REGISTRO DOI: 10.5281/zenodo.7211794
Autores:
Alexander Marques Silva1
Victor Jara Souza Calasans2
Chimene Kunh Nobre3
Cláudio Roberto Oliveira Pereira4
RESUMO
Por ser uma das necessidades do ser humano. A sociedade está tão acostumada a ter energia elétrica a sua disposição que nem tem idéia de como é formada a infraestrutura necessária para levá-la dentro das casas, locais de trabalho ou quaisquer outros estabelecimentos – ela simplesmente está lá. O Brasil é privilegiado por possuir várias fontes de matriz energéticas a ser exploradas. A mais utilizada é a advinda da força mecânica gerada pela abundante bacia hidrográfica que existe em sua extensão. Através das hidrelétricas, essa força mecânica é transformada em energia elétrica e transmitida pelas linhas de transmissão que interligam (e abastecem o país) de norte a sul. Entretanto, com toda essa malha distributiva existem localidades que não são alcançadas pelas linhas de distribuição das concessionárias de energia. Nesse artigo, foram abordadas condições para a geração de energia elétrica através de sistemas fotovoltaicos offgrid, detalhando a viabilidade técnica, ambiental e econômica para essas regiões que não são atendidas pelas redes de distribuição de energia elétrica.
Palavras-chave: Energia. Solar. Sistema offgrid. Sustentabilidade.
ABSTRACT
Because it is one of the human needs. Society is so used to having electricity at its disposal that it has no idea how the infrastructure necessary to bring it into homes, workplaces or any other establishments is formed – it is simply there. Brazil is privileged for having several sources of energy matrix to be explored. The most used comes from the mechanical force generated by the abundant hydrographic basin that exists in its extension. Through hydroelectric plants, this mechanical force is transformed into electrical energy and transmitted through the transmission lines that interconnect (and supply the country) from north to south. However, with all this distribution network, there are locations that are not reached by the distribution lines of energy concessionaires. In this article, conditions for the generation of electricity through offgrid photovoltaic systems were addressed, detailing the technical, environmental and economic feasibility for these regions that are not served by the electricity distribution networks.
Keywords: Solar energy. Offgrid Sistem. Sustainability
1.INTRODUÇÃO
A história da evolução humana se deu por meio da utilização de fontes energéticas como subsídio à própria sobrevivência. Através destas, confeccionaram- se artefatos que possibilitaram ao ser humano progresso em sua evolução, permitindo ao acesso à itens, até aquele tempo, inacessíveis. As fontes primárias de energia são aquelas disponíveis tal como se encontram na natureza e que não sofreram ainda qualquer conversão (CEMIG, 2012, p.12). Um desses itens é a energia elétrica que possibilitou um avanço no marco tecnológico da humanidade. Substituiu o lampião e lamparina pelas lâmpadas elétricas na iluminação doméstica e pública. A partir daí, as cidades ficaram mais iluminadas, as indústrias tiveram um aumento em suas produções no momento que que substituíram máquinas a vapor por máquinas elétricas mais eficientes. Usinas hidrelétricas, termoelétricas foram construídas para atender essa nova demanda; linhas de transmissões e redes de distribuição elétricas.
Em muitos casos, a rede de distribuição elétrica não alcança as áreas mais distantes, geralmente localidades rurais, ficando a cargo de o proprietário arcar com os custos da implantação de uma rede de distribuição até uma linha de transmissão mais próxima. Nesse caso, construir um sistema off grid seria a condição financeira mais viável. A instalação é simples e prática e oferece a possibilidade de utilizar energia e, ao mesmo tempo, diminuindo o consumo de energia produzida através de combustíveis fósseis. (BENEDUCE, 1999).
Atualmente, existem 237 localidades isoladas no Brasil, a maior parte está na região Norte, Amazônia Legal, nos estados de Rondônia, Acre, Amazonas, Roraima, Amapá e Pará. Segundo a Agência Nacional de Energia de Energia Elétrica (ANEEL), o consumo elétrico nessas localidades é baixo e representa menos de 1% da carga total do país, sendo suprida, principalmente, por térmicas locais a óleo diesel. Com essa oferta limitada de fontes de energia não alcançando a demanda que a cada dia cresce, as zonas mais distantes dos grandes centros, tendem a serem não contempladas com ofertas de fontes energéticas mais diversas, e quando as tem, estas não atendem suas necessidades.
