Livro 201948460-metodos-de-dimensionamento-de-sistemas-fotovoltaicos

1ª edição - 2013
c
Métodos de dimensionamento
de sistemas fotovoltaicos:
Aplicações em dessalinização
Sandro Jucá
Paulo Carvalho

Métodos de dimensionamento
de sistemas fotovoltaicos:
Aplicações em dessalinização
Sandro Jucá
Paulo Carvalho
Duque de Caxias
2013
1ª edição

_______________________________________________________________________
Ficha Catalográfica
J919m Jucá, Sandro César Silveira; Carvalho, Paulo Cesar Marques de.
aaaMétodos de dimensionamento de sistemas fotovoltaicos: Aplicações em
dessalinização / Sandro César Silveira Jucá; Paulo Cesar Marques de Carvalho -
- Duque de Caxias, 2013.
AAA5,23 MB; il.; PDF
aaaISBN 978-85-66434-01-9
AAA1. Dimensionamento. 2. Fotovoltaico. 3. Eletrodiálise. I. Título. II. Jucá,
Sandro César Silveira. III. Carvalho, Paulo Cesar Marques de. IV. Título.
CDU 621.3
_______________________________________________________________________
sEste conteúdo pode ser publicado livremente, no todo ou em parte, em qualquer mídia,
eletrônica ou impressa, desde que:
bAtribuição. Você deve dar crédito, indicando o nome do autor e da Espaço Científico
Projetos Editoriais, bem como, o endereço eletrônico em que o livro está disponível para
download.
nUso Não-Comercial. Você não pode utilizar esta obra com finalidades comerciais.
Autores: Sandro César Silveira Jucá e Paulo Cesar Marques de Carvalho
Revisão: Verônica C. D. da Silva
Capa: Verano Costa Dutra / Imagens: Sandro César Silveira Jucá (Fotos tiradas em Münster/Alemanha)
Coordenador: Verano Costa Dutra
Editora: Monique Dias Rangel Dutra
Espaço Científico Livre Projetos Editoriais é o nome fantasia da Empresa Individual MONIQUE DIAS RANGEL
11616254700, CNPJ 16.802.945/0001-67, Duque de Caxias, RJ
espacocientificolivre@yahoo.com.br / http://issuu.com/espacocientificolivre
C 2013, Espaço Científico Livre Projetos Editoriais

Dedicamos este trabalho a Deus e às nossas famílias.
Agradecemos ao Departamento de Eng. Elétrica da UFC, ao
IFCE e ao DAAD (Serviço Alemão de Intercâmbio Acadêmico).

“Mais do que máquinas, precisamos de humanidade.
Mais do que inteligência, precisamos de afeição e doçura.
Sem essas virtudes, a vida será de violência e tudo será perdido.”
Charles Chaplin

RESUMO
presente publicação apresenta uma descrição de dimensionamento de
sistemas fotovoltaicos autônomos com três métodos distintos. Tendo
como base estes métodos, é disponibilizado um programa de
dimensionamento e análise econômica de uma planta de dessalinização de
água por eletrodiálise acionada por painéis fotovoltaicos com utilização de
baterias. A publicação enfatiza a combinação da capacidade de geração
elétrica proveniente da energia solar com o processo de dessalinização por
eletrodiálise devido ao menor consumo específico de energia para
concentrações de sais de até 5.000 ppm, com o intuito de contribuir para a
diminuição da problemática do suprimento de água potável. O programa
proposto de dimensionamento foi desenvolvido tendo como base operacional a
plataforma Excel®
e a interface Visual Basic®
, linguagens de amplo acesso com
o objetivo de facilitar, para o público em geral, a difusão dos conceitos de
sistemas fotovoltaicos autônomos e do processo de dessalinização de água por
eletrodiálise.
ABSTRACT
his work presents a sizing description of photovoltaic stand-alone systems
with three different methods, and starting from these, a proposed sizing
and economical analysis program of a water desalination plant for
electrodialysis powered by photovoltaic arrays with use of batteries. The work
emphasizes the combination of the electric generation capacity originating from
the available solar energy with the electrodialysis desalination process due to
smallest specific energy consumption for salts concentrations up to 5.000 ppm,
characterizing most of the brackish water wells of the area, with the intention of
contributing for the decrease of the drinking water supply problem. The
proposed sizing program was developed as operational base the platform
Excel®
and the Visual Basic®
interface that are wide access languages with the
objective of facilitating, for the public in general, the diffusion of the PV systems
and the water electrodialysis desalination concepts.
A
T

10
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO .......................................................................................................12
1.1. PLANO DO TRABALHO.....................................................................................13
2. CONVERSÃO SOLAR FOTOVOLTAICA ..............................................................15
2.1. EVOLUÇÃO HISTÓRICA....................................................................................15
2.2. A RADIAÇÃO SOLAR.........................................................................................16
2.3. O EFEITO FOTOVOLTAICO...............................................................................19
2.4. MEDIÇÕES DE RADIAÇÃO SOLAR ..................................................................21
3. MÓDULOS FOTOVOLTAICOS..............................................................................23
3.1. CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS DOS MÓDULOS ..........................................24
3.2. FATORES QUE AFETAM AS CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS DOS
MÓDULOS .................................................................................................................27
3.3. PRINCIPAIS TECNOLOGIAS DE FABRICAÇÃO DE MÓDULOS......................28
3.3.1. SILÍCIO MONOCRISTALINO ...........................................................................28
3.3.2. SILÍCIO POLICRISTALINO..............................................................................29
3.3.3. SILÍCIO AMORFO ............................................................................................30
3.3.4. CÉLULAS DE FILMES FINOS .........................................................................30
4. BATERIAS ELÉTRICAS ........................................................................................31
4.1. BATERIAS DE CHUMBO-ÁCIDO .......................................................................32
4.2. PROCESSO DE CARGA-DESCARGA ...............................................................33
4.3. TENSÃO DE SAÍDA............................................................................................36
4.4. AVALIAÇÃO DO ESTADO DE CARGA..............................................................37
4.5. TEMPERATURA DO ELETRÓLITO....................................................................37
4.6. NÚMERO DE CICLOS.........................................................................................38
4.7. ASPECTOS RELACIONADOS COM A VIDA ÚTIL DAS BATERIAS .................39
5. CONFIGURAÇÕES DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS........................................41
5.1. SISTEMAS FOTOVOLTAICOS AUTÔNOMOS ISOLADOS ...............................41
5.2. SISTEMAS FOTOVOLTAICOS AUTÔNOMOS HÍBRIDOS.................................42
5.3. SISTEMAS FOTOVOLTAICOS CONECTADOS À REDE...................................43
5.4. EXEMPLOS DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS AUTÔNOMOS NO NORDESTE
DO BRASIL................................................................................................................44
6. ELETRODIÁLISE COM ACIONAMENTO FOTOVOLTAICO .................................46
6.1. INTRODUÇÃO ....................................................................................................46
6.2. PROCESSO DE ELETRODIÁLISE .....................................................................47
6.3. ACIONAMENTO FOTOVOLTAICO.....................................................................49
6.4. EXPERIÊNCIAS MUNDIAIS DE ELETRODIÁLISE COM ACIONAMENTO
FOTOVOLTAICO .......................................................................................................49
7. DIMENSIONAMENTO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS AUTÔNOMOS............52
7.1. INTRODUÇÃO ....................................................................................................52
7.2. MÉTODO GTES ..................................................................................................53
7.2.1. DESCRIÇÃO DO CONSUMO DAS CARGAS ..................................................54
7.2.2. NÚMERO DE HORAS DE SOL PLENO E ÂNGULO DE INCLINAÇÃO DO
ARRANJO FV ............................................................................................................55
7.2.3. DIMENSIONAMENTO DO BANCO DE BATERIAS .........................................55
7.2.4. DIMENSIONAMENTO DO ARRANJO FV ........................................................56
7.2.5. ANÁLISE DO MÉTODO GTES ....................................................................57

11
7.3. MÉTODO GROUMPOS DE DIMENSIONAMENTO ÓTIMO PARA SISTEMAS FV
AUTÔNOMOS............................................................................................................58
7.3.1. DIMENSIONAMENTO DO ARRANJO FV E DO BANCO DE BATERIAS........58
7.3.2. ANÁLISE DO CUSTO DA INSTALAÇÃO ........................................................60
7.3.3. ANÁLISE DO MÉTODO GROUMPOS .............................................................63
7.4. MÉTODO LORENZO...........................................................................................64
7.4.3. ANÁLISE DO MÉTODO LORENZO .................................................................65
7.5. COMPARAÇÃO DOS MÉTODOS DE DIMENSIONAMENTO.............................68
8. MÉTODO DE DIMENSIONAMENTO PROPOSTO.................................................70
8.1. O PROGRAMA ELETRODIÁLISE FV.................................................................71
8.1.1. DESCRIÇÃO DO CONSUMO DA PLANTA DE ELETRODIÁLISE ..................71
8.1.2. NÚMERO DE HORAS DE SOL PLENO E ÂNGULO DE INCLINAÇÃO DO
ARRANJO FV ............................................................................................................72
8.2. ANÁLISE ECONÔMICA......................................................................................75
8.2.1. O CUSTO TOTAL DE VIDA ÚTIL (CT).............................................................75
8.2.2. O CUSTO TOTAL DE VIDA ÚTIL ANUALIZADO (CTA)..................................77
8.3. COMPARAÇÃO ENTRE OS CUSTOS DAS TECNOLOGIAS DE
ELETRODIÁLISE E OSMOSE REVERSA .................................................................77
9. CONCLUSÕES ......................................................................................................79
9.1. COMENTÁRIOS FINAIS .....................................................................................79
9.2. CONTRIBUIÇÕES DESTE TRABALHO .............................................................79
REFERÊNCIAS..........................................................................................................80

12
1. INTRODUÇÃO
1. INTRODUÇÃO
lém de ser o responsável pela existência da vida na Terra a energia solar está
sendo aproveitada de forma crescente para produção de energia elétrica
através de módulos fotovoltaicos.
Esta descoberta nunca foi tão importante quanto agora, quando se observa que a
exploração de fontes fósseis de energia como o petróleo além de contribuir para a
poluição, são recursos cada vez mais escassos.
Essa forma de conversão direta da energia solar disponível em eletricidade com o uso
de módulos fotovoltaicos está em ampla expansão devido à possibilidade de geração
descentralizada, o caráter modular e a facilidade na instalação e manutenção, unidas
à característica renovável e não poluidora da energia solar.
A região Nordeste apresenta os maiores índices de radiação solar do Brasil. Por outro
lado, existe no interior uma área muita seca e com escassez de abastecimento de
água que corresponde à 60% da superfície total da região, chamada de Polígono da
Seca. De acordo com estudos realizados pela Associação Brasileira de Águas
Subterrâneas (ABAS), pelo menos 19,5 bilhões de metros cúbicos de água poderiam
ser extraídos por ano do subsolo nordestino brasileiro sem o risco de esgotamento dos
mananciais. O potencial é 40 vezes maior que o explorado. Esta água, por ser salobra,
requer a utilização de processos de dessalinização para obtenção de água potável [1].
Para este projeto de dimensionamento de sistemas fotovoltaicos autônomos é
proposto um programa que utiliza como carga, visando de contribuir para a diminuição
da problemática do suprimento de água potável, a tecnologia de dessalinização por
Eletrodiálise que tem assumido uma importância crescente nos últimos anos devido o
menor consumo específico de energia para concentrações de sais até 5.000 ppm [2],
ocupando um espaço antes preenchido pelos processos de dessalinização baseados
em mudança de fase (processos térmicos).
A utilização de módulos fotovoltaicos para o acionamento de instalações de
eletrodiálise é viável principalmente devido ao uso direto da geração de corrente
contínua dos módulos pelo processo de dessalinização através do banco de baterias
não sendo necessária a aplicação de conversores.
O processo de eletrodiálise consiste basicamente na transferência de íons da água a
ser dessalinizada através de membranas de cátions e ânions para um fluxo de
concentrado ou de rejeito.
Através desta divisão, são originados dois fluxos:
Fluxo de água potável, com concentração de sal dentro dos limites para o
organismo humano;
Fluxo de concentrado, com a maior parte do sal presente na água original.
Esse sistema fotovoltaico, no qual a carga é uma planta de dessalinização por
eletrodiálise, denominado como sistema fotovoltaico autônomo, se bem dimensionado,
proporciona um serviço confiável de geração elétrica para regiões isoladas não
conectadas à rede. A figura 1.1 mostra um esquema básico de um sistema fotovoltaico
autônomo.
A

