Trabalho Usinas Fotovoltaicas Flutuantes

1. (*)Av. Des. Armando de Sales Louzada, s/n, CEP 62.580-000 – Monsenhor José Edson Magalhães – Acaraú,
Ce. Tel: (+55 88) 3661-1682. Email: elimonsac@hotmail.com
XXII SNPTEE
SEMINÁRIO NACIONAL
DE PRODUÇÃO E
TRANSMISSÃO DE
ENERGIA ELÉTRICA
AB/XXX/YY
13 a 16 de Outubro de 2013
Brasília - DF
GRUPO -2
GRUPO DE ESTUDO DE PRODUÇÃO TÉRMICA E FONTES NÃO CONVENCIONAIS- GPT
UTILIZAÇÃO DE AÇUDES NO NORDESTE BRASILEIRO PARA A IMPLANTAÇÃO DE CENTRAIS
FOTOVOLTAICAS
Elissandro M. do Sacramento(*) Ronne M. da C. Correia Paulo C. M. Carvalho J. C. de Araújo
IFCE UFC UFC UFC
RESUMO
O presente estudo analisa o potencial de utilização de reservatórios no semiárido brasileiro para a instalação de
plantas fotovoltaicas (FV) em duas configurações: painéis flutuantes e imersos em água. Os reservatórios
escolhidos para este cenário foram os açudes Castanhão, Orós e Pentecoste, localizados no estado do Ceará
(potencial anual de energia solar incidente de cerca de 2.000 kWh/m2
). Modelos matemáticos, descrito neste
trabalho, foram utilizados como objeto de simulação.
PALAVRAS-CHAVE
Plantas fotovoltaicas, Reservatórios de água, Eficiência de conversão.
1.0 - INTRODUÇÃO
Por décadas, o Brasil tem dado prioridade às hidroelétricas de grande porte como a base da matriz de
geração de eletricidade nacional. A estrutura de geração brasileira no final de 2011 aponta que a maior fração
pertence às hidroelétricas de grande e médio porte (cerca de 67% da geração total) [ANEEL, 2012], dando ao
país posições de liderança no tocante ao uso de fontes renováveis de energia. Apesar da participação
significativa, a parcela proporcional de tais hidroelétricas na estrutura de geração de eletricidade brasileira está
diminuindo lentamente nos últimos anos. Na prática, não há mais potencial significativo para novas
hidroelétricas. Apesar de um grande potencial teórico existir na região Norte (bacia Amazônica), o uso é muito
polêmico por razões ecológicas.
Nos últimos anos, o governo brasileiro está desenvolvendo políticas para diversificar a matriz de geração
de eletricidade do país; uma das estratégias foi o chamado “Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de
Energia (PROINFA), um programa governamental visando promover o uso da energia eólica, da biomassa e
de pequenas centrais hidroelétricas. O sucesso foi obtido principalmente no setor eólico: final de 2002 os
parques eólicos brasileiros apresentavam uma potência nominal de 22 MW, com uma fração insignificante de
0,03% da potência total do país; final de 2011, o setor eólico apresenta uma potência nominal de 1.543 MW e
uma participação de 1,3%, de acordo com a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL). Plantas
fotovoltaicas (FV) não foram incluídas no PROINFA.
Assim, as políticas e incentivos governamentais podem ser considerados não satisfatórios em relação à
energia solar, principalmente no caso de plantas FV. O país tem uma irradiação solar anual elevada com uma
variação sazonal e interanual baixa devido à localização em uma região tropical. Estas características são
confirmadas pelas avaliações da energia solar para o território brasileiro: Atlas brasileiro para energia solar
(2006), Atlas solarimétrico brasileiro (2000) e Atlas de radiação solar do Brasil (1998) [Martins & Pereira, 2011].

