A Casa Solar Eficiente, localizada nas instalações do Centro de Pesquisas de Energia Elétrica (CEPEL) da Ilha do Fundão, Rio de Janeiro, é parte do segmento residencial do Centro de Aplicação de Tecnologias Eficientes (CATE) do CEPEL e do Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio de Salvo Brito (CRESESB) na sua estratégia de formação de Centros de Demonstração. Sua construção, além do CEPEL, contou com a participação de diversas instituições como o Ministério de Minas e Energia (MME) e a ELETROBRÁS.
A Casa Solar é uma casa pré-fabricada com todos os seus equipamentos eletro-eletrônicos eficientes do ponto de vista de conservação de energia alimentados por painéis solares fotovoltaicos e um aerogerador, e com aquecimento de água também baseado em energia solar. Um dos principais objetivos da Casa Solar Eficiente é servir como agente multiplicador para tecnologias de utilização de energia solar térmica, solar fotovoltaica e eólica, bem como técnicas de combate ao desperdício energético.
A Casa é constituída por um mini-auditório para trinta pessoas; um "quarto de controle" onde se encontram o sistema de controle de energia da casa (controladores de carga e inversor) e sistema de aquisição de dados; um "quarto da eficiência energética" onde se encontram um painel de demonstração de iluminação, um painel de medidores, medidor digital CEPEL, medidor de ampére-hora, maquete de simulação de consumo e bancada de medição de consumo de eletrodomésticos; um banheiro com água aquecida por painel termosolar; uma cozinha com eletrodomésticos eficientes. Na parte externa da casa encontra-se também um sistema fotovoltaico de bombeamento de água, um banco de baterias e dois aerogeradores, um alimenta a casa com energia elétrica, instalado a 12 metros de altura, e outro ao nível do solo somente para demonstração.
A Casa Solar também é um objeto de pesquisa do funcionamento integrado destas tecnologias. Operando desde julho de 1997 a Casa Solar Eficiente recebeu até meados de 2009, cerca de 12.000 visitantes, entre professores e alunos de segundo grau e universidade, profissionais e público em geral.
Além das visitas técnicas, a Casa Solar atraiu a atenção da mídia de massa do país (televisão, rádio, jornais e revistas), sendo objeto de matérias nos principais veículos de comunicação brasileiros, contribuindo para divulgar energias alternativas e eficiência energética para um público diversificado de milhões de pessoas.
A Casa Solar Eficiente (CSE) é uma casa pré-fabricada com suas necessidades de energia totalmente supridas por energia solar. O sistema de geração de energia da casa é constituído por dois conjuntos, um fixo e outro móvel (rastreador), de painéis fotovoltaicos de silício policristalino e um aerogerador.
Sistema Fotovoltaico Fixo
O conjunto de painéis fixo, instalado no telhado da varanda, é composto por um total de 32 painéis. Estes painéis são agrupados em ligações em série de quatro painéis cada, conseguindo-se uma tensão de 48 Volts CC (corrente contínua). Os oito grupos-série de quatro painéis são então ligados em paralelo, completando o conjunto de painéis fixo com potência total de cerca de 1450 Wpico.
Os painéis fixos estão orientados para o norte com uma inclinação de 22,5o (correspondente à latitude da cidade do Rio de Janeiro).
Rastreador Solar
O conjunto de painéis rastreador é composto por 12 painéis fotovoltaicos ligados também em grupos-série de quatro painéis cada (48 Volts CC em cada grupo) ligados em paralelo, com uma potência total de cerca de 540 Wpico.
Este conjunto de painéis está montado na frente da Casa Solar numa estrutura que acompanha o movimento do sol ao longo do dia (Leste - Oeste). O sistema de rastreamento da estrutura é um sistema passivo, que funciona com base no deslocamento de um gás entre dois braços ocos situados em lados opostos da estrutura.
Dependendo da posição do sol um dos braços será mais aquecido que o outro, provocando a expansão do gás que se deslocará para o braço menos aquecido. O deslocamento do gás provoca o desbalanceamento do peso da estrutura, causando sua inclinação para o lado do braço mais pesado (o braço menos aquecido pelo sol). Com o movimento do sol este processo de desbalanceamento vai ocorrendo pelo deslocamento gradativo do gás fazendo com que toda a estrutura acompanhe o movimento solar. O movimento da estrutura é de tal forma que a incidência do sol é sempre perpendicular ao plano dos painéis, favorecendo o aproveitamento da energia solar. O aumento de aproveitamento teórico de energia deste tipo de estrutura é da ordem de 15 a 20% se comparada com a montagem fixa de painéis.