13
Figura 1.1 – Esquema básico de um sistema fotovoltaico autônomo
A finalidade deste trabalho é desenvolver uma ferramenta de dimensionamento de
sistemas fotovoltaicos autônomos com três métodos distintos, e a partir destes e para
as condições climáticas da região Nordeste do Brasil, um programa proposto de
dimensionamento e análise econômica de uma planta de dessalinização por
eletrodiálise acionada por painéis fotovoltaicos com utilização de baterias, visando
contribuir para o estudo e a pesquisa da exploração do potencial de energia solar da
região Nordeste através da conversão fotovoltaica, e para a diminuição da
problemática do abastecimento de água, abordando como carga do sistema o
processo de eletrodiálise, que apresenta o menor consumo específico de energia para
dessalinização de água salobra.
Este trabalho visa também auxiliar no planejamento de programas de dessalinização
que utilizem a tecnologia fotovoltaica, podendo ser utilizada também como um manual
de referência, de rápido acesso, voltado àqueles que desejem iniciar-se nesta área
temática ou que necessitem de informações específicas sobre o dimensionamento de
sistemas fotovoltaicos autônomos.
1.1. PLANO DO TRABALHO
1.1. PLANO DO TRABALHO
o capítulo 1 é feita uma introdução do trabalho desenvolvido e a descrição
sucinta dos capítulos que compõem o trabalho.
No capítulo 2 apresenta-se uma abordagem sobre a conversão solar fotovoltaica
através da evolução histórica, do efeito fotovoltaico e do estudo e medição estudo da
radiação solar.
No capítulo 3 é descrito um estudo sobre módulos fotovoltaicos apresentando as
características elétricas, fatores que afetam essas características, as principais
tecnologias de fabricação e a situação atual da produção mundial de módulos.
No capítulo 4 é descrito um estudo sobre as baterias elétricas com ênfase nas baterias
de chumbo-ácido que são as mais empregadas nos sistemas fotovoltaicos autônomos.
No capítulo 5 são apresentadas configurações de sistemas fotovoltaicos, distinguindo
a diferença entre autônomos e conectados à rede. São mostrados também nesse
capítulo, exemplos de sistemas fotovoltaicos autônomos no Nordeste do Brasil.
N

14
No capítulo 6 é feita uma análise da união das tecnologias de dessalinização por
eletrodiálise e fotovoltaica e a possível implementação no Nordeste do Brasil. Além
disso, são mostradas experiências adquiridas mundialmente no uso de instalações de
eletrodiálise acionadas por painéis fotovoltaicos.
No capítulo 7 são descritos três métodos distintos de dimensionamento de sistemas
fotovoltaicos autônomos com utilização de baterias.
No capítulo 8 propõe-se um método de dimensionamento e análise econômica de uma
instalação de eletrodiálise acionada por painéis fotovoltaicos com utilização de
baterias para as condições climáticas da região Nordeste do Brasil.
No capítulo 9 são apresentadas as conclusões finais, as contribuições deste trabalho e
sugestões para trabalhos futuros.

15
2. CONVERSÃO SOLAR FOTOVOLTAICA
2. CONVERSÃO SOLAR FOTOVOLTAICA
2.1. EVOLUÇÃO HISTÓRICA
2.1. EVOLUÇÃO HISTÓRICA
efeito fotovoltaico, que é a base da geração direta de eletricidade a partir da
energia solar, é conhecido desde 1839 através dos estudos realizados por
Edmund Becquerel. Naquele ano, Becquerel demonstrou a possibilidade de
conversão da radiação luminosa em energia elétrica, mediante a incidência de luz em
um eletrodo mergulhado em uma solução de eletrólito. Em 1873, Willoughby Smith
descobriu a fotocondutividade do selênio. Em 1887, na Inglaterra, W.G. Adams e R.E.
Day observaram que a exposição do selênio à radiação produzia uma corrente elétrica
[3]. Charles Fritz descreveu, em 1883, a primeira célula produzida a partir de pastilhas
de selênio, com eficiência de conversão de energia solar em elétrica em torno de 1%
[4].
No século passado se deram os maiores avanços da tecnologia fotovoltaica. Em 1918,
Czoschralski desenvolveu um monocristal a partir do silício fundido. Na década de 30,
os trabalhos de diversos pioneiros da física, como Lenge, Grondahl e Schotky,
apresentaram importantes contribuições para se obter uma clara compreensão do
efeito fotovoltaico em junção de estado sólido com óxido cuproso e selênio. Já na
década de 40, mais precisamente em 1941, Ohl obteve a primeira célula de silício
monocristalino. Somente em 1945 é que surgiu a célula de silício com características
semelhantes às encontradas hoje desenvolvidas a partir de trabalhos realizados nos
"Laboratórios da Bell Telephone" pelos pesquisadores Pearson, Fuller e Chapin, e
possuíam uma eficiência de cerca de 6%. Assim em 1949, Billing e Plessnar
pesquisaram sobre a eficiência de células de silício cristalino, ao mesmo tempo
Shokley divulgou a teoria da junção PN[3].
A partir da década de 50 foi desenvolvido pela primeira vez um processo de
purificação de monocristais de silício, que vinha sendo estudado desde o fim da
década de 40. Este processo, conhecido como processo Czochralski, é largamente
utilizado até hoje. No ano de 1958, começou a utilização de células fotovoltaicas nos
programas espaciais, esta aplicação teve tanto sucesso que se utiliza até hoje, na
maioria dos casos, desde 1960, a técnica da grade coletora e a da difusão da camada
N na atmosfera P2o5[3].
Entre os anos de 1961 e 1971, não foi observado qualquer progresso na tecnologia
das células. Nesse período, os esforços foram concentrados na redução de peso e
custos das células, bem como, na melhoria da resistência das células à radiação
existente no espaço. Em 1972, foi anunciado o desenvolvimento da "célula violeta",
com 15,2% de rendimento. Esse aumento de rendimento atribuiu-se à melhora na
resposta da célula na região azul do espectro, à diminuição da resistência interna e ao
aumento do processo de coleta dos portadores na célula. A geração fotovoltaica de
energia recebeu um grande impulso com a crise mundial de energia de 1973/1974. A
partir do fim da década de 70, a produção de células solares para uso terrestre
superou a produção para equipamentos espaciais, em aplicações como bombeamento
de água, irrigação, estações isoladas residenciais e de telecomunicações [3]. Esta
tendência crescente vem sendo acompanhada, até os dias atuais, por inovações como
o aumento da eficiência das células de silício, bem como uma significante redução nos
custos de produção dos módulos fotovoltaicos.
O

16
2.2. A RADIAÇÃO SOLAR
2.2. A RADIAÇÃO SOLAR
composição química do sol, com um diâmetro de 1.390.000 km, 108 vezes
maior que o da Terra (12.756 km) e com o volume 1.300.000 vezes maior, é
basicamente de 85% de hidrogênio, 14,8% de Hélio e 0,2% de outros elementos
[5].
A fonte de energia solar permaneceu como um enigma durante muito tempo. Embora
várias hipóteses tenham sido formuladas, nenhuma conseguia explicar de forma
satisfatória como o sol era capaz de liberar tanta energia durante tanto tempo. Hoje
em dia é aceita a hipótese de que esta energia provém da fusão de núcleos atômicos.
O processo mais frequente é a transformação de quatro núcleos do isótopo mais
comum de hidrogênio (H1
) em um núcleo do isótopo mais comum do hélio (He4
).
Ocorre, portanto, a transformação de quatro prótons em uma partícula de hélio
constituída por dois prótons e dois nêutrons. A massa da partícula α é menor que a
dos quatro prótons de hidrogênio de origem e a energia correspondente a esta
diferença de massa (Δm) é mostrada pela equação 2.1 divulgada pelo físico alemão
Albert Einstein (1879-1955).
2
'. cmE (2.1)
Onde ΔE é a energia proveniente da transformação de
hidrogênio em hélio e c’ é a velocidade da luz no vácuo (3 x 108
m/s).
Essa energia proveniente da transformação de hidrogênio em hélio torna-se uma
radiação eletromagnética, também chamada de radiação solar, que se propaga a uma
velocidade de 3 x 108
m/s até chegar a atmosfera, podendo-se observar aspectos
ondulatórios e corpusculares [5].
A massa de ar, AM, é definida como sendo o caminho percorrido pela radiação solar
desde a incidência na atmosfera até atingir a superfície terrestre como mostra a figura
2.1. Matematicamente, a massa de ar é definida da seguinte forma: AM = 1 / cos θz ,
onde θz é a distância angular entre o feixe solar e a vertical no local de incidência.
A

17
Figura 2.1 – Figura 3.2. Massa de ar que um feixe de radiação atravessa ao incidir na
superfície terrestre com um ângulo θz [6]
Quando o Sol está no zênite do local, o caminho ótico percorrido pela radiação dentro
da atmosfera terrestre é igual a l, ou seja, AM 1,0. AM igual a 1,0 não é sinônimo de
meio dia terrestre, pois o Sol, ao meio dia, não está necessariamente no zênite local. A
medida que cresce o ângulo entre o feixe solar e a vertical local (ângulo zenital - θz),
aumenta a massa de ar. Isto ocorre aproximadamente com a secante de θz, deste
modo, ao atingir aproximadamente 48º, a massa de ar é de 1,5 e com θz = 60º, a
massa de ar chega a 2,0.
De toda a radiação solar que chega às camadas superiores da atmosfera, apenas uma
fração atinge a superfície terrestre devido à reflexão e à absorção dos raios solares
pela atmosfera. Esta fração que atinge o solo é constituída por um componente direta
e por uma componente difusa, que é obtida através dos raios refratados pelas nuvens
e pela própria atmosfera.
Notadamente, se a superfície receptora estiver inclinada com relação à horizontal,
haverá uma terceira componente refletida pela superfície. O coeficiente de reflexão
destas superfícies é denominado de “albedo”. Dessa forma, a radiação global na
superfície terrestre é composta por uma componente direta, uma componente difusa e
uma componente refletida pela superfície.
A componente direta da radiação global e a posição relativa entre um plano qualquer
situado na superfície terrestre determina uma série de ângulos, que são:
A declinação, δ, é a posição angular do Sol, ao meio dia, em relação ao plano do
equador. Quando o Sol está ao norte do equador, a declinação é positiva, caso
contrário, negativa. -23,45º< δ < +23,45º.

18
A latitude, ø, é a distância angular medida sobre a superfície da Terra a partir do
equador até o ponto em questão. É considerada positiva no hemisfério norte e
negativa no hemisfério sul. –90º< ø < +90º.
A inclinação, β, de uma superfície é o ângulo entre o plano da superfície em questão e
a horizontal do local. 0 < β < 180º.
O ângulo azimutal, γ, é a distância angular entre a projeção da normal ao plano a
horizontal e o meridiano local. γ é igual a zero quando a superfície está voltada ara o
sul, negativa para leste e positiva para oeste. –180º< γ < +180º.
O ângulo de incidência, θ, é o ângulo entre o feixe da radiação direta que incide no
plano e a reta normal ao mesmo.
O ângulo zenital, θz, é o ângulo entre o feixe de radiação e a vertical do local. θz
coincide com θ quando o plano está na horizontal.
O ângulo horário
considerado negativo no período da manhã (Sol antes do meridiano local), e positivo
no período da tarde. Cada hora do dia corresponde a uma variação de 15º em ω.
A altura solar, hs, é o ângulo entre a radiação direta e o plano horizontal. É
numericamente igual a 90º- θz [6].
Em termos de comprimentos de onda ( ), a radiação solar ocupa a faixa espectral de
0,1 µm a 5 µm tendo uma máxima densidade espectral em 0,5 µm, que é a luz verde.
A figura 2.2 mostra comparativamente, os espectros de emissão de um corpo negro a
6.000 K, solar extraterrestre, AM 0, e na superfície terrestre, com AM 1,5.
Figura 2.2 – Distribuição espectral da radiação solar fora da atmosfera, AM 0 e na superfície
terrestre AM 1,5 com o espectro de emissão de um corpo negro a 6.000 K [7]
A energia solar incidente no meio material pode ser refletida, transmitida ou absorvida.
A parcela absorvida dá origem, conforme o meio material, aos processos de
fotoconversão e termoconversão.

