componentes constituintes.

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Para que se dê esta coincidência é preciso de um lado identificar uma serie de fatores5 que influem no funcionamento do SFD, ver figura 2, e de outro definir as estratégias mais apropriadas a desenvolver-se em cada caso.

SFD

Demanda de energia Dimensionamento Condições climáticas Qualidade da Instalação Qualidade dos Componentes

Sustentabilidade Especificações técnicas Procedimentos de qualificação Especificações técnicas Reposição de componentes Manutenção Estudo multidiciplinar Capacitação

Figura 2 - Descrição dos principais fatores vinculados a um programa de eletrificação rural.

Um dos problemas com que a tecnologia fotovoltaica se enfrenta, embora resulte paradoxo, é sua simplicidade, razão pela qual muitas vezes resulta em descuidos em alguma etapa do processo6 de gestão do programa de eletrificação rural fotovoltaica.

Para se conseguir índices de qualidade no serviço elétrico com os SFD’s, de uma forma bem sucedida, será imperativo que as empresas concessionárias dêem alguns primeiros passos.

O primeiro passo evidentemente será definir o tamanho do sistema fotovoltaico, que, por sua vez, será definido principalmente pelas condições climáticas e pela demanda de energia da localidade a se implantar a tecnologia fotovoltaica. É aqui onde começa a surgir as principais dúvidas, como estimar a demanda de energia de um usuário sem que ele tenha alguma vez usado a energia elétrica? (LORENZO, 1999:20) ou como prever as mudanças nos hábitos de uso ao longo do tempo?

Produto destas incertezas em muitos casos práticos, o tamanho do sistema não correspondeu ao consumo de energia, problemática que há sido contrastada em diversas pesquisas de campo (MORANTE et al., 2001). Mas

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O qual não é exclusivo aos sistemas fotovoltaicos. 6

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estes problemas poderiam ser solucionados nos programas de eletrificação rural de grande porte, por meio de uma gestão adequada dos componentes, através de avaliações periódicas. Estas avaliações poderiam servir, por exemplo, para analisar o consumo de energia elétrica e realizar as mudanças adequadas aproveitando o aspecto modular dos SFD’s.

O seguinte passo evidentemente, seguindo a lógica da figura 2, será definir os procedimentos de dimensionamento mais adequado para cada caso levando em conta a demanda de energia elétrica e as condições climáticas.

Uma vez estabelecido o tamanho do SFD e o regime de funcionamento dele, o seguinte passo será estabelecer as políticas mais apropriadas que garantam uma adequada compra do SFD a qual está diretamente relacionada com a qualidade dos componentes do SFD.

6. A IMPORTÂNCIA DE ASSEGURAR A QUALIDADE DOS COMPONENTES DOS SFD’S

A energia solar fotovoltaica tem um custo elevado comparado com a energia proveniente da rede elétrica. Esta realidade obriga aos gestores a realizar esforços para conseguir fazer com que o SFD seja o mais eficiente possível e com o menor custo na compra, instalação e manutenção. Nesta procura, muitas vezes se deixa de lado alguma atividade importante na implementação dos SFD’s, por exemplo, a verificação da qualidade de seus componentes. Situação que deixa ao gestor com a única opção de acreditar na informação que proporciona o fabricante, a qual muitas vezes é insuficiente ou os valores indicados estão baixo das condições favoráveis para seu produto.

De fato, atualmente, têm-se poucos projetos que fazem alguma verificação das características dos componentes por diversas razões, embora existam aproximadamente 200 normas referidas aos componentes e ao SFD (NARVARTE, 2001:11). Entre estas razões, além da econômica, tem-se a falta de prática para execução de ensaios, há imagem de que ensaiar sistemas fotovoltaicos é uma coisa que poucos laboratórios podem fazer, pois requerem aparelhos de medição sofisticados como esferas integradoras para medição da luminosidade, simuladores de sol para medição dos módulos, etc.