2. 2
Adicionalmente a esta motivação, hidroelétricas brasileiras têm regimes sazonais quase que similares:
elevadas vazões em dezembro – abril (estação chuvosa) e baixos níveis de reservatório em julho – outubro
(estação seca). O recurso solar se comporta de forma complementar aos regimes hídricos sazonais: os mais
baixos níveis de irradiação são encontrados durante os meses de chuva devido à maior cobertura de nuvens;
assim, plantas solares (FV e térmicas) conectadas à rede podem poupar água dos reservatórios durante os
críticos meses secos. Figura 1 apresenta níveis de irradiação solar diário (valores mínimos, médios e
máximos) medidos em Fortaleza, Brasil, para o período de abril de 2003 – março 2004.
FIGURA 1 - Níveis de irradiação solar diário (valores mínimos, médios e máximos) medidos em
Fortaleza.
Energia solar para aquecimento de água é de longe o uso mais difundido do recurso solar no país, com
uma indústria de aquecimento solar local bem desenvolvida. De acordo com a Associação Solar Térmica
Brasileira (DASOL), a área de coletores instalada no país alcançou mais de 6 milhões de m2
e um número de
cerca de 1.000 empresas estão ativas na fabricação e instalação de tais sistemas [Bathke, 2011].
O primeiro uso registrado do uso de sistemas FV no modo autônomo no Brasil data dos anos 1980. Desde
então, o programa mais importante de eletrificação rural no país usando sistemas de energia renováveis foi o
chamado “Programa de Desenvolvimento Energético de Estados e Municípios” (PRODEEM), que iniciou
operação em 1994. O objetivo deste projeto foi abastecer de eletricidade uma população de cerca de 3,72
milhões de pessoas, vivendo em comunidades rurais e remotas, não conectadas à rede. A atividade foi
conduzida por um período de quatro anos [Borges Neto et al, 2010].
Desde 2004 o PRODEEM foi integrado em outro programa de eletrificação governamental, “Luz para
Todos” (LPT). Este é um programa maior que tem dado prioridade para a extensão da rede elétrica para o
abastecimento de eletricidade de comunidades rurais, mas em alguns casos específicos a energia elétrica
pode ser fornecida por fontes renováveis de energia no modo autônomo.
Recentemente, algumas iniciativas indicam que o sol começa a brilhar para plantas FV conectadas à rede
no Brasil. 2011 iniciou a operação a maior unidade FV conectada à rede no país, instalada em uma área rural
do estado do Ceará, com uma potência nominal de 1 MWp, obtida por 4.680 módulos FV em um área de cerca
12.000 m2
. A unidade está projetada para uma potência final de 50 MWp [MPX, 2013].
2012 foi um ano importante na área da regulamentação. A resolução 482 da ANEEL, publicada em abril de
2012, fornece as condições gerais para o acesso da micro-geração (até 100 kW) e da mini-geração (de 100
kW a 1 MW) à rede de distribuição. A 482 considera as fontes hidro, solar, eólica, biomassa ou cogeração
como fontes de eletricidade para alimentar a rede. Com tais iniciativas, um cenário otimista para unidades FV
conectadas à rede no Brasil parece finalmente se tornar realidade.
2.0 - CONTEXTUALIZAÇÃO DOS RESERVATÓRIOS DE ÁGUA NO CEARÁ
O comportamento hidrológico do nordeste brasileiro (NEB), particularmente de sua região semiárida (1 milhão de
km² e mais de 25 milhões de habitantes), é marcado pela escassez de água subterrânea e superficial, sendo esta
extremamente escassa nas frequentes secas. Devido às suas características hidrológicas predominantes – solos
rasos e deficit hídrico para a atmosfera – quase todos seus rios são efêmeros ou intermitentes, sendo o Jaguaribe
(bacia de 75 mil km²) seu mais emblemático exemplo. Historicamente, a política de convivência com a região
semiárida tem sido a construção de barragens [Aragão Araújo, 1990], atualmente responsável, por exemplo, por
90% do abastecimento no estado do Ceará. De acordo com Araújo e Piedra (2009), uma bacia tropical úmida tem

3. 3
14 vezes mais água disponível que uma bacia tropical semiárida sob as mesmas condições (evaporação,
temperatura, tamanho, geologia), à exceção da chuva.