A tensão gerada pelo sistema fotovoltaico é de 48 Volts, em corrente contínua (CC). Como todos os equipamentos utilizados na Casa Solar funcionam em corrente alternada (CA), utiliza-se um inversor que fará a conversão de CC em CA.
Os materiais mais utilizados na confecção de células fotovoltaicas são o (a) silício monocristalino (mono-Si), (b) silício policristalino (poly-Si) e (c) silício amorfo (a-Si). A melhor eficiência na transformação de energia solar em elétrica é obtida com as células de silício monocristalino (da ordem de 18%), infelizmente as mais caras. As células de silício policristalino apresentam rendimento da ordem de 16% e são mais baratas que as anteriores devido à menor energia necessária para a sua fabricação e melhor aproveitamento de material. As células de silício amorfo são as mais baratas mas seu rendimento ainda é baixo (da ordem de 8%). As células fotovoltaicas são ligadas em conjuntos série-paralelo compondo módulos fotovoltaicos de diversas potências e tensões.
Os módulos fotovoltaicos ainda são caros, tornando a energia obtida por meio deles, por enquanto, mais cara que a obtida por fontes hidráulicas ou mesmo termelétricas. Entretanto para regiões distantes dos grandes centros de geração e consumo é uma opção econômica. Para comunidades pequenas no interior do Brasil, por exemplo, é uma solução técnico-econômica viável. O CEPEL, trabalhando com o apoio do PRODEEM, já instalou centenas de sistemas em comunidades deste tipo com excelentes resultados.
A tendência do custo dos módulos é cair, tanto pela melhoria na tecnologia de fabricação quanto por economia de escala pelo gradativo aumento de sua utilização.
Junto ao sistema fotovoltaico fixo encontra-se um instrumento destinado a medir a radiação solar incidente denominado piranômetro.
Aerogerador de 1 kW, CA, 3ø
A Casa Solar Eficiente possui um aerogerador de pequeno porte, com potência nominal de 1000 W, corrente alternada (CA), trifásico (3ø). Essa máquina, instalada a 12 metros de altura, foi adicionada em Outubro de 2006 ao sistema de geração da Casa em paralelo ao sistema de geração fotovoltáico.
O aerogerador é formado por um rotor, composto pelas pás e pelo cubo, que impulsionado pelo vento aciona um gerador assíncrono, gerando eletricidade em CA. A tensão de saída do aerogerador e então convertida de CA em corrente contínua (CC), por meio de um conversor eletrônico chamado de retificador, e alimenta o banco de baterias com a tensão de operação de 48 Volts CC. A alimentação em CA dos equipamentos da Casa Solar (como os encontrados em uma casa convencional) é realizada a partir do controlador de carga, mas antes a tensão de saída do controlador é convertida de CC em CA através de um inversor.
Aerogerador de 1,5 kW, CC
Na varanda da Casa encontra-se um aerogerador de pequeno porte, com potência nominal de 1500 W, corrente contínua (CC), trifásico, com controle eletrônico de frequência. Instalado numa torre de 1,70 metros, esse gerador eólico é utilizado somente para a demonstração da tecnologia eólica durante as visitas à Casa Solar. Mesmo fora de operação, a sua exposição permite aos visitantes a compreensão e observação dos princípios de funcionamento de uma turbina eólica e de seus componentes.
Banco de baterias
O sistema de armazenamento de energia é necessário para alimentar a Casa durante a noite ou em dias chuvosos, quando a energia dos painéis fotovoltaicos não está disponível pela falta de energia solar.
A Casa Solar possui um banco de baterias composto por 24 baterias estacionárias de 130 Ah, 12 Volts, agrupadas em ligações em série de quatro baterias cada (somando 48 Volts CC de tensão) ligadas em paralelo, armazenando uma energia útil de 30 kWh.
O sistema de armazenamento foi dimensionado para, com as baterias inicialmente completamente carregadas, atender às necessidades da Casa por três dias consecutivos sem suprimento de energia pelos painéis fotovoltaicos e pelo aerogerador.