19
A energia de qualquer tipo de radiação eletromagnética , como a luz, existe na forma
de porções discretas que são chamadas de quanta ou fótons. Podemos então,
caracterizar o espectro solar pelas energias dos fótons. Segundo a equação 2.2,
quanto menor for o comprimento de onda, maior é a energia de um fóton (EF) e vice-
versa.
'cP
EF (2.2)
Onde P representa a constante de Planck (6,6 x 10 –34
Js) [3].
Os fótons mais energéticos do espectro solar possuem cerca de 12,4 eV (0,1 µm),
enquanto que o pico de emissão está nos fótons com energia de 2,48 eV (0,5 µm).
As células fotovoltaicas de silício absorvem fótons com energia igual ou superior a
1,127 eV, correspondendo a comprimentos de onda de até 1,1 µm [7].
Portanto, fótons com comprimento de onda superior a 1,1 µm não são capazes de
gerar eletricidade, apenas aquecem as células. Comparando com a distribuição
espectral da radiação solar, figura 2.2, verifica-se que só por este motivo as células
solares mais comuns não são capazes de absorver cerca de 30% da energia solar que
incide sobre elas.
2.3. O EFEITO FOTOVOLTAICO
2.3. O EFEITO FOTOVOLTAICO
efeito fotovoltaico dá-se em materiais da natureza denominados
semicondutores que se caracterizam pela presença de uma banda de energia
onde é permitida a presença de elétrons (banda de valência) e de outra “vazia”
(banda de condução).
Os semicondutores são formados por elementos pertencentes ao grupo IV da tabela
periódica e o mais usado é o silício. Seus átomos caracterizam-se por possuírem
quatro elétrons na banda de valência que se ligam aos átomos vizinhos, formando
uma rede cristalina. Ao adicionarem-se átomos que pertencem ao grupo V da tabela
periódica com cinco elétrons de ligação, como o fósforo, haverá um elétron em
excesso que não poderá ser ligado à banda de valência e que ficará "livre",
fracamente ligado a seu átomo de origem. Isto faz com que, com pouca energia, este
elétron se libere, indo para a banda de condução. Diz-se, assim, que o fósforo é um
dopante doador de elétrons e denomina-se dopante N ou impureza N. A figura 2.3 já
ilustra um esquema simplificado de uma célula fotovoltaica (FV) e alguns fenômenos
que ocorrem quando a radiação solar incide sobre a célula.
O

20
Figura. 2.3 – Esquema simplificado de uma célula fotovoltaica [6]
Se, por outro lado, forem introduzidos átomos pertencentes ao grupo III da tabela
periódica com apenas três elétrons de ligação, como é o caso do boro, haverá falta de
um elétron para satisfazer as ligações com os átomos de silício da rede. Esta falta de
elétron é denominada lacuna e ocorre que, com pouca energia, um elétron de um local
vizinho pode passar a essa posição. Diz-se, portanto, que o boro é um aceitador de
elétrons ou um dopante P.
Se, partindo de um silício puro, forem introduzidos átomos de boro em uma metade e
de fósforo na outra, será formado o que se chama junção PN. O que ocorre nessa
junção é que elétrons livres do lado N passam ao lado P onde encontram as lacunas
que os capturam. Isto faz com que haja um acúmulo de elétrons no lado P, tornando-o
negativamente carregado e uma redução de elétrons do lado N, que o torna
eletricamente positivo. Essas cargas aprisionadas dão origem a um campo elétrico
permanente, também chamado de banda proibida, que dificulta a passagem de mais
elétrons do lado N para o lado P; o processo alcança um equilíbrio quando o campo
elétrico forma uma barreira capaz de barrar os elétrons livres remanescentes no lado
N. Este mesmo fenômeno acontece com os diodos quando se forma a camada de
depleção.
Se uma junção PN for exposta a fótons com energia maior que a da banda proibida,
ocorrerá a geração de pares elétrons-lacuna; se isto acontecer na região onde o
campo elétrico é diferente de zero, as cargas serão aceleradas, gerando assim, uma
corrente através da junção; esse deslocamento de cargas dá origem a uma diferença
de potencial nas extremidades do “bloco” de silício à qual se chama de Efeito
Fotovoltaico. Se as duas extremidades forem conectadas externamente por um fio,
haverá uma circulação de elétrons. Para cada elétron que deixa a célula fotovoltaica
há um outro que retorna da carga para substituí-lo.
A corrente elétrica produzida pelas células solares depende da intensidade da
radiação, da área iluminada e da temperatura. No entanto, não é todo espectro de luz
que ao incidir sobre uma célula fotovoltaica é absorvido e convertido em corrente útil,

21
como foi visto cerca de 30% do espectro, devido ao seu comprimento de onda ser
maior que 1,1 µm, não é capaz de excitar os elétrons de uma célula de silício.
Além disso, muitos fótons que são absorvidos disponibilizam energias maiores do que
o necessário para criar um par elétron-lacuna. O excesso de energia absorvida pelos
elétrons da célula fotovoltaica é convertido em calor. Por estas razões a eficiência
máxima da célula de silício alcançada em laboratório é em torno de 27% [6].
2.4. MEDIÇÕES DE RADIAÇÃO SOLAR
2.4. MEDIÇÕES DE RADIAÇÃO SOLAR
s principais fatores que influenciam nas características elétricas de um módulo
fotovoltaico são a radiação solar e a temperatura da célula, que se consegue
obter através da análise da temperatura ambiente. Com um histórico dessas
medições, pode-se viabilizar a instalações de sistemas fotovoltaicos em uma
determinada região garantindo o máximo aproveitamento ao longo do ano onde, as
variações da intensidade de radiação solar e temperatura sofrem significativas
alterações.
Os instrumentos solarimétricos medem a potência incidente por unidade de superfície.
São detectados comprimentos de onda compreendidos nos intervalos entre 0,3 e 0,4
μm, parte da região do ultravioleta, 0,4 a 0,7 μm, região do visível, e de 0,7 a 5 μm,
região do infravermelho. O sensor mais comum para medir a radiação solar global é o
piranômetro. Existem basicamente dois tipos utilizados que são os piranômetros
termoelétricos e os piranômetros fotovoltaicos.
O piranômetro termoelétrico caracteriza-se pelo uso de um sensor termopar que,
através expansão sofrida pela diferença de temperatura entre duas superfícies, uma
pintada de preto e outra pintada de branco igualmente iluminadas, provoca um
diferencial de potencial que ao ser convertido em W/m2
mostra o valor instantâneo da
radiação solar. A figura 2.4 mostra a seção transversal de um piranômetro
termoelétrico.
Figura 2.4 – Seção transversal de um piranômetro termoelétrico [8]
O

22
É mostrado, também na figura 2.2 do apêndice II, um piranômetro termoelétrico
instalado no teto do laboratório GPEC do Curso de Engenharia Elétrica da UFC.
Um outro modelo é o piranômetro fotovoltaico, que utiliza uma célula fotovoltaica de
silício monocristalino que ao ser iluminada gera uma corrente elétrica devido a fótons
com energia suficiente para serem absorvidos pelo material – efeito fotovoltaico. Esta
corrente, na condição de curto-circuito, é proporcional à intensidade da radiação solar
incidente em W/m2
.
Na figura 2.4 do apêndice II é mostrada uma foto de um piranômetro fotovoltaico
bifacial localizado do lado direito e do lado esquerdo, um piranômetro termoelétrico,
todos instalados no teto do laboratório GPEC do Curso de Engenharia Elétrica da
UFC.
No apêndice I são mostradas médias mensais dos valores de radiação solar e
temperatura ambiente em Fortaleza no ano de 2003.

23
3. MÓDULOS FOTOVOLTAICOS
3. MÓDULOS FOTOVOLTAICOS
evido à baixa tensão e corrente de saída em uma célula fotovoltaica e também
pelo fato de apresentarem espessura muito reduzida, necessitando proteção
contra esforços mecânicos e fatores ambientais, agrupam-se várias células
formando um módulo, para que se obtenham tensões úteis na prática. Denomina-se,
portanto, de módulo ou painel fotovoltaico, o menor conjunto ambientalmente
protegido de células interligadas com o objetivo de gerar energia elétrica em corrente
contínua, por sua vez o agrupamento desses módulos é chamado de arranjo
fotovoltaico. Ao conectar as células em paralelo mostrado na figura 3.1, somam-se as
correntes de cada módulo e a tensão do módulo é exatamente a tensão da célula. Já a
conexão de células em série provoca a soma da tensão de cada célula.
Os principais fatores que afetam na eficiência do módulo são a eficiência ótica da
cobertura frontal, à perda nas interligações elétricas das células e à incompatibilidade
das características elétricas das células, porque células de maior corrente e tensão
dissipam o excesso de potência nas células com potência inferior. Em consequência, a
eficiência global das células é reduzida.
Figura 3.1 – Conexão de células em série (Ns) e em paralelo (Np)
Quando uma célula fotovoltaica dentro de um módulo, por algum motivo, estiver
encoberta ou danificada, a potência de saída do módulo cairá drasticamente e, por
estar ligada em série, comprometerá todo o funcionamento das demais células no
módulo. Para que toda a corrente de um módulo não seja limitada por uma célula de
pior, usa-se geralmente um diodo de passagem ou de “bypass” mostrado na figura 3.2.
Esse diodo serve como um caminho alternativo para a corrente e limita a dissipação
de calor na célula defeituosa. Geralmente, o uso do diodo “bypass” é feito em
grupamentos de células, o que reduz o custo comparado ao de se conectar um diodo
em cada célula.
D

24
Figura 3.2 – Possíveis ligações para um diodo “bypass” entre células FV
Um outro problema comum, geralmente à noite, é quando surge uma corrente
negativa vindo do banco de baterias fluindo pelas células, ou seja, ao invés de gerar
corrente, o módulo passa a receber mais do que produz, dessa forma o banco de
baterias considera os módulos fotovoltaicos como carga e se descarrega lentamente.
Para evitar esses problemas, usa-se um diodo de bloqueio impedindo assim correntes
reversas que podem ocorrer caso o módulo seja ligado diretamente a um acumulador
ou bateria.
3.1. CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS DOS MÓDULOS
3.1. CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS DOS MÓDULOS
ormalmente, a potência dos módulos ou conjunto de células é fornecida pela
corrente de pico. Entretanto, esta opção não é suficiente para se fazer
comparações exatas entre diferentes tipos de módulos.
Em muitas aplicações o importante é o tempo que o módulo leva para carregar uma
bateria; e este depende da corrente de carregamento fornecida pelo módulo à bateria.
As principais características elétricas dos módulos fotovoltaicos:
Tensão de circuito aberto (Voc): é a diferença de potencial medida entre os terminais
positivo e negativo do módulo quando está submetida à radiação solar e sem
nenhuma carga acoplada para garantir que não haja circulação de corrente elétrica;
Corrente de Curto Circuito (Isc): é a corrente medida que circula de um terminal a
outro de um módulo estando sem nenhuma carga acoplada, exposto à luz solar e com
terminais curto-circuitados.
Quando uma carga é acoplada a um módulo as medidas de corrente e tensão podem
ser plotadas em um gráfico. De acordo com as mudanças das condições da carga,
novos valores de corrente e tensão são medidos. Unindo todos os pontos, gera-se
uma linha denominada de curva característica IxV mostrada na figura 3.3.
N

25
Figura 3.3 – Curva característica IxV de um módulo fotovoltaico [6]
Tensão e corrente de máxima potência (Vmp e Imp): Para cada ponto IxV, o produto
corrente-tensão representa a potência gerada para a condição de operação. A figura
3.4 mostra uma curva típica de potência versus tensão para uma célula fotovoltaica, e
consequentemente, para o módulo, e que existe somente uma tensão Vmp (e
correspondente corrente Imp) para a qual a potência máxima (Pm) pode ser extraída.
É importante salientar que não existe geração de potência para as condições de
circuito-aberto e curto-circuito, já que tensão ou corrente são zero, respectivamente
[4].
Figura 3.4 – Curva típica de potência versus tensão para uma célula fotovoltaica [6]

26
Ponto de Máxima potência (Pm): corresponde ao produto da tensão de máxima
potência (Vmp) e da corrente de máxima potência. Os valores de Pm, Vmp, Imp, Voc e
Isc são os parâmetros que especificam o produto sob dadas condições de radiação,
temperatura de operação e massa de ar.
A figura 3.5 mostra a curva característica IxV superposta à curva de potência para
análise parâmetros.
Nota-se, através da curva característica IxV, que o módulo se comporta como uma
fonte de corrente, com pouca variação de corrente, quando a tensão varia de zero até
o ponto de máxima potência, e que o módulo se comporta como uma fonte de tensão,
com pouca variação de tensão) entre o ponto de máxima potência e a tensão de
circuito aberto.
Figura 3.5 – Curva característica IxV superposta à curva de potência [6]
O fator de forma (FF) é uma grandeza que expressa o quanto a curva característica
IxV se aproxima de um retângulo. Quanto melhor a qualidade das células no módulo,
mais próxima da forma retangular será a curva IxV. A equação 4.1 apresenta a
definição do fator de forma:
VocIsc
Vmpp
FF
Im
(3.1)
A eficiência ( ) indica quanto da energia solar incidente no painel fotovoltaico é
transformada em energia elétrica:
IcA
VmppIm
(3.2)
Onde A à superfície do painel fotovoltaico e Ic corresponde à
radiação solar incidente.