Além de uma robusta rede de médios e grandes reservatórios, o semiárido conta com cerca de uma centena de
milhares de pequenos reservatórios superficiais, cujo impacto sobre a disponibilidade hídrica vem sendo foco de
diversas pesquisas [Mamede et al., 2012; Alexandre, 2012; Silva et al., 2011; Lima Neto et al., 2011; Krol et al.,
2011; Peter, 2011; Araújo et al., 2010; Malveira, 2009; Wiegand, 2009; Araújo e Medeiros, no prelo; entre outras].
Dessas investigações, ficou evidenciada a importância dos pequenos açudes na oferta hídrica em anos úmidos ou
normais. Em anos secos, entretanto, tais reservatórios têm efeito bastante limitado, secando geralmente no início
da estação de estio. Em anos normais, essa rede de pequenas obras reduz significativamente o risco de
inundações. Do ponto de vista de sedimentos, os pequenos e médios reservatórios retêm uma quantidade
considerável (cerca de 50% da produção média), reduzindo o assoreamento dos reservatórios estratégicos e,
portanto, aumentando sua vida útil (ver, em Araújo et al., 2006, demonstração do impacto do assoreamento sobre a
disponibilidade hídrica em grandes reservatórios).
Investigações continuadas da rede de açudes no NEB têm demonstrado a vulnerabilidade dos reservatórios –
particularmente aqueles com volume inferior a 10 hm³ - às secas [Alexandre, 2012; Silva et al., 2011]. A análise de
doze açudes localizados em Madalena, Sertão Central do Ceará [Araújo et al., 2012], com volumes máximos
variando de 100 mil a 16 milhões de m³, demonstrou que todos os reservatórios secaram ao final de um ano de
seca (2012), exceto o Açude Marengo (16 hm³). Entre os reservatórios que secaram está o ‘Paus Branco’, de
quase 6 milhões de m³, incapaz de abastecer sequer o gado no início de 2013. Para o abastecimento das
populações nos sertões do NEB em anos de estio, portanto, restam somente os açudes com capacidade entre 20 e
50 hm³. Açudes maiores que estes têm tido como alvo os grandes aglomerados urbanos, os projetos de irrigação e
as indústrias, não a população difusa.
Com base nessas análises, é possível compreender que os únicos reservatórios do NEB que eventualmente se
prestariam para geração de eletricidade via plantas FV seriam os de grande porte (maiores que 50 hm³), desde que
cientificamente comprovado que a imersão dos equipamentos não trazem riscos à qualidade de água. De fato,
vários autores [Andrade et al., 2008; Figueiredo et al., 2007; Feitosa, 2011; Alexandre, 2012, entre outros] têm
identificado a poluição das águas como um dos fatores mais severos de indisponibilidade hídrica no NEB. Nesse
sentido, há que se considerar que os grandes reservatórios do semiárido brasileiro (por exemplo, Castanhão, Orós,
Banabuiú, Araras e Pentecoste) terminam a estação seca anual com 45% - 60% de sua capacidade, o que
representa área inundada de 50% - 70% da bacia hidráulica. Em eventos de estio prolongados, mesmo os grandes
açudes podem acumular apenas 5% de sua capacidade, como no caso dos Açudes Orós (95 hm³) e Banabuiú (120
hm³) em janeiro de 2002.
3.0 – MODELO MATEMÁTICO
3.1. Utilização flutuante
Carvalho et al [2003] mostrou uma relação linear que descreve a temperatura do módulo FV:
sendo Tc a temperatura do módulo FV, Ta a temperatura ambiente, G a radiação solar e m um coeficiente linear,
que, a partir da análise de dados medidos, tem valor de 0,022 m²K/W.