As baterias podem ser consideradas uma das principais desvantagens de um sistema fotovoltaico pois necessitam de substituição, em média, a cada 4 anos. Entretanto, é importante ressaltar que se a bateria for utilizada de forma inadequada sua vida útil pode ser reduzida significativamente. Desta forma, para evitar sobrecargas ou descargas profundas, o que reduziria a vida útil da bateria, é necessário a utilização de um dispositivo eletrônico chamado controlador de carga.
A Casa Solar possui um sistema de aquecimento solar de água no telhado, para o chuveiro do banheiro e torneira da cozinha, e um sistema de aquecimento solar externo para demonstração. A instalação externa desses sistemas não é muito comum, mas é uma alternativa para situações onde as condições locais não são adequadas.
Sistema de aquecimento
solar externo
A energia solar térmica, ou seja, o aproveitamento da energia do sol para aquecimento de água, está se tornando cada vez mais freqüente. O sistema de aquecimento solar é composto, basicamente, por um coletor solar plano e por um reservatório térmico.
O coletor solar é responsável pela absorção e transferência da radiação solar para o fluido de trabalho (em geral, a água), sob a forma de energia térmica. Os coletores solares planos, empregados para aquecimento de água, podem ser classificados em dois grupos: fechados e abertos.
Os coletores fechados são utilizados para promover o aquecimento de água até temperaturas da ordem de 70 oC; os coletores abertos são recomendados para aquecimento de piscinas que operam a baixa temperatura, entre 28 e 30 oC.
O coletor solar plano é composto por uma caixa metálica fabricada em alumínio que possui no seu interior uma placa absorvedora pintada de preto e tubos de cobre, por onde escoa a água a ser aquecida. Na parte frontal do coletor existe uma cobertura transparente de vidro. Todo o sistema é isolado termicamente para evitar perdas de calor para o meio. O sistema possui uma boa vedação para mantê-lo isento da umidade externa.
O reservatório térmico é um tanque destinado a armazenar a água quente, proveniente do coletor solar, de modo a atender a demanda diária, mesmo fora dos horários de incidência solar. É constituído por um corpo interno cilíndrico, geralmente em aço-inoxidável ou cobre, sendo termicamente isolado para minimizar as perdas de calor para o ambiente. Para proteção externa, recomenda-se a utilização de capas metálicas.
Como a incidência de radiação é intermitente (períodos noturnos e também períodos de tempo nublado e chuvoso), em geral, os sistemas de aquecimento solar possuem uma forma de aquecimento auxiliar, normalmente elétrico ou a gás.
A Casa é suprida de água por um sistema de bombeamento também alimentado por um arranjo solar fotovoltaico. Uma bomba CC é energizada por 2 módulos fotovoltaicos de silício policristalino independente do sistema de alimentação principal da Casa. Este sistema de bombeamento é semelhante a centenas de sistemas instalados pelo CEPEL em municípios atendidos pelo PRODEEM.
O sistema de bombeamento de água instalado na Casa Solar é composto por uma bomba submersa que opera na tensão de 12 Volts CC e possui uma vazão de 500 litros / hora.
Composto por dois tanques de vidro posicionados com uma diferença de altura de 1,25 m e uma bomba CC de 12 Volts alimentada por dois módulos fotovoltaicos de 64 Wp, esse sistema simula o funcionamento de um sistema fotovoltaico de bombeamento de água. O tanque inferior representa o poço artesiano, onde a bomba CC fica submersa, e o superior, o reservatório de água, onde a energia gerada pelos módulos fotovoltaicos é armazenada na forma de energia potencial gravitacional.
É possível, tambem, simular o desempenho do sistema de bombeamento fotovoltaico em diferentes profundidades usando uma válvula de estrangulamento e um manômetro (medidor de pressão) inseridos na saída da bomba CC. Conforme a válvula estrangula a seção do cano a pressão medida entre a válvula e a bomba CC aumenta, onde o valor da pressão medida em kilogramas.força equivale a altura em metros de profundidade.
Os sistemas de iluminação pública instalados nas proximidades da Casa Solar Eficiente são compostos basicamente por um módulo fotovoltaico, uma bateria e uma luminária de 9 Watts. Em geral, estes sistemas possuem um sensor que liga e desliga a luminária automaticamente.
