Benefícios e Desafios da Energia Solar Fotovoltaica: Estudo Sustentabilidade, Teses (TCC) de Física avançada

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CENTRO DE PROFISSIONALIZAÇÃO E EDUCAÇÃO TÉCNICA

ALEXANDRE TUNIATI CALISTO DOS SANTOS

ENERGIA FOTOVOLTAICA COMO FONTE RENOVÁVEL DE ENERGIA -

SISTEMAS ON GRID

Taquaritinga - SP 2021

ALEXANDRE TUNIATI CALISTO DOS SANTOS

ENERGIA FOTOVOLTAICA COMO FONTE RENOVÁVEL DE ENERGIA -

SISTEMAS ON GRID

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado no Centro de Profissionalização e Educação Técnica, como requisito parcial para a obtenção do título de Técnico em Eletrotécnica.

Taquaritinga - SP 2021

Dedico este trabalho aos meus pais e amigos que sempre me incentivaram.

AGRADECIMENTOS

Primeiramente agradeço a Deus, que meu deu força e sabedoria para concluir mais uma etapa na minha vida. Agradeço a minha família que sempre esteve junto comigo me ajudando em tudo que era possível. Agradeço aos meus amigos que estiveram me auxiliando durante todo curso e me ajudando no que era possível.

RESUMO

Os sistemas fotovoltaicos de geração de energia ligados à rede são os mais comuns, e amplamente utilizados pelas residências e empresas. Estes sistemas não precisam de baterias internas, e usam inversores fotovoltaicos para modular a tensão contínua gerada nas células para uma tensão alternada compatível com as características da rede pública de distribuição. O objetivo do estudo é apontar as vantagens e desvantagens do sistema de geração fotovoltaico a nível nacional, analisando seu impacto na matriz energética nacional. O estudo foi desenvolvido com base em uma revisão bibliográfica, que buscou informações de autores que publicaram livros e artigos, visando compreender e captar o conhecimento científico já estabelecido sobre o tema. Conclui-se que o sistema de geração fotovoltaico é um sistema que não degrada o meio ambiente, é renovável, e que se pode ponderar que a matéria prima de geração está disponível sem custo e de maneira ilimitada no período do dia. O meio alternativo de geração auxilia no processo de geração distribuída, contribuindo a matriz energética do país, reduzindo as potências desperdiçadas nas linhas e contribuindo na geração de carga para o atendimento dos consumidores finais.

Palavras-chave: Sistemas On Grid. Off Grid. Energia Sustentável. Geração Fotovoltaica.

ABSTRACT

Photovoltaic power generation systems connected to the grid are the most common and widely used by homes and businesses. These systems do not need internal batteries, and use photovoltaic inverters to modulate the direct voltage generated in the cells to an alternating voltage compatible with the characteristics of the public distribution network. The objective of the study is to point out the advantages and disadvantages of the photovoltaic generation system at national level, analyzing its impact on the national energy matrix. The study was developed based on a bibliographical review, which sought information from authors who published books and articles, aiming to understand and capture the scientific knowledge already established on the subject. It is concluded that the photovoltaic generation system is a system that does not degrade the environment, is renewable, and that it can be considered that the raw material of generation is available without cost and unlimited in the period of the day. The alternative means of generation assists in the process of distributed generation, contributing the energy matrix of the country, reducing the wasted power in the lines and contributing in the generation of load to the end consumer’s service.

Keywords: On Grid. OffGrid systems. Sustainable energy. Photovoltaic Generation.