As normas existentes atualmente têm diferenças significativas entre elas, porém, ainda estas não são aceitas internacionalmente, com exceção das normas do módulo fotovoltaico que estão bem estabelecidas.

Contudo, estas normas não são aplicadas por gestores ou por fabricantes devido aos altos custos7 que elas envolvem, especialmente num mercado fotovoltaico que se caracteriza por ser pequeno e em continua evolução tecnológica, seja para implementar os ensaios nos laboratórios no país ou para mandar fazer os ensaios nos poucos laboratórios especializados que existem no mundo, porém, a aplicação destas normas limita-se a programas de eletrificação de grande porte e com recursos suficientes para investir em aqueles ensaios.

Esta realidade tem trazido problemas nos projetos e nos programas de eletrificação rural. Razão pela qual, estima-se num estudo feito pela NREL8 que aproximadamente 45% (NIEUWENHOUT et al., 2000:9) dos SFD´s instalados

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Por exemplo, o custo de um ensaio de segurança, UL 1741, pode custar entre US$ 10.000 e 30.000 ou mais por cada modelo de inversor (BOWER, 2002:2).

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apresentam algum tipo de problema, sejam estes parciais, mas em funcionando ou integrais, ou seja, sistemas sem funcionamento.

Alguns exemplos dos problemas encontrados no campo são:

• No projeto da CESP/ELETRO (ECOWATT), na região de Lagamar, no qual 90% dos SFD’s instalados estão abandonados devido a problemas com a qualidade dos controladores, baterias e lâmpadas (SERPA, 2001:225).

• Na Índia, um dos mercados mais importantes de sistemas fotovoltaicos no mundo, “as instalações existentes se caracterizam por uma baixa confiabilidade de funcionamento, devido à falta de manutenção e de procedimentos de avaliação da qualidade e desempenho dos componentes dos sistemas” (CHAUREY, 2001:242).

• “Muitos problemas tem-se originado com o uso de controladores bons, mas inadequados. Por exemplo, usaram-se controladores para baterias de eletrólito absorvido ou gelificado com baterias abertas inundadas, sem compensação por temperatura” (DÍAZ et al., 2000:3).

• No Quênia, 36,4% dos usuários indicam problemas com suas baterias porque não possuíam um controlador de carga e, nos casos que existiam, os pontos de corte estavam mal selecionados. Por outro lado, o autoconsumo do controlador atinge patamares elevados de aproximadamente 4 W (VAN DER PLAS et al., 1998:297).

• “Na África do Sul, é amplamente conhecido um projeto de 50.000 SFD’s que se encontra paralisado depois da instalação de menos do 15% das instalações, e os problemas técnicos estão entre as razões desse fato” (NARVARTE, 2001:13). Caso similar foi o que aconteceu no Peru, num projeto governamental. Logo depois de iniciarem-se as instalações, os controladores e as lâmpadas apresentaram problemas de funcionamento, com o qual as instalações foram suspensas enquanto se iniciavam as reclamações correspondentes para que a empresa fornecedora trocasse aqueles componentes. A troca produziu-se depois de dois anos, tempo no qual as baterias ficaram envelhecidas apesar de haver sido cuidadas nesse lapso de tempo.

• Na Argentina, “uma empresa elétrica teve que trocar as lâmpadas (mais de 2500) de um projeto de SFD depois de alguns meses de operação, devido ao funcionamento deficiente do reator a baixas temperaturas, características da região em questão” (NARVARTE, 2001:13-14).