27
3.2. FATORES QUE AFETAM AS CARACTERÍSTICAS
ELÉTRICAS DOS MÓDULOS
3.2. FATORES QUE AFETAM AS CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS DOS MÓDULOS
s principais fatores que influenciam nas características elétricas de um módulo
são a radiação solar e a temperatura das células. A corrente gerada nos
módulos aumenta linearmente com o aumento da radiação solar como mostra
a figura 3.6. Por outro lado, o aumento da temperatura na célula faz com que a
eficiência do módulo caia abaixando assim os pontos de máxima potência gerada. A
figura 3.7 mostra curvas IxV para diversas temperaturas e radiação solar em 100
W/m2
, mostrando a influência na eficiência quando se compara os “joelhos” das
curvas. Isto se deve ao fato de que a tensão diminui significativamente com o aumento
da temperatura enquanto que a corrente sofre uma elevação muito pequena, quase
que desprezível.
Figura 3.6 – Efeito causado pela variação de radiação solar na curva característica IxV [6]
Figura 3.7 – Efeito causado pela temperatura da célula na curva característica IxV (para 1000
W/m
2
) em um módulo fotovoltaico [6]
O

28
3.3. PRINCIPAIS TECNOLOGIAS DE FABRICAÇÃO DE
MÓDULOS
3.3. PRINCIPAIS TECNOLOGIAS DE FABRICAÇÃO DE MÓDULOS
silício é um elemento semicondutor muito abundante na Terra, por isso tem
incentivado a fabricação e o desenvolvimento de células fotovoltaicas podendo
ser constituídas de cristais monocristalinos, policristalinos ou de silício amorfo.
Como qualquer outra tecnologia, a fotovoltaica vem buscando melhorar a eficiência
das células associada a uma redução de custos.
As aplicações mais comuns que tem contribuído para o aumento dessas pesquisas no
setor são o uso espacial em espaçonaves e satélites, iluminação residencial,
bombeamento de água, conexão à rede para geração elétrica e, mais recentemente,
sistemas de dessalinização de água.
3.3.1. SILÍCIO MONOCRISTALINO
3.3.1. SILÍCIO MONOCRISTALINO
célula de silício monocristalino é historicamente a mais usada e comercializada
como conversor direto de energia solar em eletricidade e a tecnologia para sua
fabricação é um processo básico muito bem constituído. A fabricação da célula
de silício começa com a extração do cristal de dióxido de silício. Este material é
desoxidado em grandes fornos, purificado e solidificado. Este processo atinge um grau
de pureza em 98 e 99% o que é razoavelmente eficiente sob o ponto de vista
energético e custo. Este silício para funcionar como células fotovoltaicas necessita de
outros dispositivos semicondutores e de um grau de pureza maior devendo chegar na
faixa de 99,9999%. A figura 3.8 mostra uma célula de silício monocristalino.
Figura 3.8 – Célula de silício monocristalino [8]
Para se utilizar o silício na indústria eletrônica além do alto grau de pureza, o material
deve ter a estrutura monocristalina e baixa densidade de defeitos na rede. O processo
mais utilizado para se chegar as qualificações desejadas é chamado “processo
Czochralski”. O silício é fundido juntamente com uma pequena quantidade de dopante,
normalmente o boro que é do tipo P. Com um fragmento do cristal devidamente
orientado e sob rígido controle de temperatura, vai se extraindo do material fundido um
O
A

29
grande cilindro de silício monocristalino levemente dopado. Este cilindro obtido é
cortado em fatias finas de aproximadamente 300µm [8].
Após o corte e limpezas de impurezas das fatias, deve-se introduzir impurezas do tipo
N de forma a obter a junção. Este processo é feito através da difusão controlada onde
as fatias de silício são expostas a vapor de fósforo em um forno onde a temperatura
varia entre 800 a 1000 0
C.
Dentre as células fotovoltaicas que utilizam o silício como material base, as
monocristalinas são, em geral, as que apresentam as maiores eficiências. As
fotocélulas comerciais obtidas com o processo descrito atingem uma eficiência de até
12% podendo chegar em 16% em células feitas em laboratórios.
3.3.2. SILÍCIO POLICRISTALINO
3.3.2. SILÍCIO POLICRISTALINO
s células de silício policristalino são mais baratas que as de silício
monocristalino por exigirem um processo de preparação das células menos
rigoroso, ou seja, ao invés de formarem um único grande cristal é formado um
bloco composto de pequenos cristais. Devido a isso, a eficiência diminui em
comparação as células de silício monocristalino. A figura 3.9 mostra uma célula de
silício policristalino.
Figura 3.9 – Célula de silício policristalino [8]
O processo de pureza do silício utilizada na produção das células de silício
policristalino é similar ao processo do Si monocristalino, o que permite obtenção de
níveis de eficiência compatíveis.
As células podem ser preparadas pelo corte de um lingote, de fitas ou depositando um
filme num substrato, tanto por transporte de vapor como por imersão. Nestes dois
últimos casos, só o silício policristalino pode ser obtido. Cada técnica produz cristais
com características específicas, incluindo tamanho, morfologia e concentração de
impurezas. Ao longo dos anos, o processo de fabricação tem alcançado eficiência
máxima de 12,5% em escalas industriais.
A

30
3.3.3. SILÍCIO AMORFO
3.3.3. SILÍCIO AMORFO
ma célula de silício amorfo difere das demais estruturas cristalinas por
apresentar alto grau de desordem na estrutura dos átomos. A utilização de
silício amorfo para uso em fotocélulas tem mostrado grandes vantagens tanto
nas propriedades elétricas quanto no processo de fabricação. Por apresentar uma
absorção da radiação solar na faixa do visível e podendo ser fabricado mediante
deposição de diversos tipos de substratos, o silício amorfo vem se mostrando uma
forte tecnologia para sistemas fotovoltaicos de baixo custo. Mesmo apresentando um
custo reduzido na produção, o uso de silício amorfo apresenta duas desvantagens: a
primeira é a baixa eficiência de conversão comparada às células mono e policristalinas
de silício; em segundo, as células são afetadas por um processo de degradação logo
nos primeiros meses de operação, reduzindo assim a eficiência ao longo da vida útil.
Por outro lado, o silício amorfo apresenta vantagens como processo de fabricação
relativamente simples e barato, possibilidade de fabricação de células com grandes
áreas e baixo consumo de energia na produção que compensam as deficiências
citadas.
3.3.4. CÉLULAS DE FILMES FINOS
3.3.4. CÉLULAS DE FILMES FINOS
o intuito de descobrir formas alternativas de se fabricar células
fotovoltaicas, têm se realizado muitas pesquisas com células de filmes
finos. O objetivo geral é obter uma técnica através da qual seja possível
produzir células fotovoltaicas confiáveis, utilizando pouco material semicondutor,
resultando em custo mais baixo do produto e consequentemente da energia
gerada. A Figura 3.10 apresenta módulos de filme fino.
Figura 3.10 – Módulos de filme fino
Entre os materiais pesquisados, os mais difundidos são:
Telureto de Cádmio (CdTe);
Disseleneto de Cobre e Índio (CIS);
Silício amorfo hidrogenado (a-Si-H);
Arseneto de Gálio (GaAs).
U
N

31
4. BATERIAS ELÉTRICAS
4. BATERIAS ELÉTRICAS
onveniente fonte de eletricidade e uma eficiente forma de armazenamento de
energia elétrica, as baterias são essenciais para os sistemas autônomos de
geração com fontes renováveis (solar , eólico ou híbrido) que utilizam
armazenamento de energia elétrica. Por isso faz-se necessário o conhecimento das
limitações intrínsecas, para que haja correta instalação, prolongando a vida útil e
aumentando o grau de confiabilidade.
Quando uma bateria está conectada a um circuito elétrico, há uma corrente devido a
uma transformação eletroquímica que será abordada adiante, ou seja, há produção de
corrente contínua através da conversão de energia química em energia elétrica.
A célula eletroquímica é a unidade mais simples de operação de uma bateria. As
células eletroquímicas primárias compõem as baterias que não podem ser
recarregadas. Quando as células primárias descarregam-se completamente, a vida útil
termina e elas são inutilizadas. As baterias primárias são geralmente utilizadas como
fontes de energia de baixa potência, em aplicações tais como calculadoras, relógios e
aparelhos portáteis.
As células secundárias, que podem ser reutilizadas várias vezes, compõem as
baterias recarregáveis, comumente chamadas de baterias de armazenamento.
O número de tipos possíveis de baterias é muito grande (Ni-Fe, Ni-Zn, Zn-Cl, etc.).
Entretanto, a disponibilidade do mercado reduz a possibilidade de escolha dos tipos a
serem empregados. Dessa maneira, as baterias de chumbo-ácido e níquel-cádmio
tornaram-se algumas das poucas opções para os projetistas de sistemas autônomos.
O preço das últimas é, para a mesma quantidade de energia, da ordem de quatro a
cinco vezes superior ao das primeiras. Por esse motivo, a grande maioria dos
acumuladores de energia já instalados nos sistemas fotovoltaicos, eólicos ou híbridos,
são as baterias recarregáveis de chumbo-ácido [7].
Alguns conceitos referentes às baterias são básicos e importantes para o
entendimento do comportamento do sistema de armazenamento que adotaremos para
os sistemas estudados neste trabalho. Apresentamos a seguir, alguns conceitos
básicos.
Denomina-se capacidade nominal de uma bateria, CB, à quantidade de corrente,
medida em Ah, possível de ser extraída da bateria em um determinado período de
tempo. Esta grandeza é dependente da temperatura em que o processo ocorre, da
intensidade da corrente e do valor da tensão de corte estipulada. CB é definido como
a quantidade de energia possível de se retirar da bateria e costuma ser expresso em
Wh ou em Ah.
O estado de carga de uma bateria, SOC, é definido como a relação entre a
capacidade da bateria em um estado qualquer e a capacidade nominal desta. SOC
possui valores que variam entre 0 e 1, onde SOC = 1, significa que a bateria está
totalmente carregada enquanto que SOC = 0 totalmente descarregada.
A profundidade de descarga, DOD, indica, em termos percentuais, quanto pode ser
retirado da capacidade nominal a partir do estado de plena carga. Assim, SOC = 1 –
DOD. Por exemplo, a remoção de 25 Ah de uma bateria com capacidade nominal de
100 Ah provoca uma profundidade de descarga de 25%, resultando num estado de
carga de 75%.
C