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

AT Alta Tensão

CA Corrente alternada

CC Corrente contínua

EIA Estudo dos Impactos Ambientais

FV Fotovoltaico

GC Geração Centralizada

GD Geração Distribuída

MT Média Tensão

SDEE Sistema de Distribuição de Energia Elétrica

SUMÁRIO

INTRODUÇÃO 11

CONCEITO E ESTUDO SOBRE AS FONTES RENOVAVEIS DE ENERGIA 13

A IMPORTÂNCIA DOS SUPRIMENTOS DA ENERGIA ELÉTRICA 17

EFEITO FOTOVOLTAICO E SUAS CARACTERÍSTICAS 19

FORMAS DE APLICAÇÃO DA ENERGIA FOTOVOLTAICA 22

ESTUDO DOS COMPONENTES DO SISTEMA ON GRID 24

A GERAÇÃO DE ENERGIA E SEUS BENEFÍCIOS 25

MÉTODO DE COMPARTILHAMENTO DE ENERGIA ELÉTRICA 27

CONSIDERAÇÕES FINAIS 30

REFERÊNCIAS 31

qual foi realizada consulta a livros, dissertações e em artigos científicos selecionados através de busca nos seguintes bases de dados, como Google Acadêmico; Portal CAPES e Scielo. O período dos artigos pesquisados foram os trabalhos publicados nos últimos 20 anos.

2 CONCEITO E ESTUDO SOBRE AS FONTES RENOVAVEIS DE ENERGIA

As fontes renováveis de energia são aquelas oriundas de recursos naturais encontrados em abundância na natureza ou que se renovam com facilidade, como o sol, vento, mar, etc. Fontes de energia renováveis são as energias disponíveis na natureza e que não dependem do consumo de um combustível, ou seja, de fontes não renováveis provenientes de combustíveis fosseis: petróleo, carvão mineral, xisto etc. Assim sendo, a geração de energia por meio de materiais e elementos disponíveis com mais facilidade e com pequeno impacto ambiental está sendo a cada passo mais incentivada, sendo desenvolvida novas técnicas para aperfeiçoa- las (CORTESE, 2017). De acordo com Balfour (2016) normalmente são consideradas alternativas ou renováveis as seguintes fontes de energia: a. Hidroelétrica: aproveitamento do potencial hidráulico dos rios para geração de energia elétrica. A maioria das usinas hidrelétricas possui uma barragem e um reservatório. Estas estruturas podem obstruir a migração de peixes e afetar suas populações. A operação de uma usina hidrelétrica também pode alterar a temperatura da água e o fluxo do rio, mudanças deste segmento podem prejudicar plantas e animais nativos no rio e na terra. Os reservatórios podem cobrir as casas das pessoas, áreas naturais importantes, terras agrícolas e sítios arqueológicos. Assim, construir barragens pode exigir a realocação de pessoas. O metano, um forte gás de efeito estufa, também pode se formar em alguns reservatórios e ser emitido para a atmosfera. b. Solar: aproveitamento da energia proveniente do sol. As instalações fotovoltaicas solares podem ser combinadas para fornecer eletricidade em escala comercial ou organizadas em configurações menores para mini redes ou uso pessoal. O uso de energia solar fotovoltaica para alimentar mini redes é uma excelente maneira de levar eletricidade a pessoas que não moram perto de linhas de transmissão de energia. c. Eólica: aproveitamento da energia do ar em movimento (ventos). A energia eólica é um recurso livre e renovável, portanto, não importa quanto seja usada, ainda haverá a mesma oferta no futuro, devido às diferenças de temperatura na atmosfera, que geram os deslocamentos de ar. A energia eólica é também uma fonte de eletricidade limpa e não poluente. Ao contrário das usinas convencionais, as usinas eólicas não emitem poluentes no ar ou gases de efeito estufa. d. Marés: aproveitamento das diferenças de altura das águas dos oceanos causadas pelas marés para a geração de energia. A energia das marés é uma

Figura 1 — Geração de eletricidade

Fonte: Villalva (2020)

Observa-se a expansão de mais de 2 MW de geração de energia através de fontes renováveis em 2020, com destaque para o setor fotovoltaico. Nesse viés, no contexto mundial, o Brasil era décimo lugar de países com capacidade instalada de fontes alternativas: geotérmica, eólica, solar, das marés, das ondas, biomassa e resíduos (BALFOUR, 2016). Nesse sentido, o Brasil possui a capacidade de geração com o total 7. empreendimentos em operação, totalizando 159.679.694 kW de potência instalada. Assim sendo, está prevista para os próximos anos uma adição de 18.117.144 kW na capacidade de geração do país, proveniente dos 187 empreendimentos construídos e mais 424 em empreendimentos com construção não iniciada (CORTESE, 2017). De acordo com Villalva (2020), verificando a capacidade instalada de geração de energia por Estado, observou-se que o estado com maior capacidade instalada de geração é São Paulo com 14,57% com a capacidade instalada de 23.271.970, kW. O Quadro 1 demonstra os tipos de empreendimentos nacionais do ramo da geração de energia elétrica, a quantidade destes empreendimentos e suas potências (outorgada e fiscalizada). O destaque está nas usinas hidrelétricas, possuindo cerca de 60% da parcela nacional de geração, seguida das usinas termelétricas com cerca de 25%.

