O AQUECIMENTO DE ÁGUA Á PARTIR DE ELETRICIDADE PRODUZIDA POR CÉLULAS FOTOVOLTAICAS.

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Ao final do trabalho, foi realizado um estudo de caso afim de estudar a viabilidade do uso de um sistema fotovoltaico para o aquecimento de água em uma residência unifamiliar.

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SISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA FOTOVOLTAICO.

Antes de ser tratado o assunto do aquecimento da agua é necessário entender o funcionamento do sistema fotovoltaico, seus princípios, como a luz solar deve ser incidida sobre ele e como armazenar a energia elétrica produzida pelo sistema.

A conversão de energia térmica fornecida pelo sol para energia elétrica depende da insolação, de acordo com Mogawer & Sousa (2004), no Brasil é em média de 6,5 a 7 horas diárias na região Centro-Sul. A utilização de geração fotovoltaica de energia elétrica no Brasil é mais utilizada nas regiões Norte e Nordeste em regiões isoladas sem alcance da rede elétrica convencional.

Algumas vantagens do sistema fotovoltaico além de ser uma fonte de energia renovável e limpa, sem produzir resíduos poluentes são a diminuição na conta de energia e a diminuição da demanda pela energia do sistema nacional, adiando assim,

a construção de novas barragens e usinas termelétricas e nucleares, que geram diversos impactos ambientais (NASCIMENTO, 2004).

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Sistema fotovoltaico

2.1.1 Princípio de funcionamento

O sistema fotovoltaico é um conjunto de várias células fotovoltaicas ligadas em sério e/ou paralelo, sendo estas os elementos fundamentais do sistema.

Um dos principais componentes das células fotovoltaicas são os semicondutores, na maioria das vezes constituído de silício, isso devido ao fato de a microeletrônica ter aperfeiçoado ao longo do século XX a tecnologia do silício, além da abundância desse material na natureza. O silício é tratado com outros elementos a fim de se conseguir obter polaridades opostas, visto que ele por si só é um mal condutor, este processo é denominado dopagem. Para se obter um material com elétrons livres de carga negativa (silício tipo N), o fósforo é um material que pode ser usado, e para um material de cargas positiva (silício tipo P), pode ser utilizado bóro (NASCIMENTO, 2004).

Ao serem unidos na região P-N, os elétrons livres do silício tipo N migram para os vazios do silício tipo P, formando assim um campo elétrico. Quando a luz solar incide sobre a célula fotovoltaica, ocorre um choque entre os fótons da luz e os elétrons da estrutura de silício, fornecendo-lhes energia e transformando-os em condutores, devido ao campo elétrico, os elétrons são orientados e saem da camada P e fluem para a camada N. Um condutor externo ligado as duas camadas (P e N) gera um fluxo de elétrons, a corrente elétrica contínua (CC), que varia proporcionalmente com a intensidade da luz que incide sobre a célula, fenômeno este chamado de efeito fotovoltaico. É importante ressaltar que em uma célula há apenas a geração de eletricidade, e não o armazenamento da mesma (NASCIMENTO, 2004), que será discutido mais adiante.

A figura 1 mostra de forma simplificada como é o funcionamento da célula fotovoltaica bem como a disposição das camadas de silício:

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Figura 1: Simplificação de uma célula fotovoltaica em funcionamento.

Fonte: Zilles; et al. (2012)

Para transformar a corrente elétrica de contínua para alternada usa-se um inversor solar ou ondulador, que é um equipamento eletrônico que converte a corrente elétrica contínua (CC) em alternada (sinal elétrico CA) no sistema fotovoltaico, é também no inversor que ocorre o monitoramento da quantidade de energia que é destinada ao uso, ou a rede elétrica convencional, devendo esse ter alto grau de eficiência.

Para que o sistema funcione com seu melhor potencial. É importante que os raios de sol incidam sobre as células de forma perpendicular na maior parte possível do período de sol, conforme o item 2. 2.

2.1.2 Colocação dos painéis fotovoltaicos

De toda a energia que o Sol transmite à Terra, segundo Tiradentes (2009) “apenas 23% vão efetivamente ser utilizados na geração de algum tipo de trabalho, atuando no clima, nos ventos, ondas, correntes e até no ciclo da água em todo o planeta”.

A radiação solar nunca vai ser captada de forma constante e homogênea, principalmente devido ao movimento de rotação da Terra, que proporciona a alternância entre dias e noites. Além disso, as variações climáticas oriundas da passagem das estações do ano, os períodos de maior nebulosidade ou dias chuvosos contribuem para a grande variação na intensidade da captação e isso sempre leva às dificuldades relativas ao dimensionamento do sistema mais apropriado de estocagem da energia resultante do processo de conversão. (NASCIMENTO, 2004, p.16).

Da energia recebida pelas células fotovoltaicas, boa parte acaba de dissipando não sendo possível aproveitar 100% da irradiação sobre as placas, para otimizar esse aproveitamento da melhor maneira possível, é necessário que os painéis sejam posicionados corretamente conforme a posição geográfica onde se pretende instalar o sistema.

Consideremos o Brasil, onde o sol está mais distante em junho, quando nasce ao norte do Leste e se põe ao norte do Oeste e em dezembro que nasce mais ao sul do Leste e se põe ao sul do Oeste ( figura 2), sendo assim, a posição ideal para instalação de sistemas fotovoltaicos no Brasil é sendo voltado para o norte, porem a angulação deve ser estudada para cada região em particular (ROAF; FUENTES; THOMAS-REES, 2014), vale lembrar que , para a instalação nos trópicos a posição do sol do inverno para o verão pode mudar do hemisfério norte para o sul.

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Figura 2: Representação da insolação conforme estação do ano no Brasil.

Fonte: Loschi (2016, p.51).

Conforme a potência que se deseja produzir, deve-se verificar a área disponível para a colocação dos painéis, verificando se não há incidência de sombras sobre as placas durante o dia, pois isso causaria queda ou falha na produção de energia,

Para melhor aproveitamento da energia, é necessário garantir que o painel fotovoltaico esteja totalmente