Embora estes problemas possam ser atribuídos a diversos fatores, alguns deles explorados ao inicio deste artigo, um dos principais fatores identificados é a baixa qualidade dos componentes fotovoltaicos que existem atualmente no mercado fotovoltaico, fato pelo qual é amplamente reconhecida a importância de estabelecer políticas de verificação da qualidade dos componentes e do sistema (ZILLES, 1997; CABRAAL et al., 1998:208; FAHLENBOCK et al., 1998:1; SANTOS, 2002:115; DÍAZ et al., 2001:363)

Por enquanto não se definiram as normas que sejam aceitas internacionalmente e que sejam fatíveis de ser implementadas nos programas de eletrificação fotovoltaica rural, será preciso determinar os procedimentos simples que sejam possíveis de se realizar na maioria dos laboratórios com aparelhos de medição sem maiores sofisticações junto com a definição das especificações técnicas dos componentes e do sistema fotovoltaico que sejam realmente possíveis de medir com os procedimentos de verificação antes mencionados.

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Com estas medidas junto com medidas complementares, como o estabelecimento de especificações técnicas para a instalação dos SFD’s, capacitação dos profissionais nas diferentes etapas do programa de eletrificação solar fotovoltaica, se completariam as atividades técnicas vinculadas aos programas de eletrificação solar fotovoltaica.

7. A QUALIDADE DO SERVIÇO ELÉTRICO

Como já foi dito, tradicionalmente a configuração dos SFD´s têm sido em corrente continua, o que limita em muitos casos o consumo de energia e os usos finais, devido a que o mercado em corrente continua é ainda muito pequeno. Enquanto que em corrente alternada acontece o oposto, o mercado é maior e mais diversificado com o qual, o usuário tem uma maior opção de escolha. Contudo, não garante para todos os casos, necessariamente, que seja de qualidade.

Com a universalização, a qualidade de vida, em referência ao atendimento elétrico, do futuro usuário estará em função da qualidade do serviço elétrico, porém, não adiantará em nada colocar um sistema elétrico deficiente, que seja prejudicial ao funcionamento dos aparelhos eletrodomésticos ou que perturbe o usuário de alguma forma. Portanto, o serviço elétrico deverá cumprir as normativas correspondentes ao atendimento elétrico e que assegure a satisfação do usuário.

Assim, os SFD´s não só devem garantir uma boa qualidade na corrente elétrica que ele fornece, como também deverá caracterizar-se por não interferir nas atividades que realizam os usuários, seja através de interrupções constantes ou perturbações produzidas por dispositivos eletrônicos, como o inversor ou o controlador de carga.

Estas perturbações podem manifestar-se através de ruídos que podem ser audíveis pelo ser humano9 ou interferências nos dispositivos de transmissão ou recepção de sinais, por exemplo, rádios, TV, etc. O qual se contrapõe totalmente ao objetivo do atendimento elétrico, especialmente nas regiões rurais onde um rádio pode ser o único dispositivo que o usuário possui para receber informações. Isto, evidentemente, prejudicará o usuário de diversas formas, reduzindo assim sua qualidade de vida.

O último elo para garantir a qualidade da energia elétrica é o inversor CC/CA10, dispositivo encarregado de fazer a junção entre o lado CC e o lado CA do sistema.

Pelo ponto de vista da eficiência energética, se recomenda evitar o uso de inversores a carga parcial, para conseguir que este atinja suas melhores eficiências, ver figura 3. Isto se pode conseguir, por exemplo, trocando as pequenas cargas em corrente alternada para corrente continua. Contudo, esta opção se confronta com o fato já mencionado de manter um mesmo padrão de qualidade de serviço elétrico. Razão pela qual esta opção deverá ser desconsiderada.

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Freqüências menores a 20 kHz (FAHLENBOCK, 1998:49) 10

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Figura 3 - Curva de eficiência do inversor CC/CA.

Os inversores de CC/CA encontrados no mercado podem ter uma forma de onda quadrada, quadrada modificada ou senoidal. Evidentemente os dois primeiros casos, embora sejam os mais comercializados e disponíveis em pequenas potências, não deverão ser empregados senão unicamente aquele que forneça corrente alternada senoidal pura.

A tecnologia dos inversores de onda senoidal pura, nos últimos anos, tem sido aprimorada, encontrando-se atualmente disponíveis no mercado inversores de boa qualidade11 de baixa potência, por volta de 200 W (Durisch et al., 1999:417).