Foram disponibilizados dados de radiação incidente num plano horizontal, bem como a temperatura
ambiente, nas regiões dos reservatórios em análise. De acordo com McKay [2013], a temperatura de um painel FV
flutuando em água (Tfl) é dada por:
sendo Tw a temperatura da água e α um coeficiente de condutividade térmica associado à transferência de calor do
painel com a água. O valor 0 significa que o painel não sofre uma troca térmica com o meio e o valor 1 indica que o
painel foi completamente resfriado pela água. Este modelo utiliza o valor proposto por McKay [2013], α = 0,9. A
energia elétrica gerada pelo painel FV flutuante (Eger) é calculada por:
sendo Pre a potência desenvolvida pelo painel FV nas condições de referência, Iinc e Ire as irradiâncias incidentes no
local e incidente nas condições de referência, respectivamente, β o coeficiente de temperatura para a potência
desenvolvida, Tre a temperatura nas condições de referência e t o passo de tempo considerado nos cálculos.
De acordo com McKay [2013], a utilização de painéis FV flutuantes reduz a evaporação da água do
reservatório em até 70%, importante benefício para o local simulado, na região semiárida brasileira.

4. 4
3.2. Utilização imersa
A outra configuração é imergir os painéis FV numa pequena lâmina d’água, de forma a aumentar a
eficiência de conversão. De Acordo com Krauter [2004], que utilizou um modelo ótico de três camadas, incluindo
múltiplas reflexões dentro e entre essas camadas, materiais com propriedades ideais a serem instalados na
interface com o vidro seriam aqueles cujo índice de refração aproxime-se do valor 1,33. Não há materiais sólidos
com essas características, apenas a água o possui, constituindo-se num meio ótico ideal para a redução de perdas
por reflexão.
Outro fator que colabora com o aumento na eficiência de conversão é a redução na temperatura do
módulo. Módulos imersos dissipam grande parte do calor gerado na água, mantendo-se resfriados num nível de
temperatura próximo à condição de teste padrão.
Lanzafame et al [2010] realizou experimentos com a imersão de painéis FV. Foi encontrado um aumento
médio de 15% na eficiência de conversão para uma profundidade de imersão de 4 cm. Esse valor foi utilizado nas
simulações para o presente estudo. Para operação em condições normais, foi calculada a eficiência de conversão
média para o módulo em análise (KD215GX-LFBS) e encontrado o valor de 14%. Com o incremento de 15% neste
valor, a eficiência de conversão média para o módulo imerso é de 16,1%.
4.0 – RESULTADOS DA SIMULAÇÃO
Os modelos utilizados no presente estudo proporcionaram as construções de gráficos que revelam os
benefícios técnicos devido à imersão e utilização flutuante de painéis FV em açudes do semiárido nordestino.
O estado do Ceará é caracterizado por ter um período chuvoso restrito, de três a quatro meses, ocorrendo
no primeiro semestre. Assim, foram escolhidos dois dias para representar o período chuvoso e o seco, um no mês
de março e outro no mês de setembro, respectivamente, para cada bacia utilizada.
As figuras 2, 3 e 4 mostram as temperaturas de funcionamento de um painel FV flutuante nas águas dos
açudes Castanhão, Orós e Pentecoste durante um dia de operação dos meses escolhidos, bem como de um painel
com as mesmas características em funcionamento fora d’água nas condições usuais de operação nas mesmas
regiões dos reservatórios.
FIGURA 2 – Temperaturas do painel FV flutuante e não flutuante no Açude Castanhão, CE.
FIGURA 3 – Temperaturas do painel FV flutuante e não flutuante no Açude Orós, CE.

5. 5
FIGURA 4 – Temperaturas do painel FV flutuante e não flutuante no Açude Pentecoste, CE.
A partir de análise dos gráficos, percebe-se uma redução na temperatura de funcionamento dos painéis
FV quando estão flutuantes, principalmente nos horários em que a intensidade de radiação solar incidente é maior.
Para esta mesma situação, percebe-se também uma redução na variação da temperatura ao longo do dia.
