Edição de Março de 2002
Arquitectura e Natureza O Fogo
Instalações solares fotovoltaicas

por Fausto Simões*, Jorge Cruz Costa**
   
Em anterior artigo desta série tratámos das instalações solares térmicas, tendo em vista «aproveitar a energia do Sol para aquecer a água dos nossos banhos». Vamos agora falar das instalações solares fotovoltaicas que aproveitam a energia solar para produzir a energia eléctrica que hoje não dispensamos, considerando a sua aplicação em residências.  
   

A electricidade é uma forma «nobre» de energia, sendo hoje indispensável à vida moderna. Iluminação, comunicações, novas tecnologias, força motriz, são algumas das suas inúmeras aplicações.
A diversidade de aplicações e a facilidade de transporte explicam o enorme desenvolvimento da sua produção durante o século XX, com o impacte ambiental que todos conhecemos.
A preocupação crescente com o desenvolvimento sustentável, durável e harmonioso (não confundir com desenvolvimento sustentado), leva à preocupação de ter em consideração os custos dos impactes originados pela produção e pela utilização dos combustíveis fósseis, preconizando-se a sua substituição pelas energias renováveis e a utilização racional da energia em equipamentos eficientes.

 

Nesse sentido, estudos feitos na Alemanha e na Inglaterra revelaram que entre um quarto e metade das suas necessidades em energia eléctrica poderia ser satisfeita pela utilização de painéis fotovoltaicos montados apenas nos edifícios.
Contrariamente ao que acontece com outras fontes renováveis – designadamente a hidroelectricidade, a energia eólica, a biomassa e a geotermia –, a energia solar é a fonte de energia com a melhor distribuição.



A célula fotovoltaica ou fotopilha
A electricidade fotovoltaica é obtida pela transformação directa da luz do sol em energia eléctrica, por meio de células fotovoltaicas.
A célula fotovoltaica é um componente electrónico, fabricado a partir de materiais semicondutores, no qual a absorção dos fotões liberta electrões (carregados negativamente) e «buracos» (carregados positivamente). As cargas eléctricas são separadas por um campo eléctrico interno e colectadas por uma grelha, à frente, que deixa passar radiação e por um contacto, atrás, que pode ser opaco.
A célula fotovoltaica constitui assim um gerador eléctrico elementar. É possível converter directamente a luz em electricidade sem peças móveis, sem fluidos pressurizados, sem elevação de temperatura, sem produção de detritos e sem ruído nem cheiro.

 

 


Funcionamento de um gerador fotovoltaico

 

Uma instalação fotovoltaica é basicamente constituída pelos componentes integrados no esquema apresentado a seguir.



O módulo
Diversas células fotovoltaicas (com uma tensão aproximada de 0,5 Volt) podem ser associadas de forma a fornecer à carga uma tensão e uma potência adequadas.
Os conjuntos de células são de seguida encapsulados em módulos estanques que as protegem da humidade e dos choques.
Os módulos podem ser associados em painéis e estes agrupados, formando um gerador fotovoltaico.



Armazenamento da energia eléctrica
Normalmente a captação e o consumo estão desfasados, o que implica, nos sistemas isolados (em stand-alone), a existência de um armazenamento que permita não só fazer face ao desfasamento, como fornecer, momentaneamente, potências muito superiores às do campo fotovoltaico.

 

 

Os meios de armazenamento

 

As baterias mais utilizadas são as de ácido-chumbo e, mais raramente, de níquel-cádmio. Existem no mercado baterias com capacidades até 4400 Ah (Ampere/hora). Nos sistemas remotos a autonomia varia entre três e 10 dias, dependendo da utilização (fiabilidade pretendida).

A regulação de carga e descarga
O regulador protege as baterias de sobrecargas e descargas excessivas, prolongando a sua vida (entre cinco e sete anos). O tempo de vida depende do tipo de bateria e da profundidade de descarga por ciclo diário.

 

 

O inversor/ondulador (condicionamento)

 

O ondulador destina-se a converter a energia eléctrica de corrente contínua, produzida pelos módulos, em corrente alterna (230 VAC/50 Hz). Para evitar consumos desnecessários em vazio, o ondulador fica em stand-by, com consumo praticamente nulo. Periodicamente o circuito é alimentado com uma tensão residual e o ondulador entra em funcionamento quando é detectado qualquer equipamento ligado.