Apresentação em Visita à Casa Solar
A Casa Solar Eficiente é constituída por um mini-auditório para trinta pessoas onde são apresentados aspectos técnicos e econômicos do uso das fontes renováveis de energia solar e eólica no Brasil.
Sala de Controle
Na sala de controle encontram-se o sistema de controle de energia da casa, controlador de carga e inversor, e o sistema de aquisição de dados.
Controlador de
Carga da bateria
A energia gerada pelos painéis fotovoltaicos e aerogerador vai para o controlador de carga, cuja função é "gerenciar" o fluxo de energia (armazena energia excedente ou solicita energia armazenada nas baterias, caso a energia gerada pelos painéis num determinado instante não seja suficiente para atender ao consumo). Mesmo que geração de energia seja suficiente para atender ao consumo, a intervalos regulares o controlador de carga solicita energia das baterias para que sua vida útil não seja comprometida por longos períodos de inatividade. Como as baterias estão sempre imóveis caso não fossem solicitadas pelo controlador a decantação de seu fluído eletrolítico poderia causar a aceleração do desgaste químico das placas das baterias. O controlador evita também que a tensão nas baterias fique abaixo de um determinado nível mínimo de segurança, para preservar a vida útil das mesmas, quando por alguma razão (excesso de consumo ou falta de sol) a carga das baterias não é reposta pela energia gerada pelos painéis fotovoltaicos e pelo aerogerador.
Os controladores de carga mais utilizados são do tipo estado sólido microprocessado com relé de chaveamento das cargas.
Inversor de frequência
Independente da fonte escolhida pelo controlador (bateria, painéis fotovoltaicos ou aerogerador), a tensão é sempre contínua (CC). Os equipamentos da Casa (como em uma casa normal) devem ser alimentados por corrente alternada (CA) de 120 V em 60 Hz. A conversão de 48 Vcc em 120 Vca é feita pelo inversor.
Na Casa Solar optou-se por um inversor único para suprir toda a Casa com CA. Uma outra opção seria utilizar inversores menores distribuídos por eletrodomésticos ou pontos de carga. Esta segunda opção tem como vantagem a possibilidade de evitar a indisponibilidade total de energia em caso de defeito num inversor. No caso de existir um único inversor de maior porte, a ocorrência de um defeito deixaria a casa sem energia até a substituição ou conserto do inversor. O sistema distribuído tem como desvantagem, entretanto, a necessidade de utilização de maior quantidade de fios de maior bitola, pois como a energia em CC opera em tensão mais baixa (48 Vcc no caso contra 120 Vca), a corrente é maior para uma mesma potência transmitida.
Os inversores são capazes de fornecer tensão de saída estável em termos de amplitude e frequência, com níveis adequados ao uso de eletrodomésticos comerciais.
Na sala de eficiência energética encontram-se o painel de demonstração de iluminação, o painel de medidores, a maquete de simulação de consumo, o medidor digital, o medidor de Ampére-hora desenvolvidos pelo CEPEL, a bancada de medição de consumo de eletrodomésticos e a célula a combustível.
Painel de Iluminação
Este painel é composto por lâmpadas de diversos tipos e um medidor de energia. Ao ser ligada uma determinada lâmpada o medidor mostra o seu consumo em Watts. Com este painel pode-se comparar o efeito da iluminação e o consumo de diferentes lâmpadas. Uma demonstração particularmente interessante é a comparação de uma lâmpada incandescente com uma lâmpada compacta de mesma temperatura de cor. Com cerca de 30% do consumo a lâmpada compacta apresenta as mesmas características de luminosidade da incandescente, constatada visualmente pelo visitante.
Maquete de Simulação
de Consumo
Trata-se de uma maquete de uma casa com vários eletrodomésticos simulados em seu interior. Através de chaves seleciona-se que eletrodomésticos terão seu funcionamento simulado. O consumo total dos eletrodomésticos selecionados é mostrado num "display" digital. Através da simulação o visitante aprende quais os equipamentos de sua casa consomem maior energia.
Bancada de medição
de
Consumo de Eletrodomésticos
A bancada de medição de consumo de eletrodomésticos mede a demanda de potência (Watt) e o consumo de energia (Watt-hora) de equipamentos elétricos e exibe os valores medidos em dois mostradores digitais (display) em tempo real. Através dessas medições o visitante pode saber qual o consumo de eletrodomésticos convencionais.
