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O propósito desta situação de aprendizagem é aplicar parte dos conhecimentos adquiridos durante o curso técnico a partir da geração de energia elétrica a partir do sol. Foram pesquisadas técnicas e obtidos recursos materiais junto a unidade SENAI de Campo Mourão, assim como recebido sugestões e apoio técnico de professores e estudantes de outros cursos técnicos. Ao fim foi construído com PVC, LED, inversor, reguladores de tensão, baterias e ferragens um poste sustentável e de baixo custo aliment
Tipologia: Notas de estudo
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Compartilhado em 30/11/2017
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Trabalho de situação de aprendizagem apresentado ao SENAI, como um dos requisitos para a obtenção de conclusão de módulo. Orientador(a): Leandro Romero CAMPO MOURÃO 2017
Ao professor orientador, braço amigo de todas as etapas deste trabalho. A nossas famílias, pela confiança e motivação. Aos amigos e colegas, pela força e pela vibração em relação a esta jornada. Aos professores e colegas de curso, pois juntos trilhamos uma etapa importante de nossas vidas. Ao Felipe, aluno do curso técnico em eletrotécnico por construir um controlador de carga utilizado nesta situação de aprendizagem. A todos que, com boa intenção, colaboraram para a realização e finalização deste trabalho.
A proposta definida para execução da situação de aprendizagem foi a instalação de placas fotovoltaicas com geração de energia de forma isolada da rede de distribuição da concessionária COPEL (geração off grid ). Desafio : Desenvolver o projeto e executar o serviço. Resultados/ Entregas esperados: A partir dos recursos, instrumentos, especificações técnicas e legislação pertinente, você deverá elaborar e apresentar um relatório, contendo: Dimensionamento dos componentes utilizados; Especificação de equipamentos e ferramentas; Procedimentos de testes; Especificações da norma ABNT NBR 5410; Especificação da norma NR 10 – Segurança em Instalações e serviços de eletricidade.
3. JUSTIFICATIVA O futuro da humanidade depende de formas conscientes e sustentáveis de produzir e viver. Diante disso, o desenvolvimento de tecnologias envolvendo fontes renováveis ganha cada vez mais importância. O conceito de energia renovável está ligado a fontes naturais que se renovam/regeneram e não se esgotam. Outra característica importante é que geralmente causam pequenos impactos ao meio ambiente. São exemplos deste tipo de fonte as eólicas, solar, termal e hidráulica. Diante de tais desafios a proposta desta situação de aprendizagem é justamente a de colocar a teoria em prática. No Brasil o modo mais comum de geração distribuída é a advinda do Sol (fotovoltaica). Por esse motivo, a situação de aprendizagem proposta vai se ater a este modo de geração na modalidade Off Grid que será detalhada nas próximas páginas.