Como o comportamento da potência gerada é afetado pela variação de temperatura experimentada pelos
painéis, as figuras 5, 6 e 7 mostram os níveis de potência desenvolvidos pelo módulo FV flutuante e não flutuante
nas bacias hídricas utilizadas. Como esperado, os maiores níveis de potência são gerados nos horários de maior
incidência da radiação solar, entre 9 e 13 horas. A área sobre a curva destes gráficos mostra a energia diária
gerada pelo módulo.
FIGURA 5 – Potências geradas pelo painel FV flutuante e não flutuante no Açude Castanhão, CE.
FIGURA 6 – Potências geradas pelo painel FV flutuante e não flutuante no Açude Orós, CE.

6. 6
FIGURA 7 – Potências geradas pelo painel FV flutuante e não flutuante no Açude Pentecoste, CE.
As Figuras 8, 9 e 10 mostram as potências geradas de um painel FV imerso e não imerso nas águas dos
açudes Castanhão, Orós e Pentecoste.
FIGURA 8 – Potências geradas pelo painel FV imerso e não imerso no Açude Castanhão, CE.
FIGURA 9 – Potências geradas pelo painel FV imerso e não imerso no Açude Orós, CE.
FIGURA 10 – Potências geradas pelo painel FV imerso e não imerso no Açude Pentecoste, CE.
A partir de análises dos gráficos para a situação imersa, verifica-se um ganho na potência desenvolvida
pelo painel FV, gerando um aumento na energia elétrica diária entregue.

7. 7
5.0 - CONCLUSÃO
Os reservatórios de água no semiárido nordestino são locais inexplorados para geração de energia
elétrica via tecnologia FV. A climatização do painel FV nas situações flutuante e imersa gera ganhos na produção
de energia elétrica, principalmente nos horários de máxima radiação solar incidente. Em sistemas imersos, um
incremento na eficiência de conversão de 10-20% tem sido observado. Neste trabalho, foram trabalhados ganhos
de 15% na energia gerada pelo painel. Os valores atingidos dependem de algumas características meteorológicas
locais, como intensidade de radiação solar incidente e temperatura ambiente, bem como da profundidade de
imersão do módulo e o tipo de tecnologia utilizado na construção (módulos cristalinos possuem respostas
espectrais diferentes daquelas encontradas para módulos de silício amorfo).
Os ganhos médios na energia elétrica gerada ao ano devido à utilização de painéis FV flutuantes sobre
as águas dos reservatórios considerados neste estudo, em relação à utilização dos painéis em situações usuais
foram de 8,20% (Açude Castanhão), 8,10% (Açude Orós) e 6,40% (Açude Pentecoste).
Adicionalmente, painéis FV imersos em uma lâmina d’água não estão submetidos às condições
enfrentadas em situações usuais, não exigindo limpeza devido à poeira. Porém, é necessário observar as
características da água de imersão, pois pode conter particulados em suspensão que podem possivelmente alojar-
se sobre a parte superior do painel.
6.0 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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7.0 – DADOS BIOGRÁFICOS
Elissandro Monteiro do Sacramento. Nascido em Fortaleza-Ce, em 14 de Maio de 1978. Possui formação em
Eletrotécnica pelo Instituto Federal do Ceará, graduação em Licenciatura Plena em Física pela Universidade
Estadual do Ceará (2003), graduação em Engenharia Mecânica pela Universidade Federal do Ceará (2008),
mestrado em Ciências Físicas Aplicadas pela Universidade Estadual do Ceará (2007). Atualmente é aluno do
Doutorado em Engenharia Elétrica no Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Ceará,
desenvolvendo pesquisas na área de Energias Renováveis. Foi professor do Instituto Federal do Rio Grande do
Norte de 2009 à 2011, tendo trabalhado com física aplicada (energias renováveis). Desde 2011 é professor do
Instituto Federal do Ceará (IFCE) campus Acaraú.