Desde o ponto de vista do usuário, o interesse é que seus eletrodomésticos, tais como, as lâmpadas de baixo consumo, TV, rádio, geladeiras, pequenos motores (tipicamente de ¼ HP), etc. funcionem. Para isto o inversor, adicionalmente às outras características mencionadas anteriormente, deverá ser compatível com os aparelhos domésticos, ou seja, que o inversor permita o funcionamento parcial de todos os eletrodomésticos ou em sua totalidade. O qual nem sempre é assim, tal como se relata em algumas experiências (BARROS et al.,2002).

De aí surge a importância de se ensaiar não somente os componentes isoladamente como também sua compatibilidade entre eles, especificamente neste caso entre inversor e as cargas esperadas.

8. COMENTÁRIOS FINAIS

Com a universalização, além do fornecimento de energia elétrica a todos os cidadãos no Brasil em relativamente poucos anos, sugere-se aproveitar esta oportunidade, para diversificar embora seja em pequena escala, a matriz energética empregando tecnologias alternativas, com especial ênfase nas renováveis.

Na universalização será preciso levar em conta as particularidades de cada tecnologia na implementação do programa de eletrificação rural para atender ao consumidor de uma forma mais apropriada.

η 100% 90% 70% 50% 30% 10% 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 P/Pnominal 11

Alta eficiência, forma de onda senoidal, baixo teor de harmônicos, suportar surtos típicos que acontecem ao ligar um motor ou algum aparelho semelhante, sem interferência eletromagnética, etc.,

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A experiência no âmbito rural com os SFD´s em muitos casos há demonstrado sua efetividade, mas existe também um grande índice de experiências insatisfatórias. Sendo uma das razões, o descuido nos aspectos técnicos, especialmente os referidos à comprovação da qualidade dos componentes do SFD. Por esta razão se faz necessário levar em conta nas políticas de implementação da tecnologia fotovoltaica este aspecto chave para assegurar, ao menos parcialmente, uma vida prolongada do sistema e garantir o investimento realizado.

Ante esta realidade, surge a necessidade de implementar procedimentos de verificação da qualidade dos componentes fotovoltaicos que se caracterizam por ser simples e aplicáveis na maioria dos laboratórios.

Esforços nesse sentido estão sendo desenvolvidos por diversas instituições, tais como, PV-GAP12, IEC13, CENELEC14, IES15, etc. Mas ainda não se têm resultados consolidados na atualidade.

Com a implementação dos procedimentos de verificação, espera-se conseguir os seguintes benefícios:

• Servir de ferramenta nas atividades de etiquetagem. • Servir como referência na fabricação dos produtos. • Balancear a concorrência entre os diferentes produtos. • Estimular a transferência tecnológica apropriada ao meio. • Maior transparência no mercado.

• Conseguir melhores e seguros sistemas fotovoltaicos.

• O gestor terá as ferramentas necessárias para verificar as especificações técnicas requeridas.

• Garantir uma boa qualidade dos produtos e com isso a satisfação do usuário.

• Promover uma efetiva proteção ao consumidor.

• Melhorar radicalmente a realidade da eletrificação rural fotovoltaica e desta forma, fomentar sua disseminação com maior facilidade.

• Garantir um serviço elétrico apropriado, similar ao ofertado por alternativas concorrentes.

Finalmente vale destacar que no Brasil, um grande passo no sentido de garantir a qualidade e a sustentabilidade das ações futuras de eletrificação com Sistemas Fotovoltaicos Domiciliares está em curso através das atividades do Programa de Revitalização do PRODEEM e pelo Programa Brasileiro de Etiquetagem, Grupo de Trabalho Fotovoltaico.

9. BIBLIOGRAFIA

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12

Global Approval Program for Photovoltaics 13

International Electro technical Commission 14

Comitê Europeu de Normalização Eletrotécnica 15

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Referências

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