32
Chama-se de regime ou taxa de descarga, a relação entre a capacidade nominal da
bateria e a corrente em que se realiza a descarga (ou carga), expresso normalmente
em horas. É representado na forma de um sub-índice ao lado do símbolo da corrente,
por exemplo: I20, representa um regime de descarga de 20 horas.
Na grande maioria das aplicações fotovoltaicas, os regimes de carga e descarga
oscilam entre I20 e I100, valores relativamente baixos. Portanto, o calor que a corrente
interna produz por efeito Joule no interior da bateria é pequeno. Com isto, a
temperatura interna das baterias é praticamente a mesma que a temperatura
ambiente.
O rendimento energético de uma bateria a um certo estado de carga é definido como a
relação entre a energia (Wh) extraída da bateria durante um processo de descarga e a
energia necessária para restabelecer a carga original.
4.1. BATERIAS DE CHUMBO-ÁCIDO
4.1. BATERIAS DE CHUMBO-ÁCIDO
primeira bateria de chumbo ácido foi construída por Planté, em 1859. Este tipo
de bateria é utilizado ainda hoje em algumas aplicações específicas, mas
devido às suas características construtivas e aos seus altos custos de produção
a sua gama de aplicação foi restrita.
Em 1881, Sellon introduziu algumas modificações no equipamento original,
aumentando a sua aplicabilidade e diminuindo os custos de fabricação. Assim, a
utilização deste tipo de bateria difundiu-se, sendo amplamente usada nos mais
variados tipos de aplicações [7].
Essencialmente, a bateria de chumbo ácido possui o anodo de dióxido de chumbo
(eletrodo positivo) e o catodo de chumbo poroso puro (eletrodo negativo). Como
eletrólito, é usado ácido sulfúrico dissolvido em água a 37%.
As reações químicas que ocorrem durante o funcionamento das baterias de chumbo-
ácido são as seguintes:
No anodo:
OHPbSOeHSOPbO aC
aDesc
24arg
arg2
42 224
(4.1)
No catodo:
ePbSOSOPb aC
aDesc
24arg
arg2
4 (4.2)
A reação global:
OHPbSOSOHPbOPb aC
aDesc
24arg
arg
422 222
(4.3)
Durante o processo de carga, uma corrente elétrica entra na bateria pelo anodo,
formando óxido de chumbo no anodo e chumbo puro no cátodo. Com isso, ácido
A

33
sulfúrico (H2SO4) é liberado na solução aquosa, denominada de eletrólito, aumentando
sua densidade. Já no processo de descarga, a corrente elétrica sai pelo anodo,
formando sulfato de chumbo nos dois eletrodos absorvendo o ácido sulfúrico do
eletrólito, diminuindo sua densidade.
Segundo as equações (4.1), (4.2) e (4.3) e a figura 4.1, nota-se que uma bateria está
carregada quando seu eletrodo negativo é composto, predominantemente, de chumbo
puro, enquanto que seu eletrodo positivo está constituído basicamente de dióxido de
chumbo. Por sua vez, neste estado de carga, a densidade do eletrólito é máxima, pois
a quantidade de ácido sulfúrico dissolvida no eletrólito é a maior possível. Neste caso,
a tensão nos pólos da bateria também é máxima, pois é diretamente proporcional à
quantidade de íons presentes no eletrólito ou, o que é a mesma coisa, à densidade
deste. Conhecendo estas características, podemos determinar o estado da carga de
uma bateria de forma bastante simples, medindo a tensão em seus pólos, ou a
densidade de seu eletrólito através de um densímetro.
Figura 4.1 – Estados de carga e descarga em uma bateria chumbo-ácido [7]
Na prática, para uma bateria de 12 V carregada com 6 elementos conectados em
série, a densidade do eletrólito varia entre 1,20 e 1,28 g/cm3
, os quais correspondem a
valores entre 2,04 e 2,12 V por elemento (ou célula), o que corresponde a tensões
entre 12,24 a 12,72 V nos pólos de uma bateria de 12V. Cada elemento é composto
basicamente por um eletrodo positivo e outro negativo, submersos em solução de
ácido e água (eletrólito). Pode-se dizer que uma bateria de chumbo ácido é constituída
por células conectados em série ou em paralelo, cada um com tensão nominal em
seus pólos de 2V.
4.2. PROCESSO DE CARGA-DESCARGA
4.2. PROCESSO DE CARGA-DESCARGA
tensão fornecida por uma bateria recarregável é contínua (CC). Para carregá-la
necessita-se de uma fonte de corrente contínua que deverá ser conectado com
a polaridade correta: positivo do gerador ao positivo da bateria e negativo do
gerador ao negativo da bateria. Para poder forçar uma corrente de carga, a tensão
deverá ser superior à da bateria.
A corrente de carga provoca reações químicas nos eletrodos, as quais continuam
desde que o gerador seja capaz de manter essa corrente. Se o gerador for
desconectado e uma carga elétrica conectada à bateria, circulará uma corrente
A

34
através desta, em direção oposta à de carga, provocando reações químicas nos
eletrodos que retornam o sistema à sua condição inicial.
Em principio, o ciclo de carga-descarga pode ser repetido indefinidamente. Na prática,
existem limitações para o seu número máximo uma vez que os eletrodos perdem parte
do material com cada descarga. As sucessivas descargas traduzem-se em uma
diminuição progressiva da capacidade da bateria, como consequência da perda de
material ativo dos eletrodos.
Na realidade, O sulfato de chumbo (PbSO4) é 150% mais volumoso que o dióxido de
chumbo (PbO2), e com relação ao chumbo (Pb) esta proporção aumenta para 300%.
Em consequência disso, durante o processo de descarga da bateria, a matéria ativa
aumenta de volume. Isto diminui sua porosidade, dificultando a passagem do eletrólito,
diminuindo a ocorrência das reações químicas. Além disso, fazem surgir tensões
mecânicas internas aos eletrodos, possibilitando que o material ativo desprenda-se e
caia.
O desprendimento do material ativo dos eletrodos afeta particularmente o pólo
positivo. Este desprendimento de material, além de constituir uma perda de matéria
ativa pode, ao acumular-se no fundo da bateria, causar um curto-circuito nas placas,
inutilizando-as. Para proteger as baterias que passam por frequentes processos de
carga e descarga costuma-se envolver os eletrodos positivos com material composto
de plástico ou fibra de vidro que permitem a passagem do eletrólito e sustentam
mecanicamente a matéria ativa.
Quando um tipo de energia é convertido em outro, a eficiência do processo nunca
alcança os 100%, tendo em vista que sempre existem perdas (calor). A dupla
conversão energética que ocorre dentro de uma bateria obedece a essa lei física.
Haverá, portanto, perdas de energia durante o processo de carga e ou de descarga.
Como o processo químico libera gases (hidrogênio e oxigênio) há necessidade que o
conjunto tenha aberturas de ventilação para o exterior, que permitam a eliminação
desses gases, restringindo ao máximo a possibilidade de um vazamento do eletrólito.
Além disso, a capacidade útil da bateria é inferior à capacidade teórica, porque a
matéria ativa da bateria não é completamente utilizada. Caso ocorram descargas
muito profundas e a bateria permaneça descarregada por um longo período de tempo,
o sulfato de chumbo formado nas placas dos eletrodos cristaliza-se irreversivelmente,
ou seja, ao alterar a polaridade da corrente, não é mais possível transformá-lo em
chumbo e ou em óxido de chumbo. Isto diminui a matéria ativa disponível, além de
obstruir os poros do eletrodo. Além disso, os cristais do sulfato são maus condutores
de corrente aumentando a resistência interna da bateria. Como consequência, a
bateria pode perder a capacidade de armazenar energia ou ser inutilizada. Quando
isto ocorre, é usual dizer que a bateria está sulfatada.
Três características definem uma bateria recarregável: a quantidade de energia que
ela pode armazenar, a máxima corrente de descarga e a profundidade de descarga a
que pode submeter-se.
A quantidade de energia que pode ser acumulada por uma bateria é dada pelo número
de watt-horas (Wh) da mesma. A capacidade (CB) de uma bateria submeter-se a um
dado regime de descarga é dada pelo número de ampères-horas (Ah).

35
O número de Ah de uma bateria é um valor que se obtém de um regime de descarga
especificado pelo fabricante. Para um tipo especial de baterias, o procedimento de
prova é padronizado pela indústria.
Uma bateria, inicialmente 100% carregada, é descarregada com corrente constante,
até que a energia na mesma se reduza a 20% de seu valor inicial. O valor dessa
corrente de descarga multiplicado pela duração do teste (20 horas é um valor típico) é
o valor em Ah dessa bateria.
Um exemplo prático serve para reforçar este conceito: se uma bateria solar tem uma
capacidade (CB) de 200 Ah para um tempo de descarga de 20 h, o valor da corrente
durante o teste é de 10 A.
Existe a tendência de estender esse conceito para correntes de descarga superiores
ao máximo determinado pelo método de teste (10 A neste exemplo). A bateria do
exemplo não pode entregar 200 A durante uma hora. O processo eletroquímico não
pode ser acelerado sem que a bateria incremente sua resistência interna de forma
significativa. Esse incremento diminui a tensão de saída, auto-limitando a capacidade
de suprir correntes elevadas na carga. Se a corrente de descarga for menor que a
especificada, por exemplo 5 A, a relação Ah será válida. A bateria de 200 Ah do
exemplo pode suprir esse valor de corrente por 40 horas. A figura 4.2 quantifica este
fenômeno, ilustrando a redução da capacidade da bateria com o aumento da corrente
de descarga.
Se a bateria solar do exemplo tem uma tensão nominal de 6 V, a quantidade de
energia que pode ser acumulada é de:
6 V x 200 Ah = 1.200 Wh (1,2 kWh)
Figura 4.2 – Variação da capacidade de uma bateria de chumbo ácido em função da corrente e
descarga a que esta é submetida [7]

36
4.3. TENSÃO DE SAÍDA
4.3. TENSÃO DE SAÍDA
tensão de saída de uma bateria de chumbo-ácido não permanece constante
durante a carga ou descarga. Duas variáveis determinam seu valor: o estado da
carga e a temperatura do eletrólito. As curvas das figuras 4.3 e 4.4 mostram
essas variações na tensão por elemento, tanto para o processo de carga quanto para
o de descarga. Os valores dados pelas curvas correspondem a tensão por elemento
de uma bateria de chumbo-ácido. Seis elementos em série correspondem a uma
bateria de 12 V. Se o banco de baterias tem um valor que é um múltiplo de 12 V, os
valores lidos deverão ser multiplicados por seis e pelo valor do múltiplo.
A figura 4.3 mostra o comportamento da tensão em função do tempo de carga nos
pólos da bateria, para processos de cargas a corrente e temperaturas constantes.
Note-se que existem duas regiões com comportamentos distintos. Na primeira, a
tensão cresce quase linearmente até valores próximos a 2,2 V. Nesta região, o
aumento da tensão traduz-se como um aumento do estado de carga da bateria, SOC.
Na segunda, o crescimento da tensão, também quase linear, é bem mais acentuado.
Nesta região, a bateria encontra-se em processo de sobrecarga, e o aumento da
tensão deve-se ao incremento da resistência interna da bateria.
Figura 4.3 – Evolução da tensão entre os terminais de uma bateria durante um processo de
carga a corrente constante, em função do tempo e regime de carga, para uma temperatura de
25
0
[7]
A diminuição da tensão nos pólos da bateria é mais acentuada quanto maior for a
intensidade da corrente de descarga. A figura 4.4 apresenta o comportamento da
tensão nos pólos da bateria em função do tempo transcorrido durante um processo de
descarga a corrente constante.
A

37
Figura 4.4 – Evolução da tensão entre os terminais de uma bateria durante um processo de
descarga a corrente constante [7]
4.4. AVALIAÇÃO DO ESTADO DE CARGA
4.4. AVALIAÇÃO DO ESTADO DE CARGA
valor da tensão de circuito aberto de uma bateria não representa uma boa
indicação do estado de carga ou da vida útil da mesma. Para que essa
medição tenha algum significado, a leitura deve ser precedida pela carga da
mesma, seguida de um período de inatividade de várias horas. O voltímetro deverá ser
capaz de ler com uma precisão de no mínimo duas casas decimais. A medição da
densidade do eletrólito constitui uma avaliação mais confiável, pois se mede um grupo
de células em separado. Diferenças significativas no valor da densidade entre um
grupo de células e as restantes dá uma indicação clara do envelhecimento da bateria.
Uma tensão que é importante é a de “final de descarga” para a bateria. Esse valor é
dado pelo fabricante, porém é sempre próximo aos 10,5 V, para uma bateria de
chumbo-ácido de 12V nominais, trabalhando a uma temperatura próxima de 25 °C.
4.5. TEMPERATURA DO ELETRÓLITO
4.5. TEMPERATURA DO ELETRÓLITO
congelamento do eletrólito é um problema que pode ocorrer quando a
temperatura do mesmo cai abaixo dos 0 °C e está relacionado com o estado de
carga da bateria. Quando a bateria está praticamente descarregada, a
quantidade de água na solução eletrolítica é maior, como indicado anteriormente. Ao
baixar a temperatura do eletrólito, existe a possibilidade de que a água se congele.
Quando isso ocorre, seu volume aumenta. A força dessa expansão pode danificar
tanto os eletrodos, quanto as células, ou até quebrar a caixa. O ácido do eletrólito atua
como anti-congelante, de maneira que é extremamente importante manter a carga das
baterias quando a temperatura de trabalho diminui. Uma bateria solar do tipo chumbo-
ácido, totalmente descarregada, congela em torno dos - 10 °C. Se ela estiver
totalmente carregada, o ponto de congelamento será de aproximadamente -58 °C
conforme Tabela 4.1.
O
O