Kit de demonstração com
célula a combustível e Eletrolisador
Células a combustível são dispositivos eletroquímicos que convertem a variação da energia livre de uma reação eletroquímica diretamente em energia elétrica e térmica, não envolvendo ciclos termodinâmicos de conversão indireta.
No kit de demonstração mostrado abaixo o hidrogênio (H2) e o oxigênio (O2) são produzidos no eletrolisador (mediante a eletrólise da água) – cujo esquema de funcionamento é mostrado em (1) – a partir da água deionizada e de uma fonte de energia elétrica, tais como módulos fotovoltaicos mostrados em (2). A água armazenada nas colunas é consumida no eletrolisador, produzindo os gases H2 e O2 que passam pelas mesmas colunas, de forma a regularizar o fornecimento e garantir a umidificação desses gases, chegando à célula a combustível de membrana polimérica trocadora de prótons – tal como por exemplo as mostradas em (3) ou (5), cujos componentes são mostrados em (5) e (6) e o esquema de funcionamento é mostrado em (4) - , onde esses gases passam por uma série de processos eletroquímicos e difusionais – no interior da célula a combustível, como mostrado em (7) e (8) – que resultam na produção de energia elétrica e calor.
Painel de medidores
de energia
O painel de medidores oferece a possibilidade de visualização da evolução histórica dos medidores de energia elétrica no Brasil desde 1906.
Este medidor, desenvolvido no CEPEL, apresenta possibilidade de medição de tarifa diferenciada dependendo do horário do consumo estar situado em horário de ponta ou fora de ponta. O chaveamento é telecomandado pela concessionária. As características de construção do aparelho o tornam praticamente imunes aos tipos de fraude comuns.
Também desenvolvido pelo CEPEL, este medidor é um medidor de baixo custo para ser utilizado por consumidores de baixo consumo. Não é rigorosamente um medidor de energia, pois é sensível apenas à corrente. Entretanto, como a tensão apresenta baixa flutuação os resultados são, em média, bastante próximos dos que seriam lidos com um medidor de energia, com a vantagem de ter um custo reduzido. O aparelho conseguiu patente nos Estados Unidos, o que abre portas para o mercado internacional.
Geladeira eficiente
com selo PROCEL
Na cozinha da Casa Solar encontram-se eletrodomésticos eficientes e que, por este motivo, receberam o selo PROCEL.
O PROCEL instituiu uma premiação anual para fabricantes de equipamentos eficientes. Os fabricantes enviam seus aparelhos para serem testados e os mais eficientes de cada categoria recebem o prêmio de eficiência energética. O CEPEL participa da premiação efetuando testes em vários equipamentos. A geladeira eficiente exposta na cozinha da Casa Solar foi a geladeira premiada em 1996. Tem um consumo de energia cerca de 50% menor que uma geladeira não eficiente e seu preço é apenas cerca de 10% maior que o de uma geladeira comum.
Sistema de Aquecimento Solar
A Casa Solar Eficiente não utiliza chuveiro elétrico pelo fato deste ser um dos maiores consumidores de energia em uma residência. Sendo assim, a água utilizada no banheiro é aquecida por meio de um sistema de aquecimento solar, mostrado na imagem ao lado.
A água do chuveiro do banheiro e torneira da cozinha é aquecida por um coletor solar plano. Este tipo de painel, diferentemente dos módulos fotovoltaicos (que transformam energia solar em elétrica), acumula calor do sol e o transfere diretamente para a água que circula em suas canalizações. A água aquecida vai sendo acumulada num reservatório térmico. A circulação da água dá-se por gravidade, sendo função da diferença de altura entre a caixa d'água e o painel e da diferença de densidade resultante da diferença de temperatura da água na entrada e saída do painel.
Como, pelas características do telhado da casa, a diferença de altura entre a caixa d'água e o coletor solar é pequena, a circulação da água pelo painel depende em boa parte da diferença de densidade gerada pela diferença de temperatura. Uma pequena bomba funcionando por poucos minutos inicia o processo até que o diferencial de temperatura compense a pouca diferença de altura e o processo de circulação possa continuar sem o auxílio da bomba.
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