Quadro 1 — Capacidade de geração do Brasil de empreendimentos em operação

Fonte: Villalva (2020)

Ao analisar a Figura 2, percebe-se que a capacidade de geração de energias renováveis, como a solar fotovoltaica e eólica do país, é aproximadamente de 9% do total de potência fiscalizada, apresentando um número baixo em comparação com as gerações hidrelétricas e termelétricas que são as fontes predominantes no país (TOLMASQUIM, 2016).

Figura 2 — Comparação da geração de energia elétrica total mundial

Fonte: Villalva (2020)

Nesse contexto, as novas tecnologias, tanto para geração quanto para transmissão e distribuição de energia elétrica, representam importantes respostas para os recentes desafios na busca de um suprimento mais eficiente para esse tipo de energia, um dos aspectos fundamentais para a sustentabilidade do setor elétrico (BENEDITO, 2018).

3 EFEITO FOTOVOLTAICO E SUAS CARACTERÍSTICAS

Células fotovoltaicas (ou solares) convertem a luz do sol direta em energia elétrica. Elas geram eletricidade em corrente contínua (CC), a qual pode ser utilizada diretamente (em corrente contínua) ou convertida em corrente alternada (CA) e ser armazenada em uma bateria, para uso posterior (CORTESE, 2017). O elemento básico de um sistema solar fotovoltaico é a célula solar, feita de um material semicondutor, geralmente silício. Não há́ partes móveis em uma célula solar, sua operação é ambientalmente benigna e, se o dispositivo for corretamente isolado do ambiente, não há nada que irá ser desgastado com o tempo (BRAUN; JARDIM; RUTHER, 2017). Como a luz do sol está́ universalmente disponível, os dispositivos fotovoltaicos podem fornecer eletricidade sempre que necessário. Como essa fonte de energia durará centenas de milhares de anos e é muito difícil interferir no seu fornecimento, muitos acreditam que as células fotovoltaicas (ou sistemas fotovoltaicos – FV) se tornarão a maior fonte de energia no mundo no longo prazo (ROAF; FUENTES; THOMAS-REES, 2014). Os sistemas fotovoltaicos são modulares, assim, sua produção de energia elétrica pode ser voltada praticamente para qualquer aplicação, desde relógios de pulso com baixo consumo, calculadoras, sistemas remotos de telecomunicação e pequenos carregadores de baterias a gigantescas usinas geradoras que produzem energia apenas a partir do sol. Os sistemas FV podem ser compostos agregando sucessivos painéis facilmente instalados, ao contrário das soluções tradicionais de geração de energia, como usinas que consomem combustíveis fósseis ou usinas nucleares, as quais precisam gerar multimegawatts para serem economicamente viáveis (LAMARCA JUNIOR, 2012). As células fotovoltaicas (FV) geralmente são agrupadas em um painel para facilitar seu uso. Um sistema FV consiste em um ou mais painéis FV, os quais convertem a luz do sol diretamente em eletricidade, e uma diversidade de outros componentes do sistema, que podem incluir um inversor CA/CC, uma fonte de energia de emergência, uma bateria para armazenar a eletricidade até que seja utilizada, um carregador de bateria, uma central de controle, estruturas de suporte e diversos fios e fusíveis (CORTESE, 2017). Mesmo nas nubladas latitudes do Norte, os painéis fotovoltaicos (FV) podem gerar energia suficiente para suprir total ou parcialmente a demanda de energia de uma edificação. A flexibilidade dos painéis FV possibilita seu uso em muitos produtos de edificações, como telhas solares, cortinas de vidro e painéis decorativos, os quais podem substituir diretamente materiais convencionais da pele da edificação. Esses