38
Estado de carga (%)
Temperatura de Congelamento
do Eletrólito ( 0 C)
100 -58,0
75 -34,4
50 -20,0
25 -15,0
Descarregada -10,0
Tabela 4.1 – Ponto de congelamento de uma bateria de chumbo-ácido [10]
Visto que as baixas temperaturas causam tantos problemas, ocorre a tendência de
concluir que as temperaturas ambientes elevadas seriam ideais. A conclusão é
errônea, pois a maior atividade química se traduz em uma redução na vida útil de uma
bateria de chumbo-ácido, como mostrado na tabela 4.2.
Temperatura do Eletrólito (o
C) Redução da vida útil (%)
25 0
30 30
35 50
40 65
45 77
50 87
55 95
Tabela 4.2 – Redução da vida útil da bateria de chumbo-ácido com a temperatura [10]
4.6. NÚMERO DE CICLOS
4.6. NÚMERO DE CICLOS
enomina-se ciclo de um acumulador ao processo de carregar e descarregar. A
repetição sucessiva de ciclos é denominada de processo de ciclagem. Ao
descarregar repetidamente os acumuladores eletroquímicos, diminui-se,
progressivamente, a capacidade total destes. Isto ocorre porque, com o aumento de
volume dos eletrodos, originada pelas sucessivas recargas, criam-se tensões
mecânicas internas, fazendo com que o material ativo se desprenda e caia. Com isto,
perde-se este material e, consequentemente, a capacidade de acumular energia. Esta
perda na capacidade aumenta com o número de cargas e descargas e principalmente
com o aumento da profundidade de descarga adotada em cada ciclo.
Realizado um determinado número de ciclos, a capacidade da bateria diminui, de
forma a inviabilizar seu uso. Costuma-se assumir como limite de utilização da bateria
quando sua capacidade após os ciclos diminui para 80% da capacidade nominal. O
número de ciclos que uma bateria suporta até atingir sua capacidade final é
denominado vida útil da bateria.
A figura 4.5 mostra esquematicamente a dependência do número de ciclos que
suporta uma bateria com relação ao regime de descarga.
D

39
Figura 4.5 – Evolução da capacidade da bateria submetida ao processo de ciclagem, em
função do número de ciclos e da profundidade de descarga de 20% [7]
4.7. ASPECTOS RELACIONADOS COM A VIDA ÚTIL DAS
BATERIAS
4.7. ASPECTOS RELACIONADOS COM A VIDA ÚTIL DAS BATERIAS
GASEIFICAÇÃO
o se aproximar do final do processo de carga da bateria, começa a faltar matéria
ativa e parte da corrente de carga deixa de realizar a reação química e começa
a decompor a água do eletrólito em hidrogênio, H2, e oxigênio, O2. Este
fenômeno, denominado gaseificação, tem consequências positivas e negativas. Em
pequena escala, a gaseificação é responsável pela homogeneização do eletrólito,
ação particularmente importante para as baterias instaladas nos sistemas
fotovoltaicos. Em maior escala, com a decomposição da água do eletrólito e, se não
houver reposição, os eletrodos correm o risco de ficarem expostos. Fora da solução
eles podem sofrer danos irreversíveis. A gaseificação é também responsável pelo
aumento na resistência interna da bateria, dificultando a passagem da corrente e a
ocorrência das reações químicas.
Quando o processo de carga não é controlado, o excesso de oxigênio começa a
oxidar os suportes de chumbo (Pb) das células, podendo causar o rompimento dos
mesmos. Esse fenômeno é conhecido como a “morte súbita” da bateria, já que ocorre
sem dar aviso prévio.
A gaseificação excessiva arrasta parte do eletrólito, que é empurrado para fora da
bateria, através dos tampões de respiração. Esse material contem ácido sulfúrico, que
danifica os terminais de saída e diminuindo a quantidade de ácido dentro da bateria. O
processo de carga de uma bateria de chumbo-ácido deve minimizar a gaseificação do
eletrólito. Para uma bateria de chumbo-ácido de 12 V nominais, trabalhando próximo
dos 25 °C, uma tensão de carga de 14,28 V proporciona um nível tolerável de
gaseificação. Uma tensão mais elevada provoca um nível excessivo de gaseificação
[11].
A

40
SULFATAÇÃO
bserva-se que a descarga das baterias de chumbo-ácido causa a deposição de
sulfato de Pb em ambas as placas. Normalmente, essa deposição é constituída
por pequenos cristais, que se decompõem facilmente durante o processo de
carga. Quando a bateria é descarregada repetidas vezes abaixo do mínimo
especificado, e não totalmente recarregada, ou quando permanece descarregada por
um longo tempo, o tamanho dos cristais cresce, e só uma parte deles participa no
processo de carga. Isso se traduz em uma diminuição da superfície ativa do eletrodo,
diminuindo a capacidade de armazenamento. Esse fenômeno é conhecido como
sulfatacão da bateria. Em lugares onde os períodos nublados são de longa duração,
as baterias podem permanecer em estado de baixa carga por bastante tempo,
induzindo a sulfatação das placas. Uma carga com regime elevado de corrente pode
dissolver esta formação cristalina [11].
AUTO-DESCARGA
enomina-se de auto-descarga o processo natural de perda de carga que o
acumulador sofre.
Durante o processo de carga de uma bateria, parte do antimônio que compõe o
suporte das placas positivas se dissolve, depositando-se no chumbo poroso das
placas negativas. Caso o acumulador fique sem ser utilizado ou armazenado por um
certo período de tempo, o antimônio presente nas placas negativas exerce uma ação
eletroquímica local descarregando lentamente as mesmas.
Com o aumento da temperatura, em geral, responsável em estimular as reações
químicas, este processo é acelerado. Em ambientes quentes, a auto-descarga ocorre
mais intensamente, sendo aconselhável, portanto, armazenar os acumuladores em
ambientes de temperatura baixa [11].
O
D

41
5. CONFIGURAÇÕES DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS
5. CONFIGURAÇÕES DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS
e acordo com a localização e a disponibilidade dos recursos energéticos, os
sistemas fotovoltaicos podem ser classificados como autônomos ou conectados
à rede. Os sistemas fotovoltaicos autônomos, ou seja, não conectados à rede
elétrica, quando não se restringem somente à geração fotovoltaica são chamados de
autônomos híbridos, ou simplesmente, híbridos e quando puramente fotovoltaicos são
conhecidos como autônomos isolados, ou simplesmente, autônomos. Assim, segundo
a classificação das categorias, os sistemas fotovoltaicos são:
Autônomos: Isolados
Híbridos
Conectados à rede elétrica
5.1. SISTEMAS FOTOVOLTAICOS AUTÔNOMOS ISOLADOS
5.1. SISTEMAS FOTOVOLTAICOS AUTÔNOMOS ISOLADOS
istemas fotovoltaicos autônomos, em geral, necessitam de algum tipo de
armazenamento. A forma mais comum de armazenamento á a utilização de
baterias elétricas. Existem também outros tipos de armazenamento de energia
como no bombeamento de água, onde a água é armazenada em tanques elevados, a
energia solar será convertida em energia potencial gravitacional.
Em sistemas que necessitam de armazenamento de energia em baterias, usa-se um
dispositivo para controlar a carga e a descarga na bateria chamado de controlador de
carga, que tem como principal função não deixar que haja danos na bateria por
sobrecarga ou descarga profunda.
Para evitar que haja sobrecarga ou descarga profunda e garantir a vida útil do sistema
de armazenamento, em geral, é utilizado um controlador de carga. Este equipamento
é utilizado para proteger os acumuladores, cortando o abastecimento energético das
baterias quando o estado de carga das baterias (SOC) atinge 100%, ou
desconectando a carga dos acumuladores quando estes atingem a profundidade de
descarga máxima (PDMAX).
Para alimentação de equipamentos de corrente alternada (CA) é necessário um
inversor de corrente contínua (CC) em alternada, conhecido como inversor. Este
dispositivo geralmente incorpora um seguidor de ponto de máxima potência (MPPT)
necessário para otimização da potência final produzida.
A configuração dos sistemas fotovoltaicos autônomos isolados pode ser:
a) com carga CA e armazenamento;
b) com carga CA sem armazenamento;
c) com carga CC e armazenamento, e;
d) com carga CC sem armazenamento, como mostra a figura 5.1.
D
S

42
Figura 5.1 – Diagrama de sistemas fotovoltaicos autônomos em função da carga utilizada
5.2. SISTEMAS FOTOVOLTAICOS AUTÔNOMOS HÍBRIDOS
5.2. SISTEMAS FOTOVOLTAICOS AUTÔNOMOS HÍBRIDOS
istemas híbridos são aqueles que, desconectado da rede convencional,
apresenta várias formas de geração de energia como, por exemplo, turbinas
eólicas, geração diesel, módulos fotovoltaicos, entre outras. A utilização de
várias fontes torna-se complexo a otimização e o dimensionamento da geração de
energia elétrica.
A energia gerada por um sistema híbrido tem a forma “pulsante”, pois dependem de
fenômenos meteorológicos variáveis como a velocidade do vento e a radiação solar,
porém a carga necessita, geralmente, que o fornecimento de energia seja constante e
dentro de limites mínimos e máximos aceitáveis para a operação. Por isso, a energia
gerada é enviada para baterias, que além de armazenar, têm a função de fornecer, de
forma ininterrupta e dentro de uma faixa confiável, a energia para a carga. A figura 5.2
mostra um diagrama de sistemas fotovoltaicos híbridos em função da carga utilizada.
S

43
Figura 5.2 – Diagrama de sistemas fotovoltaicos híbridos em função da carga utilizada
5.3. SISTEMAS FOTOVOLTAICOS CONECTADOS À REDE
5.3. SISTEMAS FOTOVOLTAICOS CONECTADOS À REDE
stes sistemas utilizam um grande número de painéis fotovoltaicos, e não
utilizam armazenamento de energia pois toda a geração é entregue à rede. Esta
forma de geração representa uma fonte complementar ao sistema elétrico de
grande porte ao qual esta conectada. Todo o arranjo é conectado em inversores e logo
em seguida guiados diretamente à rede. Estes inversores devem satisfazer as
exigências de qualidade e segurança para que a rede não seja afetada. A figura 5.3
mostra um diagrama simplificado de sistemas conectados à rede.
Figura 5.3 – Diagrama simplificado de sistemas conectados à rede
E