Com base em pesquisas bibliográficas e orientação prática em sala de aula foi elaborado e executado um projeto elétrico de geração distribuída off grid (desligado da rede da concessionária). A primeira parte do levantamento consistiu na escolha do local e posteriormente a elaboração da declaração de carga a ser utilizada na edificação. Inicialmente foi escolhido uma sala do colégio SESI/SENAI- Unidade de Campo Mourão, onde após levantamento de carga chegou-se a conclusão que a demanda necessária de energia para sustentar as atividades exercidas no local era de 300 W (Um televisor e iluminação interna). Posteriormente, houve mudança no projeto para algo mais simples de se demonstrar. Foi feito um suporte para duas placas fotovoltaicas de 50W (com bateria, inversor e controlador de carga) e um poste sustentável feito de PVC, placa solar, bateria, lâmpada e controlador de carga. O resultado desta etapa foi a elaboração da lista de materiais disposta na Tabela 1. Ao fim da execução, toda estrutura foi instalada ao lado do Bloco B6 do colégio SESI/SENAI – Unidade Campo Mourão conforme Figura 1. Figura 1 – Em destaque circulado em vermelho a localização do Bloco B6 do Colégio SESI/ SENAI- Campo Mourão. Foto: Google Maps, 2017
Elaborar e executar um projeto de geração fotovoltaica off grid (não ligado a rede de distribuição da concessionária de energia elétrica)
6. CRONOGRAMA Atividade desenvolvida Setembro 2017 Outubro 2017 Novembro 2017 Levantamento de referências X X X Revisão bibliográfica X X Pesquisa de campo/ Projeto X Execução do projeto X Análise dos dados X Conclusão e entrega **X
Figura 2 – Fontes renováveis e não renováveis. Disponível em: https://www. portalsolar .com.br/ o-que-e-energia-solar-.html. Acesso em: 01 nov. 2017 Neste contexto entram as fontes chamadas ‘renováveis’, que como o próprio nome indica, são fontes de energia que são capazes de se renovar em uma escala de tempo humana. Isso inclui a energia solar, calor geotérmica, energia eólica, energia das marés, energia hídrica (água), e várias formas de bioenergia (biomassa). Estas energias renováveis não podem ser esgotadas e são constantemente renovadas. A tabela abaixo mostra resumidamente as fontes renováveis. Tabela 2 – Fontes de energia renovável Tipo Características Solar Proveniente do Sol Vantagens: baixo custo de manutenção dos equipamentos e baixíssimo impacto ao meio ambiente. Desvantagens: alto custo dos equipamentos e geração de energia somente quando há luz solar. Eólica Proveniente dos ventos. Vantagens: baixíssimo impacto ambiental e geração de poucos resíduos. Desvantagens: a estrutura para geração de energia eólica deve ser instalada em locais amplos e com boa incidência de ventos Hidráulica Proveniente dos rios Vantagens: não ocorre poluição da água, baixíssima emissão de gases do efeito estufa. Desvantagens: a construção de uma usina hidrelétrica gera alto impacto ambiental, alagando regiões e fazendo com que haja deslocamento da
Apesar da redução aparente do uso de fontes não renováveis ela ainda representa mais da metade do consumo mundial. O maior desafio é a redução do uso de combustíveis fósseis no setor de transporte e aquecimento. No caso brasileiro, no entanto, a realidade é totalmente diferente. Um dos pontos que favorece esse desenvolvimento é a abundância de recursos naturais tais como os rios, ventos e luz solar entre vários outros. Grande parte da matriz energética brasileira é renovável (mais de 40%). Quando levado em consideração somente a geração de eletricidade chega-se a quase 70%, principalmente devido às hidrelétricas. Apesar disso, tem muito ainda para ser desenvolvido, principalmente no desenvolvimento de tecnologias nacionais de qualidade que auxiliem no melhor aproveitamento destes recursos. 