No setor de energia elétrica, denominam-se Sistemas Isolados as localidades que não são conectadas à rede nacional de transmissão (Sistema Interligado Nacional – SIN), por razões técnicas ou econômicas (BRASIL, 2010), como ausência de escala. Assim, a maioria desses sistemas é suprida eletricamente por geração local, normalmente baseada em geradores a óleo diesel. Os estados que compõem tal sistema são: Acre, Amazonas, Amapá, Mato Grosso, Pará, Rondônia, Roraima e ilha de Fernando de Noronha pertencente ao estado de Pernambuco (CCEE, 2017). Por não estar conectado a nenhuma rede pública de distribuição de energia elétrica o sistema fotovoltaico off grid é autônomo e autossustentável, através de um banco de baterias, ele armazena a energia para ser utilizada durante o período que não há sol.
A importância da implantação desse sistema fotovoltaico envolve temas como universalização e geração descentralizada, coisas que deveria ser garantido pelo Estado, pois a falta de energia constitui um fator importante de exclusão social (Galindo,2014). A tabela 1 apresenta a distribuição dos Sistemas Isolados do Brasil, por unidade da federação e por distribuidora de energia elétrica, mostrando que a maioria se encontra em estados com ampla área florestal, como Amazonas e Pará.
Tais sistemas podem ser desde pequenas comunidades, com algumas dezenas de habitantes, como cidades de porte como Parintins-AM, com mais de 100.000 habitantes (IBGE, 2017)
Diante da problemática de produção energética para os sistemas isolados e com o intuito de fomentar a economia em regiões que não têm acesso às redes de distribuição de energia elétrica das concessionárias, a implantação de sistema de produção de energia fotovoltaica off grid servirá como um marco para o desenvolvimento local. Nessas regiões a agricultura familiar é a predominante. A única fonte de energia é a térmica e o combustível utilizado é o óleo diesel, um produto derivado do petróleo, poluente e com alto grau impactante ao meio ambiente e com uma logística bastante onerosa a quem o utiliza. Estudos mostraram que sistemas descentralizados, quando atingem grupos de consumidores desfavorecidos, despertam o empreendedorismo local e ainda auxiliam na educação e vida social das pessoas (MOHANTY; MUNNER; KOLHE,2016).
Nessa perspectiva, a energia solar off grid produz baixo impacto ambiental e tem como principal função prover energia de forma autônoma para soluções tecnológicas de grande valia ao ser humano, principalmente quando essas tecnologias chegam a locais isolados das cidades cuja instalação da rede de distribuição convencional das concessionárias torna-se inviável em função de diversos fatores logísticos e ambientais.
Pelo exposto, são importantes os estudos que analisaram a implantação de sistemas fotovoltaicos off grid em localidades isoladas da rede de distribuição de energia elétrica convencional. A principal ideia desse estudo de caso foi buscar e adentrar algumas particularidades do sistema fotovoltaico off-grid em questão, que atualmente possuí a necessidade de testar o dimensionamento atual, para que assim atenda ao propósito inicialmente previsto. Alguns dos dispositivos que compõem um sistema off-grid são: os módulos fotovoltaicos, inversores de frequência, controladores de carga e acumuladores (baterias). Logo, estes são os equipamentos que serão analisados a fim de verificar se é possível aliar economia, meio ambiente e autonomia para suprir determinadas cargas em uma residência localizado na zona rural em Porto Velho.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
Obteve-se dessa pesquisa de natureza básica exploratória (explicativa) algumas etapas:
2.1 Estudos de pesquisa
Realizou se um levantamento bibliográfico em artigos técnicos, artigos de revisão, manuais técnicos, dissertações, teses e livros que foram dedicados ao mesmo tema ou correlatos ao estudo deste TCC. Para isso, a revisão bibliográfica foi realizada na base de dados dos sistemas Scielo, Google Acadêmico e Revistas científicas, onde foram pesquisadas publicações na área de Engenharia Elétrica e em língua portuguesa, espanhola e inglesa.
2.2 População
A pesquisa foi realizada em residências aptas à instalação de estação fotovoltaica off grid, situadas na zona rural de Porto Velho/RO
2.3 Coleta de dados
A pesquisa foi de caráter qualitativo por se tratar de uma “investigação interpretativa em que os pesquisadores fazem uma interpretação do que enxergam, ouvem e entendem” (CRESWELL, 2010, p. 209). Quanto aos meios de investigação foi desenvolvida uma pesquisa bibliográfica e de campo (VERGARA, 2010, 42). Além disso, trata-se também de uma pesquisa de caráter quantitativo, que segundo Araújo (2006, p. 12), “é uma técnica quantitativa e estatística de medição dos índices de produção e disseminação do conhecimento científico.