Manutenção e garantia
Os sistemas fotovoltaicos têm uma manutenção muito reduzida, que se limita à limpeza dos módulos e das baterias. Há fabricantes que dão 20 anos de garantia para os módulos!

 

 


Sistemas autónomos e sistemas híbridos

 

Ainda que certas aplicações, como a bombagem de água, possam ser de ligação directa, dispensando o armazenamento, tal não é o caso da maioria das aplicações em que há desfasamento entre a captação e a utilização.
Um sistema fotovoltaico pode ser associado a outro meio de produção, como por exemplo, um pequeno gerador diesel. Neste caso a capacidade do armazenamento é menor. A utilização de um gerador diesel 24 horas por dia é impensável. Com a associação de um gerador fotovoltaico, assegurando as necessidades de base durante o dia, prolonga-se a vida do gerador diesel, economiza-se combustível, melhora-se o serviço prestado e o conforto do utilizador.
A associação pode também ser feita com um gerador eólico que partilhará o sistema.

 

 


Sistemas fotovoltaicos ligados à rede eléctrica

 

As centrais fotovoltaicas
Em países como a Espanha ou a Alemanha tem sido incentivada a instalação de centrais que «injectam» a energia que produzem na rede eléctrica. Neste caso a central não necessita de armazenamento.
O regime favorável aos pequenos produtores independentes de energia eléctrica a partir de fontes renováveis estimulou o aparecimento, em Portugal, de algumas instalações ligadas à rede:
1994 – EDP em Setúbal (10 kWp).
1996 – Telhado fotovoltaico em Rogil, Aljezur (3 kWp).
1998 – EDP em Faro (5 kWp).
1998 – Estação de serviço da BP na Expo (18 kWp).
1999-2000 – 11 Estações de Serviço da BP (188 kWp).

 

 

Telhados fotovoltaicos

 

O princípio do telhado fotovoltaico consiste em integrar um gerador fotovoltaico no telhado de um edifício ou de uma habitação. Nalguns países – mas não em Portugal – existem milhares destas instalações ligadas à rede eléctrica. Quando a produção é superior ao consumo, o excesso é «injectado» na rede. Quando a produção é insuficiente, a rede fornece o apoio necessário.
Os fluxos de energia são contabilizados e a função de armazenamento é assegurada pela rede.
Estas instalações não são ainda rentáveis sem subsídios. No entanto, a diminuição dos custos dos equipamentos e a aceitação de um sobrecusto pela preservação do ambiente irão favorecer o seu desenvolvimento a médio e longo prazo.
Na Alemanha o Programa «Mil Telhados» teve tal sucesso que levou à instalação de 2250 telhados fotovoltaicos e deu origem a um programa de um milhão de telhados!
Os Estados Unidos têm também um programa de um milhão de telhados, existindo iniciativas similares, ainda que não tão ambiciosas, na Suíça, Áustria, Itália, Holanda e Japão.

 

 


Integração arquitectónica

 

Tradicionalmente, as células fotovoltaicas encontram-se instaladas em coberturas inclinadas, seguindo o modo de aplicação dos painéis solares térmicos. Novos desenvolvimentos na sua tecnologia tornam agora possível a sua integração na estrutura do edifício, em cobertos, paredes, palas e outros dispositivos de sombreamento e até em janelas.
Será necessário um compartimento de dois a três metros quadrados, com boa ventilação natural, para as baterias e para o equipamento de regulação e controlo. Em princípio, bastará uma grelha de ventilação em baixo e outra em cima.