7.1 Energia solar Energia solar é a energia proveniente da luz e do calor do Sol que é aproveitada e utilizada por meio de diferentes tecnologias, principalmente como o aquecimento solar, energia solar fotovoltaica, energia heliotérmica e arquitetura solar. A energia solar é considerada uma fonte de energia renovável e sustentável. Os dois tipos mais comuns de geração a partir do Sol são a solar térmica e a fotovoltaica: Solar térmica: São sistemas de energia renovável que convertem o calor da luz solar em energia térmica. A maioria dos sistemas solares térmicos utilizam a energia solar para aquecimento de água (como o aquecedor solar). No entanto, esta energia limpa e sustentável pode ser utilizada para acionar um ciclo de refrigeração para proporcionar arrefecimento. O calor também pode ser utilizado para produzir vapor, que pode então ser utilizado para gerar energia elétrica utilizando turbinas. Fotovoltaica: A energia solar fotovoltaica, fonte de energia renovável, converte a luz solar diretamente em eletricidade usando células fotovoltaicas. Sistemas fotovoltaicos podem ser instalados em telhados para produzir a energia para o auto consumo, em regiões isoladas e até mesmo em veículos elétricos como barcos e carros movidos a
energia solar. A energia solar fotovoltaica também é utilizada em grandes centrais fotovoltaicas para gerar energia limpa para milhares de consumidores. Em 2017 estima-se que a geração solar represente 2% da geração na matriz energética brasileira segundo o pesquisador José Goldemberg em entrevista recente ao Jornal da USP. No caso específico desta situação de aprendizagem optou-se pelo segundo modelo (fotovoltaico), por ser o mais popularizado no estado do Paraná. Em ambos os casos as principais vantagens estão relacionadas à preservação do meio ambiente (redução da dependência de combustíveis fósseis) e economia principalmente no longo prazo (geração distribuída com consequente redução da conta de energia elétrica). Nos próximos tópicos serão detalhados os componentes de um sistema fotovoltaico no sistema on grid e off grid 7.1.1 Energia solar On Grid e Off Grid Existem dois tipos básicos de sistemas fotovoltaicos: sistemas conectados à rede ( On Grid ) e sistemas isolados ( Off Grid ). Os sistemas On Grid são conectados à rede elétrica, por isso, sempre que houver excedente de energia gerada pela luz solar, a mesma é armazenada na rede elétrica, gerando descontos na sua conta independentemente do período do dia. Se a energia gerada não for suficiente, a rede elétrica compensa o que faltar. No fim das contas, você paga para a distribuidora a energia consumida da rede elétrica menos o que foi produzido por você (um sistema de compensação).
Figura 4. Geração off Grid. Disponível em: < https://www.enelsolucoes.com.br/ blog/2016/ /energia-solar-tipos-de-sistema-on-grid-e-off-grid/ > Acesso em 23 nov. 2017 São compostos por painéis solares, cabos e estrutura de suporte, que compõem juntos o bloco de geração de energia; inversores e controladores de carga, que formam o bloco de condicionamento de potência; e as baterias. 7.1.2 Comparativo entre os sistemas off grid e um grid Os sistemas conectados têm uma grande vantagem com relação aos sistemas isolados por não utilizarem baterias e controladores de carga. Isso os torna cerca de 30% mais eficientes e também garante que toda a energia seja utilizada, ou localmente ou em outro ponto da rede. No entanto, em sistemas Off Grid , há o uso de baterias que podem armazenar o excedente energético. Porém, este sistema não é recomendável para áreas urbanas e, se o objetivo final é obter descontos na conta de energia, o sistema conectado à rede é mais indicado. 7.1.3 Componentes do Sistema de Geração Solar off Grid
7.1.3.1 Painel solar Quando for adquirir um painel devem ser considerados a garantia, suas funcionalidades, potência,qualidade, custo e coeficiente de temperatura. Tais itens impactam e/ou dão uma ideia da qualidade e durabilidade do painel fotovoltaico. Quase 80% dos painéis fotovoltaicos no mundo hoje são baseados em alguma variação de silício. O silício usado em painéis solares assume muitas formas. A principal diferença é a pureza dele.Quanto mais perfeitamente alinhadas estiverem as moléculas de silício, melhor a célula solar será na conversão de luz solar em energia elétrica. Figura 5. Placa solar. Disponível em: < https://www.portalsolar.com.br/tipos-de-painel-solar- fotovoltaico.html> Acesso em 20 nov. 2017 A eficiência de painéis solares “anda de mãos dadas” com a pureza do Silício (Si). Mas os processos utilizados para melhorar a pureza do silício e o tratamento dele são caros e impactam diretamente no preço do painel solar (45% do