3. ENERGIA SOLAR
O sol é responsável pela origem de praticamente todas as outras fontes de energia, pois é a partir da energia do sol que ocorre a evaporação da água, induzindo a circulação de ar na atmosfera, possibilitando a energia eólica. Além disso, combustíveis fósseis como petróleo, carvão e gás natural são gerados a partir dos resíduos de animais e plantas que, de alguma forma, obtiveram a energia necessária ao seu desenvolvimento através da radiação solar (PINHO e GALDINO, 2014). O sol é um enorme reator de fusão, pois em seu centro o processo de fusão transforma núcleos de hidrogênio em núcleos de hélio. Nesse processo, parte da massa é transformada em energia, que é fornecida na forma de radiação, constituindo a base de toda a vida na Terra (Portal Energia, 2004). Anualmente, 1,5 x 10¹⁸ kWh de energia é fornecida pelo sol para a atmosfera terrestre, gerando um enorme potencial de utilização em outras formas de energia, como a térmica e a elétrica, por meio de sistemas de captação e conversão (PINHO e GALDINO, 2014).
3.1. Radiação solar
É definido radiação solar como sendo a emissão ou transferência de energia proveniente das reações de fusão ocorridas no sol, que é irradiada para todas as direções. Diferente de outro tipo de energia, a radiação solar não precisa de material para ser transmitida, chegando até o nosso planeta através de ondas eletromagnéticas (VILLALVA, 2015). Devido à grande distância existente entre o sol e a terra, apenas uma mínima parte (aproximadamente duas partes por milhão) da radiação solar emitida atinge a superfície da terra (Portal Energia, 2004). Além disso, fatores como a latitude, a estação do ano e as condições atmosféricas como nebulosidade e umidade relativa do ar também devem ser levados em consideração. Ainda assim, a irradiação solar que chega à superfície da terra anualmente ainda é o bastante para atender milhares de vezes o consumo anual de energia do mundo (ANEEL, 2008).
3.1.2 Atlas Solarimétrico do Estado de Rondônia
O Atlas também possui uma ferramenta Interativa Web que permite consultar e fazer análise do potencial de irradiação solar e geração de energia elétrica fotovoltaica para qualquer localização do estado de Rondônia (LABREN; 2022). Neste trabalho, esta ferramenta permitirá obter dados e informações mais precisas sobre o potencial de radiação solar durante o ano afim de estimar a capacidade que precisa ser instalada na residência (TIEPOLO et al., 2017).
3.2 Módulo fotovoltaico
Segundo a NBR16.690, o módulo fotovoltaico é uma unidade formada por um conjunto de células fotovoltaicas, interligadas eletricamente e encapsuladas, com o objetivo de gerar energia elétrica. A durabilidade de um módulo fotovoltaico em média é 25 anos e com eficiência de geração mínima de 80%, vida útil padrão garantida pelas melhores fabricantes de placas fotovoltaicas, mas pode facilmente passar dos 30 anos de uso com a devidas manutenções periódicas dos equipamentos. Com o passar dos anos diversas tecnologias vêm sendo desenvolvidas, a fim de aprimorar a recepção da irradiação bem como a conversão em energia (TOLMASQUIM, 2016). A eficiência de conversão das células solares é medida pela proporção da radiação solar incidente sobre a superfície da célula que é convertida em energia elétrica. Atualmente, as melhores células apresentam um índice de eficiência de 25% (GREEN et al., 2000)
3.2.1 Painel fotovoltaico
O principal componente de um sistema fotovoltaico é o painel fotovoltaico, constituído por um ou mais módulos (VIANA, 2010). A figura 2 apresenta a diferença entre módulo, painel e célula fotovoltaica.
A célula fotovoltaica é um dispositivo semicondutor que produz corrente elétrica ao ser exposta a irradiação solar, quando essa radiação incide sobre essa célula fotovoltaica ela pode ser refletida, absorvida ou passar por ela completamente. Somente a luz capitada pelo elemento gera energia elétrica. A energia da luz absorvida pela célula fotovoltaica é transferida a seus átomos e elétrons. Esses elétrons ejetados do material semicondutor se direcionam da banda de valência para serem coletados na banda de condução, resultando no surgimento da tensão elétrica, efeito conhecido como efeito fotovoltaico (GHENSEV, 2006).