 

 


Utilização Racional de Energia (URE)

 

A investigação e desenvolvimento no domínio da utilização da energia eléctrica levaram ao aparecimento de processos e equipamentos de rendimento mais elevado, sendo nalguns casos notável a redução de consumos.
Na concepção de uma moradia isolada, para viabilizar uma instalação fotovoltaica há que ter em conta o seguinte:

Reservar a utilização da energia eléctrica para as utilizações «nobres» (deixando para outras fontes, por exemplo, as necessidades térmicas)
A casa deve ser projectada de acordo com os princípios da arquitectura bioclimática e de modo a poder integrar instalações solares térmicas. Minimiza-se assim o consumo no aquecimento, no arrefecimento, na ventilação e na iluminação. Estes tópicos foram já desenvolvidos nos anteriores artigos da série «Arquitectura e Natureza» (v. Casas de Portugal nos 21, 22 e 25).
Equipamentos como as máquinas de lavar roupa e louça devem ser «pré-térmicas», i.e., o aquecimento da água deve ser assegurado por uma fonte externa (não eléctrica).

 

 

Utilizar equipamentos de elevado rendimento

 

– Onduladores dimensionados de forma a terem um elevado rendimento a partir de 10 por cento da potência nominal.
– Lâmpadas fluorescentes.
– Electrodomésticos (se estiverem etiquetados, escolher da classe «A»).

 

 

Gerir a utilização para não necessitar de potências instantâneas (de pico) muito elevadas, mas não esquecendo que utilizar energia eléctrica quando há sol evita desperdícios no armazenamento

 

Minimizar desperdícios minimizando os períodos de utilização dos equipamentos.

 

 


Competitividade da solução fotovoltaica

 

Em relação à rede

 

Se calcularmos o custo do kWh durante o tempo de vida de uma instalação fotovoltaica (tipicamente durante 20 anos), obteremos um valor que é cerca de quatro vezes superior ao preço do kWh da rede. Isto é devido, em grande parte, ao facto de o custo da baixada não ser normalmente repercutido no preço real.
O custo da linha, é de cerca de €12.469,95 (2.500 contos) por quilómetro. Acima dos 800 metros, acresce o custo de um posto de transformação, cerca de €7.481,97 (1.500 contos), pois o transporte passa a ser feito em média tensão.
As instalações têm custos da ordem de €9,98 (2.000$00) por Wp (Watt pico1) para sistemas isolados e de €5,99 (1.200$00) para instalações ligadas à rede (sem armazenamento).
No quadro publicado a seguir é feita a comparação entre os custos da baixada e as instalações fotovoltaicas, sendo possível constatar que existe uma zona em que a instalação fotovoltaica é mais barata do que a ligação à rede. Neste caso a instalação fica paga no primeiro dia!
A potência a instalar determina uma distância crítica a partir da qual a solução fotovoltaica é até mais barata do que a ligação à rede. Para o cálculo da viabilidade económica ter-se-á de considerar o sobrecusto e a economia gerada no período de análise (mínimo: 10 anos).

 

 

Em relação a um grupo gerador

 

Em locais isolados, a solução fotovoltaica deve ser considerada se as necessidades forem inferiores a 10 kWh/dia.
Os grupos geradores de pequena potência representam uma solução comprovada e fiável, mas têm alguns inconvenientes:
Custo elevado de funcionamento;
Baixo rendimento;
Dependência energética;
Problemas de aprovisionamento e de transporte;
Duração inferior a cinco anos;
Manutenção complicada, exigindo um técnico especializado;
Interrupção de funcionamento;
Impossibilidade de assegurar uma produção constante (24 horas por dia).

 

 


Incentivos

 

Foi aprovado em Conselho de Ministros o Programa sobre Eficiência Energética e Energias Endógenas, designado por «E4», cujo texto integral de apresentação pode ser consultado no site da DGE (www.dge.pt) e que esperamos venha a ter um impacte significativo na situação energética nacional.
Para particulares, o único incentivo existente era uma dedução à colecta que passou de €149,64 (30.000$00) para €598,56 (120.000$00). O Programa E4 prevê a revisão desse montante para €700,00 (140.337$00).
No caso de empresas, é possível obter subsídios através do MAPE – Medidas de Incentivos ao Potencial Energético Endógeno e o Programa E4 vai flexibilizar as condições de acesso e tornar mais atractiva a microprodução de energia eléctrica.
O Programa E4 prevê cerca de €0,40 (80$00) por kWh, em instalações com menos de 5kWp e cerca de €0,20 (40$00) para as instalações maiores. O custo do kWh da rede é de €0,09 (18$80) e de €0,05 (10$50) nas «horas de vazio» quando existir um contador bi-horário.
Existe ainda um subsídio «indirecto», que é a possibilidade de as empresas amortizarem, em quatro anos, o investimento em energias renováveis.