44
5.4. EXEMPLOS DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS AUTÔNOMOS
NO NORDESTE DO BRASIL
5.4. EXEMPLOS DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS AUTÔNOMOS NO NORDESTE DO BRASIL
o Brasil existem hoje vários projetos em nível governamental e privado. Esses
projetos englobam diversas áreas que utilizam conversão fotovoltaica da
energia solar como na eletrificação rural, no bombeamento de água e também
em sistemas híbridos. Aqui serão apresentados alguns dos sistemas instalados no
Nordeste do Brasil mostrando as características e as comunidades beneficiadas.
SISTEMA DE DESSALINIZAÇÃO DE ÁGUA SALOBRA POR
OSMOSE REVERSA NO CEARÁ
sse sistema de dessalinização de água salobra foi instalado na comunidade de
Coité-Pedreiras no Ceará. O dessalinizador possui capacidade nominal de 250
litros por hora e o gerador fotovoltaico é formado por 20 módulos SM55 de
55Wp da Siemens com oito baterias de 100Ah. Essa pesquisa foi desenvolvida pelo
Grupo de Processamento de Energia e Controle (GPEC) do Curso de Engenharia
Elétrica da UFC. Os recursos para implementação do projeto foram concedidos pelo
concedidos pelo CNPq e o Banco do Nordeste.
A estratégia de operação tem o motor de indução trifásico funcionando entre 2700 a
3000rpm, pressão de 120psi aplicada a membrana de osmose reversa com taxa de
recuperação em torno de 25% e uma produção média de 3,8 litros por minuto com
quatro horas diárias de funcionamento [12].
SISTEMA DE ELETRIFICAÇÃO RESIDENCIAL NO CEARÁ
ste projeto de eletrificação fotovoltaica faz parte da primeira fase do acordo
NREL/CEPEL/COELCE, e é parte integrante do Programa LUZ DO SOL. O
sistema foi instalado em várias localidades do interior do Ceará. Foram também
implantados sistemas de iluminação pública em cada localidade onde foram instalados
sistemas residenciais e escolares. O primeiro sistema, dentro da primeira fase do
acordo NREL/ CEPEL/COELCE, foi instalado em dezembro de 1992 na vila de
Cordeiros no município de São Gonçalo do Amarante e vem operando nestes últimos
anos, de forma contínua.
Este projeto atende a 14 vilas do interior dos municípios de Alto Santo, Apuiarés,
Canindé, General Sampaio, Itapipoca, Pentecoste, Quixadá e São Gonçalo do
Amarante no Ceará beneficiando um total de 492 residências com 30,74 kWp
instalados [8].
CARACTERÍSTICAS DO SISTEMA
- 1 Módulo da Siemens SM55 (55Wp);
- 1 Bateria Delco 2000 (105Ah/12V);
- 20W em lâmpadas fluorescentes;
- Saída de 12V para alimentação de rádio, toca fitas etc.;
- Caixa para proteção da bateria e do controlador de carga.
N
E
E

45
SISTEMA DE BOMBEAMENTO PARA IRRIGAÇÃO NA
BAHIA
sistema de bombeamento fotovoltaico foi instalado no açude Rio dos Peixes
no município de Capim Grosso na Bahia e é formado por 16 painéis M55 da
Siemens e uma bomba centrífuga de superfície McDonald de 1HP CC. Devido
às variações sazonais do nível da água no açude, a solução mais prática foi a
instalação do sistema em uma balsa flutuante ancorada. O sistema completo fica a
15m da margem do açude, quando em época de cheia, e bombeia a uma distância de
350m com vazão de 12 m3
por dia.
O sistema foi implantado no âmbito da cooperação NREL/CEPEL/ COELBA, tendo
participado ainda a Coordenação de Irrigação da Secretaria de Agricultura e Irrigação
do Estado da Bahia e a Associação de Moradores de Rio do Peixe. Dez sistemas
similares estão em fase de instalação no mesmo açude [8].
SISTEMA FOTOVOLTAICO EM PARQUE ECOLÓGICO NA
BAHIA
m 28 de janeiro de 1995, foi inaugurado o Sistema Gerador Fotovoltaico do
Posto Avançado do Parque Ecológico Porto Sauípe na Bahia. Este Sistema é
composto de um painel fotovoltaico Solarex de 1,4 kWp, fornecendo energia em
corrente contínua para um banco de baterias que, através de um inversor alimenta
luminárias com 110VAC, equipamentos de informática e sistemas de áudio e vídeo do
Posto [8].
CARACTERÍSTICAS DO SISTEMA
- 18 módulos Solarex MSX-77 (1386Wp);
- 9 Baterias Delco de 150Ah;
- 1 Inversor de 1500W.
O
E

46
6. ELETRODIÁLISE COM ACIONAMENTO FOTOVOLTAICO
6. ELETRODIÁLISE COM ACIONAMENTO FOTOVOLTAICO
ste capítulo visa o estudo da união da tecnologia de dessalinização por
eletrodiálise que tem assumido uma importância crescente nos últimos anos,
devido ao menor consumo específico de energia para águas salobras até 5.000
ppm [2], que é o caso da grande maioria de poços de água salobra da região Nordeste
do Brasil, juntamente com a conversão elétrica da energia solar através da tecnologia
fotovoltaica.
6.1. INTRODUÇÃO
6.1. INTRODUÇÃO
s resultados de uma seca dependem da capacidade de resistência e de
convivência da população atingida: quanto mais carente e despreparada,
maiores serão os reflexos da seca. Na tentativa de resolver o problema de
abastecimento de água tem-se utilizado duas estratégias básicas no interior do
Nordeste:
A construção de açudes, visando o armazenamento da água superficial;
A perfuração de poços, visando aproveitamento da água subterrânea.
Os açudes, devido às extensas superfícies de água expostas ao sol, facilitam a
evaporação de grandes quantidades de água. Cada porção de água que é evaporada
deixa sobre o solo um determinado volume de sais. Este processo já tem causado a
impossibilidade do uso de alguns açudes, devido à existência de elevados teores de
salinidade. Um outro fator limitante para a utilização de muitos açudes constitui a
contaminação dos mesmos através de fezes humanas e de animais. Apesar desta
problemática esta água é consumida por uma grande parte da população rural do
Nordeste. O transporte da água até as comunidades isoladas se dá através de baldes
ou através de carros pipa. O uso de água contaminada é uma das causas da alta
mortalidade infantil na região. A substituição dos carros pipa por soluções efetivas
constitui, portanto, tarefa de grande prioridade.
Através da perfuração de poços em locais adequados, é possível a obtenção de água
do subsolo livre de contaminação em grandes volumes. De acordo com estudos
realizados pela Associação Brasileira de Águas Subterrâneas (ABAS), pelo menos
19,5 bilhões de metros cúbicos de água poderiam ser extraídos por ano do subsolo
nordestino sem o risco de esgotamento dos mananciais [1]. No entanto, os poços
localizados no interior do Nordeste apresentam com frequência elevado teor de sal na
água. O processo ocorre devido ao contato no subsolo entre a água e a rocha
cristalina, levando a um processo de salinização deste aquífero ao longo do tempo.
Para cumprir sua função no corpo humano, a água deve possuir sais. Esta
concentração não pode ultrapassar um certo limite; caso isto ocorra, prejuízos
irreparáveis são causados à saúde humana. Segundo a Organização Mundial de
Saúde, a água potável deve ter uma concentração de sal de 500 ppm; a partir deste
valor a água é considerada salobra, e para concentrações em torno de 33.000 ppm
temos a água do mar.
Um fato observado no semiárido nordestino é que determinadas populações são
obrigadas ao consumo de água com níveis de salinidade acima dos padrões
recomendados, devido à falta de alternativas. Este fato tem sido verificado em
diversas comunidades rurais, onde a fonte de abastecimento é feita através de poços
perfurados no aquífero cristalino, sendo observada uma alta taxa de sais. Cerca de
788.358 km2
da região encontram-se sobre terreno cristalino, o que corresponde a
E
O

47
51% da área total do Nordeste. Com exceção do Piauí, todos os estados do Nordeste
localizados no Polígono da Seca possuem a maior parte de suas áreas sob terreno
cristalino como indica a figura 6.1 [1].
0
100
200
300
400
500
600
MA
PI
CE
RGN
PB
PE
AL
SE
BA
Área(1.000km2) Terrenocristalino
Terreno
sedimentar
Figura 6.1 – Classificação dos terrenos encontrados na região Nordeste do Brasil [1]
Estima-se que em todo o Nordeste existam cerca de 50.000 poços; cerca de 80%
apresentam água salobra inadequada para o consumo humano de até 500 ppm,
segundo a Organização Mundial de Saúde. A concentração de sólidos dissolvidos na
região varia entre 1.000 e 10.000 ppm.
Em resumo, a dessalinização da água salobra representa hoje atividade em franca
expansão. No Brasil, especialmente no Nordeste, região ciclicamente árida, a
dessalinização vem sendo praticada em muitos municípios, pois os poços artesianos
perfurados para amenizar as secas cíclicas são compostos, em sua maioria, de água
salobra.
Como a tecnologia fotovoltaica tem provado sua viabilidade em sistemas de
bombeamento de água e de iluminação em regiões remotas, a dessalinização de
águas salobras vem sendo uma área de pesquisa com excelentes perspectivas.
6.2. PROCESSO DE ELETRODIÁLISE
6.2. PROCESSO DE ELETRODIÁLISE
processo de eletrodiálise consiste basicamente na transferência de íons da
água a ser dessalinizada (salobra) através de membranas de cátions e ânions
para um fluxo de concentrado conforme a figura 6.2, onde é mostrado o
processo de uma célula, sendo que uma unidade comercial contém normalmente
centenas de células em paralelo.
Através desta divisão são originados o fluxo de água potável, com concentração de sal
dentro dos limites para o organismo humano e o fluxo de concentrado de sais, com a
maior parte do sal presente na água original.
A água potável é armazenada para consumo e o concentrado de sais pode ter os
seguintes destinos:
Reservatório aberto, onde a água é evaporada e o sal deixado pode ser usado
para alimentação humana e de animais;
O

48
Coletor solar, onde a água evaporada é condensada e pode ser então
adicionada à água potável, aumentando a produção da instalação;
Para descargas sanitárias de uma escola ou posto de saúde da comunidade;
Para irrigação de plantas (erva do sal) ou criação de peixes que suportam alto
teor de sal.
Para entender o princípio do processo de eletrodiálise tomou-se, como exemplo, a
extração do cloreto de sódio (Na+
Cl-
), que é um dos sais dissolvidos na água salobra.
Figura 6.2 – Processo de eletrodiálise
O cátodo (-) juntamente com o anodo (+), com aplicação de corrente contínua,
provocam a separação dos sais contidos na água salobra em ânions e cátions.
Os íons carregados positivamente (cátions), no caso do exemplo, os cátions de sódio
(Na+
) são atraídos pelo Cátodo, e os íons carregados negativamente, ânions de cloro
(Cl-
), são atraídos pelo Anodo. A membrana de separação de cátions (Na+
) permite a
passagem dos mesmos, que se juntam ao fluxo de concentrado de sais. Da mesma
forma acontece do outro lado da célula, quando a membrana de separação de ânions
(Cl-
) permite a absorção dos mesmos que se dissolvem em outro fluxo de água
salobra proveniente da fonte, formando o concentrado de sais. O fluxo de água
remanescente entre as membranas corresponde ao fluxo de água dessalinizada
(potável). Durante a quebra das moléculas de sais em ânions e cátions, átomos de
cloro ficam retidos na água dessalinizada funcionando como agentes antimicrobianos.
O processo apresenta um consumo médio de energia da ordem de 1,5 a 2,0 KWh/m3
de água tratada, e tende a ser o mais econômico quando usado em água salobra,
particularmente, em salinidades de até 5.000 ppm [2]. Como comparação, pode-se
citar o sistema de dessalinização por osmose reversa instalado em Coité-Pedreiras
que apresentou um consumo específico de energia inicial em torno de 4,11 kWh/m3
de
água [12].
As membranas de separação são produzidas com tratamentos químicos em materiais
poliméricos como o polietileno, e o principal motivo que leva ao uso cada vez maior da

49
eletrodiálise a nível mundial é o desenvolvimento alcançado na fabricação das
mesmas, buscando o compromisso entre vida útil, capacidade de separação e
consumo de corrente elétrica.
6.3. ACIONAMENTO FOTOVOLTAICO
6.3. ACIONAMENTO FOTOVOLTAICO
omo a tecnologia fotovoltaica tem mostrado viabilidade tanto econômica quanto
técnica em regiões remotas sem rede elétrica com sistemas de bombeamento
de água e de iluminação, a dessalinização de água salobra vem sendo uma
área de pesquisa com excelentes perspectivas.
A utilização de painéis fotovoltaicos para o acionamento de instalações de eletrodiálise
na região Nordeste visando a dessalinização de águas salobras é coerente
principalmente devido ao uso direto da geração de corrente contínua dos painéis
fotovoltaicos pelo processo de eletrodiálise e ao fato do interior da região ser
caracterizado por um baixo grau de eletrificação. Além disto, a região é provida dos
melhores índices de radiação solar média do Brasil comprovado pelo levantamento
mostrado no apêndice I da radiação solar global em Fortaleza que indica uma radiação
média anual em torno de 5,2 kWh/m2
.dia.
6.4. EXPERIÊNCIAS MUNDIAIS DE ELETRODIÁLISE COM
ACIONAMENTO FOTOVOLTAICO
6.4. EXPERIÊNCIAS MUNDIAIS DE ELETRODIÁLISE COM ACIONAMENTO FOTOVOLTAICO
s principais experiências estão localizadas em Tanot na Índia, no Vale Spencer
nos Estados Unidos e na cidade de Fukue no Japão.
Em Tanot na Índia a água salobra apresenta concentrações de sais entre 4.500 a
5.000 ppm estando disponível em poços abertos com profundidades de 25 a 45
metros sendo extraída geralmente com ajuda de camelos.
Uma planta de eletrodiálise com capacidade de produção de água potável de 1m3
por
dia, acionada por um arranjo de painéis fotovoltaicos com 540 Wp, foi instalada para
fornecer água potável com concentração em torno de 1.000 ppm para população local,
acima do índice máximo de 500 ppm recomendado pela Organização Mundial de
Saúde. O arranjo fotovoltaico consiste em seis módulos padrões de 30 Wp conectados
em série, e em três séries agrupadas em paralelo para fornecer uma tensão de circuito
aberto de aproximadamente 118 V e corrente de curto circuito de aproximadamente
5,5 A [13]. A água salobra é bombeada para uma caixa d’água através de uma bomba
movida por um motor diesel, e a planta de eletrodiálise é alimentada por gravidade.
Depois que o potencial elétrico dos painéis fotovoltaicos é aplicado, a água é
dessalinizada, conforme apresentado na figura 6.3.
C
A