3.2.2 Inversor senoidal ou conversor para sistemas offgrid
Os inversores senoidais (Figura 3) são dispositivos eletrônicos que convertem a energia elétrica de corrente contínua (c.c.) para corrente alternada (c.a.), devendo suas características elétrica de saída, como conteúdo harmônico frequência, e amplitude, ser compatíveis com as da rede elétrica na qual injetam energia elétrica proveniente do sistema solar fotovoltaico (PINHO E GALDINHO, 2014).
3.2.3 Controladores de carga
O Controlador de carga (figura 4) é um dispositivo fundamental estratégia para o funcionamento de um sistema fotovoltaico offgrid. Ele é o componente responsável por preservar (zelar) pela qualidade das baterias estacionárias, dando proteção no momento em que houver sobrecargas e descargas abruptas no sistema. os controladores de carga são instalados entre os painéis e as baterias para evitar que as mesmas sejam sobrecarregadas ou descarregadas excessivamente de acordo com o circuito proposto. (SOLANERG, 2011). Como tem a função de gerar uma corrente de alimentação maior que a descarga automática do sistema, o Controlador de carga diminui as perdas energéticas, tornando o armazenamento da energia excedente mais eficiente. Em períodos de insolação excessiva, o controlador de carga evita o sobrecarregamento das baterias, devido a geração de tensão maior que a tensão de carga das mesmas (GASQUET, 1997).
3.2.4 Baterias estacionárias
As baterias estacionárias (Figura 5) são projetadas com materiais internos nobres, placas de chumbo mais espessas para durarem mais tempo. Usadas largamente para o sistema de armazenamento de energia elétrica excedente produzida pela captação da radiação solar. O sistema off-grid é bastante utilizado em áreas isoladas, sem acesso à rede elétrica convencional, em sua maioria utiliza um sistema de armazenamento de energia para garantir o fornecimento de energia elétrica em períodos sem sol. (VILLALVA e GAZOLI, 2012). A bateria estacionária é uma solução para regiões que não possuem acesso a rede de distribuição elétrica da concessionária local. A maioria dos sistemas modernos de armazenamento de energia elétrica as usam. Usualmente os sistemas off-grid são dimensionados usando uma metodologia simplificada baseada no método das horas de sol pleno para o mês crítico (aquele de menor irradiação). É um exemplo de aplicação dessa metodologia o trabalho de (RIBEIRO, GIANKARLO FIALHO., 2020).
Essas baterias estacionárias formam um Banco de baterias que é um sistema acumulador de energia que serve basicamente para fornecer eletricidade em casos de falha no fornecimento da fonte principal ou nos momentos em que há pouca ou nenhuma radiação, no período da noite ou em dias nublados e/ou chuvosos. Esses bancos são, portanto, fundamentais para garantir a estabilidade dos sistemas elétricos, pois podem entrar em operação quase imediatamente (BHATIA, 2016).
4. DISCUSSÃO
A energia elétrica é elencada em diversos indicadores de desenvolvimento sustentável, sendo considerado um dos mais importantes indicadores do desenvolvimento econômico e social de um país (NADIMI; TOKIMATSU, 2018). Porém, o impacto das políticas no setor de energia solar viabilizar ou não o crescimento/expansão dessa matriz energética. A instalação de sistemas fotovoltaicos offgrid em locais onde o sistema de distribuição de energia elétrica das concessionárias é uma necessidade primordial para a população que se encontra em total isolamento energético. promoveria a utilização de fontes geradores renováveis e limpas, visando a preservação ambiental e bem estar social ao fomentar a segurança energética e a promoção de serviços como iluminação pública, saúde, educação, cultura, uso residencial etc. (IBGE, 2015). O setor de energia solar no Brasil é embasado em duas amplas partes de decisão política. Tem a parte do intensão do planejamento energético, e parte mais baseada no embasamento técnico de geração, transmissão e distribuição dos fatores à energia solar fotovoltaica.
No Brasil os debates sobre a inovação tecnológica ocorrem a muitos anos, tendo como um dos pontos principais o Projeto de Lei 2.177/2011, que deu origem em 2016 ao Código Nacional de Ciência, Tecnologia e Inovação, um marco legal que regula os estímulos destinados ao desenvolvimento científico, à capacitação cientifica e tecnológica, à pesquisa e à inovação. Surgiu assim a proposta de Emenda Constitucional nº 85, que alterou e adicionou dispositivos na Constituição Federal para atualizar o tratamento de ciência, tecnologia e inovação (BRASIL, 2016).