 

 


Um exemplo de dimensionamento e custos de uma instalação«s/t»

 

Para o dimensionamento de uma instalação fotovoltaica isolada (stand-alone) é necessário conhecer:

 

A carga a abastecer (potência instalada dos diversos pontos de consumo/equipamentos e consumos diários de energia eléctrica).
As disponibilidades de energia solar no local, sendo necessário dispor de dados estatísticos sobre este recurso.
A autonomia.

 

 

Com estes dados serão dimensionados:

 

A potência de pico (Wp) do campo de painéis (potência disponível com uma radiação de 1000 W/m²).

 

A capacidade de armazenamento.

 

Para um caso concreto – o de uma vivenda isolada em Pombal –, foi feito um dimensionamento no Departamento de Energias Renováveis do INETI e, com base nesse dimensionamento, efectuou-se uma consulta ao mercado. No quadro seguinte apresenta-se uma síntese das características e um valor indicativo do custo da instalação (exclui-se a instalação eléctrica da casa):
Para um custo, incluindo IVA, de e11.382,57 (2.282.000$00), a distância crítica é de 800 metros para a 1a hipótese.

 

 


Aquisição de uma instalação fotovoltaica

 

O sucesso do fotovoltaico depende decisivamente da sua instalação. É pois prudente escolher projectistas e instaladores experimentados nestes sistemas. Em diversos países da União Europeia, uma Garantia de Resultados Solares (GRS) é frequentemente dada pela empresa que fornece e instala o sistema. Trata-se de um compromisso de que o sistema fornecerá, no mínimo, uma quantidade preestabelecida de energia, caso contrário a empresa cobrirá a diferença. O cliente fica assim protegido contra erros de projecto e de instalação, pelo que há todo o interesse em que as associações de defesa do consumidor pugnem pela implementação desta garantia em Portugal.

 

 

*Arquitecto, ESBAL

 

** Investigador, INETI

 

 

Bibliografia

 

A Green Vitruvius – Princípios e Práticas para Uma Arquitectura Sustentada, Lisboa, Ordem dos Arquitectos, 2001.

 

L´Electricité Solaire – La Solution photovoltaïque, Paris, ADEME – Agence de l´Environnement et de la Maîtrise de l´Energie, 1996.

 

A Conversão Fotovoltaica da Energia Solar, Pedro Paes, Lisboa, Departamento de Energias Renováveis do INETI.

 

Programa sobre Eficiência Energética e Energias Endógenas (E4), Lisboa, Direcção-Geral de Energia, 2001.

 
                         
Eficiência energética e energias endógenas

No quadro das novas expressões das condicionantes ambientais e à luz das linhas de orientação da União Europeia, foi lançado, pelo Ministério da Economia, o Programa E4, cuja estratégia visa a modernização e a melhoria da competitividade da nossa economia, através de uma intervenção abrangente na problemática da energia, procurando, simultaneamente, contribuir para a segurança do abastecimento, para a redução da factura energética e para a salvaguarda do ambiente.


Evolução: as principais etapas

1839 – Becquerel descobriu o efeito fotovoltaico num electrólito.
1876 – Adams e Day realizaram a primeira célula com selénio (semicondutor), com um rendimento de um por cento!
1954 – Primeiras células de silício monocristalino (Pearson), arsenieto de gálio ou GaAs (Welker) e sulfureto de cádmio ou CdS (Reynolds).
1958 – Primeiras aplicações espaciais (satélite Vanguard I).
1959 – Primeiras células de silício policristalino.

As três tecnologias mais utilizadas na actualidade são:
Silício amorfo (película fina)
Mais barato mas com rendimento de quatro a oito por cento.
Silício policristalino (película fina)
Mais caro mas com rendimento de 10 a 14 por cento.
Silício monocristalino
Ainda mais caro mas com rendimento de 12 a 16 por cento.


 
 

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