50
Figura 6.3 – Instalação de eletrodiálise acionada por painéis fotovoltaicos de Tanot – Índia [13]
A segunda experiência é registrada no Vale Spencer, situado no Novo México,
representante de muitas comunidades remotas espalhadas pelo sudoeste dos EUA
que necessitam de suprimento de água potável.
A planta fotovoltaica do Vale Spencer consiste em dois sistemas elétricos separados:
Um arranjo fotovoltaico de 1.000Wp para a bomba de água e outro de 2.300Wp para a
unidade de eletrodiálise. Este sistema de dessalinização por eletrodiálise foi testado
por um período de quatro meses em 1995. Durante o teste, se produziu mais de 340
m3
de água potável em 3.000 horas de funcionamento. A produção diária de água
potável foi cerca de 2,8 m3
com concentrações de sais em torno de 280 ppm, a partir
de concentrações de 900 ppm da água salobra. A manutenção requerida pelo sistema
foi mínima, sendo feita através de limpeza ou troca semanal dos filtros de entrada de
água salobra. Através destas condições, a relação entre a energia consumida pelo
volume de água produzida foi em torno de 0,82 kWh/m3
[14].
A maior experiência já registrada da combinação entre dessalinização por eletrodiálise
e energia proveniente de painéis fotovoltaicos foi na cidade de Fukue no Japão.
Em 1988, Fukue foi escolhida como planta de demonstração e, através de uma
simulação anterior do sistema, um protótipo foi desenvolvido. Após análise, foram
concluídos o projeto e a construção, e a operação iniciou em julho de 1990. A
inspeção periódica da eficiência do sistema mostrou a comparação satisfatória entre
os valores de simulação e os valores obtidos na operação da planta demonstrativa
[15].
A potência dos painéis fotovoltaicos foi da ordem de 65 kWp e a vazão média de água
potável em torno de 200 m3
/dia, com a água potável em níveis de concentrações de
sais entre 80 e 300 ppm, a partir de concentrações de água salobra entre 300 ppm e
735 ppm. As principais características das plantas citadas são resumidas na tabela
6.1.

51
Características Fukue Japão Vale Spencer EUA Tanot Índia
Potência FV (Wp) 65.000 2.300 540
Vazão de água potável
(m3
/dia)
200 2,8 1,0
Acionamento da Bomba
de água
Motor CA 200V Motor CC 120V Motor Diesel
Utilização de Banco de
baterias
Sim Sim Não
Salinidade da água da
fonte (ppm)
300 a 735 900 4.500 a 5.000
Salinidade da água
tratada (ppm)
80 a 300 333 a 885 Cerca de 1.000
Tabela 6.1 – Principais características de instalações de eletrodiálise acionadas por painéis
fotovoltaicos a nível mundial
Tais experimentos têm mostrado a viabilidade para dessalinização de água com
concentração de sais de até 5.000 ppm e a grande vantagem é a obtenção de água
potável proveniente da água salobra das regiões áridas e semiáridas distantes dos
grandes centros urbanos, sem a utilização da rede elétrica, o que caracteriza a maior
parte do semiárido nordestino.

52
7. DIMENSIONAMENTO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS
AUTÔNOMOS
7. DIMENSIONAMENTO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS AUTÔNOMOS
7.1. INTRODUÇÃO
7.1. INTRODUÇÃO
Nordeste do Brasil possui muitas comunidades que não estão conectadas à
rede elétrica convencional. Muitos desses locais apresentam a necessidade de
uma fonte alternativa de geração elétrica como sistemas FV autônomos não só
para a dessalinização de águas salobras, como também para auxiliar nas mais
diversas atividades como iluminação, irrigação, bombeamento, entre outras.
Dentro dessa conjuntura, a utilização de programas de dimensionamento, como o
proposto nesse trabalho, estabelece uma base confiável de dados para possível
implementação de tais sistemas.
Os critérios de dimensionamento partem, em geral, dos valores médios de radiação
solar e de consumo, através de médias mensais ou anuais.
No critério de média anual, determina-se a dimensão do gerador fotovoltaico igualando
a energia coletada pelos módulos através da média da radiação solar ao longo de um
ano à energia consumida pela carga no mesmo período.
Estimando-se, para cada região, o número médio de dias consecutivos com baixos
valores de radiação diária, encontra-se o período aproximado em que praticamente
não ocorrerá geração de eletricidade, conhecido como período de autonomia.
Igualando a capacidade de armazenamento energético ao consumo projetado para
este período, determina-se a dimensão do banco de baterias. Esse critério é
empregado em sistemas que não necessitam de alta confiabilidade, ou seja, que não
precisem ser imunes à falhas, acarretando, com isso, um custo menor da instalação.
No critério do pior mês, as dimensões do gerador fotovoltaico são determinadas de
forma que a energia coletada pelo gerador no pior mês do ano seja igual à consumida
durante todos os meses do ano. A capacidade banco de baterias é, da mesma forma
que no caso anterior, calculada considerando o período de autonomia.
O mérito de um sistema fotovoltaico autônomo também depende do nível de
confiabilidade em suprir a carga. Apesar de aproximações, a literatura mostra uma
variedade de conceitos sobre a expressão de confiabilidade em termos da
probabilidade de falta de energia, resultante da natureza aleatória da radiação solar,
não incluindo períodos de manutenção. Alguns autores chamam esta probabilidade
como Probabilidade de Perda de Carga (Loss of Load Probability), como Débito de
Energia (Deficit of Energy) ou como Probabilidade de Perda de suprimento de Energia
(Loss of Power Supply Probability).
Neste método a confiabilidade é definida como probabilidade de perda de carga (LLP)
e é obtida através da relação entre a falta de geração energia e a demanda de
energia, ambos atribuídos à carga, considerando o tempo total de operação da
instalação FV. A equação (7.1) define a expressão da probabilidade de Perda de
Carga (LLP) [17]:
EnergiadeDemanda
EnergiadeFalta
LLP
T
T
(7.1)
O

53
Os métodos existentes apresentam dois princípios dois para a obtenção do
dimensionamento fotovoltaico, que são:
Obtenção da área do gerador fotovoltaico. Este princípio é baseado na comparação da
demanda diária da carga (DL) com a área do gerador fotovoltaico (A) através da
eficiência de conversão elétrica dos módulos (η) e da radiação solar média mensal
(GM). A equação (7.2) mostra essa relação:
).()()/( 22
diamkWhGmAdiakWhD ML (7.2)
Obtenção da corrente e tensão do gerador fotovoltaico. Já esse princípio é
baseado no conceito do número de horas de sol pleno (h/dia), que é uma forma
de se expressar o valor acumulado da energia solar ao longo do dia. esta
grandeza é definida como o número de horas em que a radiação solar diária
acumulada em kWh/m2
.dia seja múltipla da radiação solar constante (1000
W/m2
) para a condição Padrão de Teste (STC). Dessa forma, os módulos
fotovoltaicos fornecem tensão e corrente nominal. Por exemplo, se a radiação
solar diária acumulada (Gd) em um determinado local é 5 kwh/m2
.dia, o
número de horas de sol pleno (NSP) será dado pela equação (7.2):
2
/1000 mW
Gd
NSP (7.3)
Assim, diah
mW
diamkWh
NSP /5
/1000
.5
2
2
, ou seja, o gerador tem a capacidade de
fornecer tensão e corrente nominal, desprezando as perdas, durante cinco horas por
dia.
Através de pesquisa realizada entre diversos modelos de dimensionamento, foram
escolhidos três métodos distintos GTES [6], GROUMPOS [16] E LORENZO [17]. Estes
métodos foram desenvolvidos baseados nos relatos dos trabalhos dos respectivos
autores adaptados as condições climáticas da região nordeste e são apresentados na
ferramenta final de dimensionamento de sistemas fotovoltaicos autônomos devido à
didática, clareza e coerência apresentada entre as fórmulas. Além de serem utilizados
como referência estes métodos são apresentados, juntamente com o método proposto
para dimensionamento de uma planta de eletrodiálise acionada por painéis
fotovoltaicos, no trabalho final.
Esta ferramenta didática foi desenvolvida visando a difusão conceitos de sistemas
fotovoltaicos autônomos com uma programação de fácil utilização, apresentando os
resultados em negrito obtidos de forma direta na mesma tela de introdução dos
valores e com a raiz do programa protegida, garantindo a fidelidade dos parâmetros e
das equações. Por estes motivos, o programa citado é uma ferramenta de auxílio na
formação de pesquisadores e profissionais da área de dimensionamento de fontes
alternativas, notadamente energia solar.
7.2. MÉTODO GTES
7.2. MÉTODO GTES
desenvolvimento do programa trata do dimensionamento de sistemas
fotovoltaicos autônomos isolados sem a utilização de seguidor de máxima
potência (MMPT) utilizando o critério da média anual de radiação solar e oO

54
princípio de dimensionamento de horas de sol pleno. Este método foi elaborado pelo
Grupo de Pesquisas em Fontes Alternativas da Universidade de Pernambuco (Grupo
FAE/UFPE) e divulgado pelo GTES (Grupo de Trabalho de energia solar fotovoltaica
do CRESESB/CEPEL).
O cálculo do programa é feito com a introdução de valores dos dados meteorológicos,
dados da carga, dados da Bateria e dados do Arranjo fotovoltaico. O programa
apresenta os resultados de forma simples e direta em negrito na mesma tela da
introdução dos valores.
7.2.1. DESCRIÇÃO DO CONSUMO DAS CARGAS
7.2.1. DESCRIÇÃO DO CONSUMO DAS CARGAS
ara o dimensionamento de um sistema fotovoltaico é necessário inicialmente
conhecer as características da carga. Após a introdução dos valores de entrada,
os resultados do programa são apresentados em negrito como mostra a figura
7.1.
MÉTODO DE DIMENSIONAMENTO GTES
Consumo da Carga Unidade Valor Faixa
Potência da Carga CC W 0 MENU
Potência da Carga CA W 750 GROUMPOS
Eficiência de Conversão CC-CA % 95% 80% a 95%
Ciclo de Serviço Diário h/dia 4.0 758 1 a 24
Ciclo de serviço Semanal dias/sem. 7 1 a 7
Tensão Nominal do Sistema V 24 3032
Consumo Ampère-hora Ah/dia 32,9
Estimativa de Corrente de Pico A 131,6
Figura 7.1 – Dimensionamento do consumo da carga
A descrição do consumo das cargas leva em consideração:
A potência da carga em corrente contínua (W);
A potência da carga em corrente alternada (W);
A eficiência de conversão de potência CC-CA (decimal): este fator está
relacionado com a perda de energia que ocorre nos sistemas que utilizam
componentes condicionadores de potência. Caso não se tenha a eficiência do
conversor pode-se utilizar como referência adotada pelo método os valores
padrões de 0,80 na conversão de carga CC para CA e de 0,85 na conversão
de carga CC para CC;
O ciclo de serviço diário (h/dia): representa o número médio de horas por dia
em que a carga estará em funcionamento;
O ciclo de serviço semanal (Dias/semana): representa o número de dias por
semana em que a carga estará em operação;
A tensão nominal do sistema (V);
A estimativa de corrente de pico (A): é obtida pela divisão da potência total das
cargas pela tensão nominal do sistema;
P

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