A questão de sustentabilidade da energia fotovoltaica vai de encontro a produção e uso de energias provenientes de outras matrizes energéticas (combustíveis fósseis, nucleares, carvão mineral, etc.), atividades que representam cerca de dois terços das emissões de gases do efeito estufa induzidas pelos seres humanos. Desse modo, observa-se a importância de diversificar as fontes geradoras de energia, a fim de ampliar a sustentabilidade nacional (BORBA, 2015). A energia solar é a chave para um futuro sustentável, pesquisadores acreditam que, até 2050, a principal fonte de eletricidades do mundo (IEA, 2022), tudo isso sem causar danos porque nem a geração nem o consumo liberam gases no ar. Além disso, um sistema fotovoltaico requer pouca manutenção e dura por muitos anos. Para sistemas fotovoltaicos offgrid, deve-se considerar também a vida útil das baterias e dos controladores de carga (SOLARVOLT, 2022).
5. CONSIDERAÇÕES FINAIS
Pode-se concluir que a produção de energia limpa e renovável proveniente do sistema solar fotovoltaico, é uma alternativa excelente para eletrificação em áreas onde há a ausência da cobertura da rede de distribuição elétrica, principalmente em áreas rurais e isoladas. O artigo em questão, promove a utilização de energia que gera baixo impacto ambiental e, que garante o fornecimento de energia elétrica um consumidor de pequena potência, ou seja, uma micro produção fotovoltaica. Para tal, foram descritos os principais componentes e tecnologias associadas aos tipos de sistemas fotovoltaicos. Os módulos fotovoltaicos ainda representam custos elevados, entretanto tem-se verificado uma redução dos custos, bem como um aumento da sua eficiência e do seu tempo de vida útil. Com relação aos inversores há registros de melhorias tanto em sua qualidade quanto na confiabilidade. Na implantação de um sistema fotovoltaico offgrid, há uma previsão de uma possível expansão nesse sistema com o objetivo de estender a potência do mesmo caso haja uma necessidade energética. Contudo, as vantagens de se ter um sistema fotovoltaico, evidenciando aspectos ambientais, assim como a confiabilidade do sistema implantado. Mostrou-se uma comparação de custos de implantação mais atrativa entre as principais fontes de energia elétrica, dentre as quais pode-se citar a eólica e a gás, nesta análise está incluída a manutenção do sistema fotovoltaico no período de trinta anos. Os resultados econômicos são apenas uma parcela no incentivo para a adoção de elementos sustentáveis em moradias, priorizar por sistemas eficientes e assim contribuir para o uso consciente dos recursos naturais não esquecendo que a melhoria da qualidade da habitação e de seu entorno, são de extrema importância para a conscientização sobre as vantagens e benefícios das construções sustentáveis. Por fim, o principal problema para a implementação desse projeto seria o investimento inicial necessário para a sua instalação, mesmo que em longo prazo este sistema demonstre ser lucrativo, visto que seus custos em manutenção e operação são pequenos. Porém os resultados econômicos é apenas uma parcela no incentivo para a adoção de elementos sustentáveis em moradias, priorizando por sistemas eficientes e assim contribuir para o uso consciente dos recursos naturais, e a melhora na qualidade de vida das pessoas que vivem de forma isolada e poderiam acrescentar ao seu cotidiano diversas facilidades que as tecnologias proporcionam nos dias de hoje, tendo em vista que todas as pessoas independentes de quem sejam e onde vivam precisam ser assistidos pelas políticas de incentivos do governo.
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1Acadêmico de Engenharia Elétrica. Artigo apresentado a Faculdade de Educação de Porto Velho-UNIRON, como requisito para obtenção do título de Bacharel em Direito Porto Velho, 2021.
E-mail: alexengenharia87@gmail.com
2Acadêmico de Engenharia Elétrica. Artigo apresentado a Faculdade de Educação de Porto Velho – UNIRON como requisito para obtenção de título de Bacharel em Engenharia Elétrica. Porto Velho 2022.
E-mail: victor.jara.calasans@gmail.com
3Prof.ª Orientadora. Professora do curso de Engenharia Elétrica.
E-mail: chimene.nobre@uniron.edu.br
4Prof. Orientador. Engenheiro Professor do curso de Engenharia Elétrica.
E-mail: claudio.pereira@uniron.edu.br