custo de um painel solar convencional de tecnologia de silício cristalino é o silício bruto purificado e tratado). Outro tipo de painel solar é a orgânica. Ela é um tipo de célula solar de polímero que usa a eletrônica orgânica, um ramo da eletrônica que lida com polímeros orgânicos condutores ou pequenas moléculas orgânicas, para absorção de luz e transporte de carga para a produção de eletricidade a partir da luz solar pelo efeito fotovoltaico. Um terceiro modelo de painel que vem sendo usado no mundo para aplicações menores é o painel Solar de Silício Amorfo (a-Si). Muito utilizados para calculadoras de bolso vem sendo feitas pesquisas para torná-la mais eficientes para escalas maiores. 7.1.3.2 Inversor Solar
Caso seja off grid , procure escolher inversores homologados pelo Inmetro; Considere o grau de Proteção contra água e poeira (IP) do Inversor Solar: apresentado na norma NBR IEC 60529. Isso é muito importante se seu inversor solar for instalado em local aberto, existem diversos graus de proteção, o aconselhável, para locais abertos é a partir de IP 55; Eficiência do Inversor Solar: A eficiência do seu inversor é medida em %, indicando o quão eficiente este inversor é. A eficiência de um inversor solar para sistemas conectados a rede varia, sendo 94% a eficiência mínima aceitável. Quanto mais alta a eficiência do inversor solar melhor; Veja se tem conexão do Inversor Solar ao seu computador/ celular: Facilita o monitoramente e permite ver os resultados do uso do sistema de microgeração; Garantia do Inversor Solar: O mais importante é que este inversor solar tenha uma garantia nacional e que seja de uma empresa com reputação comprovada. Procure saber do seu instalador qual é o procedimento caso o Inversor Solar apresente algum problema; Inversor Solar com Duplo Rastreamento (Duel MPPT): O duplo rastreamento é como se existissem dois inversores solares dentro de um só, ele permite que você tenha no mesmo sistema painéis voltados para dois lados diferentes; 7.1.3.3 Controlador de carga É o responsável pela duração da vida útil dos bancos de baterias. A função do regulador de carga, é a de proteger as baterias de serem sobrecarregadas, ou descarregadas profundamente, e assim garantir, que toda a energia produzida pelos painéis fotovoltaicos seja armazenada com maior eficácia nas baterias. Os controladores de carga possuem uma série de dispositivos que informam permanentemente sobre o estado de carga do sistema e alertam o utilizador para
que este possa adaptar a instalação às suas necessidades particulares, aumentando assim o tempo de vida útil das baterias. Figura 7. Regulador de carga. Disponível em: https://www.portal-energia.com/controlador-carga- sistema-solar/ Acesso em: 25 nov. 2017 Os reguladores de carga, utilizam-se principalmente em sistemas isolados da rede, ou seja autônomos, compostos por módulos fotovoltaicos, ligados a um regulador, que por sua vez está ligado a baterias para alimentação. Os reguladores de carga devem ser selecionados tendo em atenção as características do sistema fotovoltaico utilizado e as características de tensão e corrente envolvidas no sistema solar fotovoltaico. 7.1.3.4 Banco de baterias Usado em sistemas de geração off grid , os bancos de baterias devem ser dimensionados considerando o tempo em que o (s) equipamento (s) elétrico (s) será (ão) operado (s) sem que existe geração (períodos sem sol). Com base no consumo diário pode-se dimensionar então o banco de baterias de acordo com a quantidade de dias em que o sistema continuará operando mesmo sem sol ( dias de back up ). Por exemplo, se desejarmos 2 dias de back-up, fazemos da seguinte forma: Primeiro encontramos a quantidade do fluxo de corrente diário, dividindo o consumo de energia diário pela tensão do banco de baterias, neste caso 12Vcc, que resulta em 391Ah/dia. Em seguida multiplica-se o fluxo de corrente pela quantidade de dias de back-up, de 2 dias, que resulta em 782Ah. Para manter a vida útil das baterias, conforme indicação do fabricante, considera-se o limite de descarga máxima de até 70% da carga da bateria. Então, tomamos a capacidade de fluxo corrente necessária e dividimos por 70% para encontrar a capacidade nominal do banco de baterias necessário.
