A Casa Solar Eficiente (CSE) é uma casa pré-fabricada com sua necessidade de energia elétrica totalmente suprida por fontes de energia solar e eólica. O sistema de geração de energia elétrica (SGEE) da casa é constituído por dois arranjos de módulos fotovoltaicos de silício poli-cristalino (p-Si), um fixo e outro móvel com sistema de rastreamento solar, somando uma potência de aproximadamente 1990 watt pico (Wp) e um aerogerador de 1 kW, conforme ilustra a Figura 1.
Figura 1 - Configuração do sistema de geração elétrica da casa solar
O sistema elétrico da Casa Solar apresenta as seguintes características gerais:
- Arranjo Fotovoltaico: 1993 Wp
- Banco de Baterias: 750Ah/48Vcc (20 unidades)
- Inversor: 48Vcc/120Vca/60Hz-4kW
- Autonomia: 72 horas
- Consumo projetado: 7,4 kWh/dia
- Rad. Média Anual: 4,75 - 5,25 kWh/m2.dia (Fonte: INPE, 2006. Atlas Brasileiro de Energia Solar)
Figura 2 - Painel Fotovoltaico Fixo no telhado da Casa Solar.
O painel fotovoltaico fixo, instalado no telhado da varanda, é composto por um total de 32 módulos fotovoltaicos (Figura 2). Os módulos são agrupados em ligações em série de quatro módulos cada, conseguindo-se uma tensão de 48 Volts CC (corrente contínua). Os oito grupos-série de quatro módulos são então ligados em paralelo, conforme ilustrado na figura 3. O painel fotovoltaico fixo possui uma potência total de 1450 Wpico.
Figura 3 - Ligação dos módulos do painel fotovoltaico fixo.
O painel fixo está orientados para o norte com uma inclinação de 22,5o (correspondente à latitude da cidade do Rio de Janeiro).
Figura 4 - Ângulo de inclinação dos painéis fotovoltaicos
Figura 5 - Painel fotovoltaico com sistema de rastreamento solar.
O painel fotovoltaico rastreador, montado na frente da Casa Solar, possui uma estrutura que acompanha o movimento do sol ao longo do dia (Leste - Oeste). Ele é composto por 12 módulos fotovoltaicos ligados em grupos-série de quatro módulos cada (48 Volts CC em cada grupo) associados em paralelo. O painel fotovoltaico rastreador possui uma potência total de 540 Wp (Figura 6). O sistema de rastreamento solar 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.
Figura 6 - Ligação dos módulos do painel fotovoltaico rastreador.
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 do painel, favorecendo o aproveitamento da energia solar. O ganho de aproveitamento da irradição solar dessa estrutura móvel com rastreamento solar é da ordem de 15 a 20% se comparada com a montagem fixa dos módulos fotovoltaicos.
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 de tensão que fará a conversão de CC em CA.
Os materiais mais utilizados na confecção de células fotovoltaicas são: (a) silício monocristalino (mono-Si), (b) silício policristalino (poly-Si) e (c) silício amorfo (a-Si) (Figura 7). 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 10%). As células fotovoltaicas são ligadas em conjuntos série-paralelo compondo módulos fotovoltaicos de diversas potências e tensões.
Figura 7 - Tipos de células fotovoltaicas comerciais.
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.