CHARACTERIZATION AND APPLICATIONS OF HYBRID PHOTOVOLTAIC SYSTEMS
Alexandre Costa da Silva [1]
Jardel Claudino Pereira Santos [2]
RESUMO
Ao longo da história recente as novas tecnologias de geração de energias é uma das características marcantes da sociedade contemporânea nesta era de globalização. O objetivo desta pesquisa é por meio da revisão bibliográfica, buscar a demonstração das características e aplicações dos sistemas fotovoltaicos híbridos. Para isso este estudo denota os pontos importantes abordados na aplicação do sistema, no qual apresenta-se a aplicação do sistema e as recentes descobertas. A energia é fundamental na sociedade moderna. É um pilar fundamental para o bem-estar humano, o desenvolvimento redução económica e da pobreza. É essencial porque é a forma de satisfazer as necessidades humanas, coisas tão básicas como alimentação, higiene ou transporte. Portanto, há uma forte dependência das nações em combustíveis fósseis, que é onde a energia tem sido tradicionalmente obtida. Mas estes estão começando a esgotar-se devido ao consumo excessivo. Além disso, os recursos energéticos convencionais têm um impacto indesejáveis no ambiente, sendo estas a raiz da poluição ambiental, dos problemas de saúde e do aquecimento global. Tudo isto tem causado grande interesse na utilização de recursos não energéticos. Os sistemas fotovoltaicos híbridos têm sido estudados nas últimas cinco décadas. Os estudos foram de natureza teórica, numérica e experimental em todo o mundo. Este trabalho revisou os antecedentes e o conceito geral de tecnologia fotovoltaica híbrida, e se aprofundou nos últimos avanços em torno deste assunto dependendo do tipo de célula fotovoltaica e coletor solar e suas aplicações.
Palavras-chave: Tecnologias. Fotovoltaicos. Energia. Híbridos. Ambiental
1. INTRODUÇÃO
A energia é um pilar fundamental para o bem-estar humano, o desenvolvimento econômico e a redução da pobreza sendo essencial, porque é a forma de cobrir as necessidades humanas, coisas tão básicas como a alimentação, a higiene ou o transporte. Por este motivo, existe uma forte dependência das nações dos combustíveis fósseis, onde tradicionalmente a energia é obtida, mas estes começam a esgotar-se devido ao consumo excessivo. Além disso, os recursos energéticos convencionais têm um impacto indesejável no ambiente, sendo a raiz da poluição ambiental e dos problemas de aquecimento global. Tudo isto tem despertado um grande interesse na utilização de recursos energéticos não poluentes, inesgotáveis e dependentes do local, como a energia solar.
Nos períodos históricos ocorreram duas grandes transformações no desenvolvimento energético houve a transformação da madeira em carvão e depois em petróleo e gás, e no futuro assistirá à terceira grande transformação do petróleo e do gás para as novas energias, mas desde que os primeiros humanos começaram a usar o fogo, a energia tornou-se um recurso essencial para a sobrevivência humana, pois a madeira facilmente acessível fornecia aquecimento, cozinha e outras necessidades básicas de sobrevivência para os primeiros humanos, mas com o avanço tecnológico na mineração de carvão, o uso do carvão começou a se espalhar, tinha maior densidade energética.
Em 1769, Watt inventou a máquina a vapor. Em 1875, os franceses construíram a primeira central eléctrica a carvão do mundo, pois o progresso da civilização humana acelerou o desenvolvimento da indústria do carvão, e o carvão representou a maior parte do mix de energia primária na década de 1780, ultrapassando a madeira pela primeira vez, pois esta foi a primeira transformação da madeira para o carvão, mas em 1886, a Daimler inventou o motor de combustão interna, provocando um enorme aumento na procura de petróleo e gás como recursos energéticos eficientes, pois os avanços na teoria geológica e nas tecnologias de perfuração, completação e refino impulsionaram a produção de petróleo e gás, consequentemente a participação do petróleo e do gás no mundo energético primário cresceu rapidamente para mais de 50% em 1965.
Então estes recursos energéticos substituíram o carvão como a maior energia do mundo, registando a segunda transformação do carvão para o petróleo e o gás, pois com o aumento sustentado da procura econômica a terceira grande transformação dos combustíveis fósseis tradicionais para novas energias não fósseis será inevitável.
Nos últimos anos, os problemas ecológicos e ambientais causados pela utilização de carvão, petróleo e outros recursos energéticos com elevado teor de carbono aumentaram. Com a crescente procura de um ambiente ecológico verde, o gás natural e as novas energias, enquanto recursos energéticos limpos, ocuparão uma quota maior no mundo energético.
Figura 1: O sistema fotovoltaico híbrido.
Fonte: Domínio Público, 2024.Disponível em: http://wordpress.com.
Acessado em: 5 mar. 2024.
Minha fomentação sobre o assunto veio logo após uma pesquisa solicitada pelo professor do curso em que pude verificar o enriquecimento de conhecimento em sua aplicação, caracterização do sistema e de sua importância para área de sistema fotovoltaicos, pois os sistemas híbridos se caracterizam principalmente pela capacidade de gerar a energia elétrica por meio do sol, e ao mesmo tempo, armazenar toda energia produzida em excesso, em baterias.
Sendo assim, é capaz de suprir falhas na rede de energia, seu uso pode ser até mesmo à noite, entre outras funções. Como resultado, proporcionam economia e uma maior segurança. A energia renovável tem evoluído de forma muito rápida, graças à inovação tecnológica que tem proporcionado aplicações nos produtos e processos e ao mesmo tempo abrindo mercado para os tipos de inovação, seja ela uma inovação incremental, radical ou disruptiva, agindo desde a introdução de um produto novo, uma inovação de processo e até mudanças na organização industrial, mudanças em componentes do produto que melhorem sua eficiência e da empresa incentivando o desenvolvimento e análise de políticas voltadas para a inovação tecnológica (MANUAL DE OSLO, 2018).
Para se dispor das melhores inovações é necessário compreender que este é um fenômeno dinâmico, complexo, socialmente econômico e político que precisa ser visto de forma holística, para assim, observar as vantagens de sua aceitação e aplicação comercial (SILVEIRA et al. 2020). Por isso, a disposição de uma inovação tecnológica para a sociedade se torna de suma importância para o setor produtivo que pode proporcionar melhorias em processos que aumentam a eficiência industrial, reduzindo custos e criando uma ampliação no mercado consumidor em vários setores da sociedade (JESUS et al. 2021).
2. REVISÃO DA LITERATURA
Os sistemas híbridos são os que geram eletricidade a partir de duas ou mais fontes de energia, que podem ser ou não renováveis, em um ponto de conexão. Os consumidores podem criar um sistema de geração híbrida ou ainda transformar uma instalação já existente. Uma instalação de geração híbrida pode usar a energia fotovoltaica ou eólica e ainda utilizar diesel como combustível para geradores.
Em algumas situações, esse tipo de sistema é considerado o mais adequado, mesmo com a utilização de fonte fóssil de energia. Um dos casos mais comuns no Brasil ocorre na geração de energia em locais remotos, com a modalidade solar-eólica. Na usina híbrida, a geração de energia se divide em dois períodos: de dia, com a luz solar sendo responsável por alimentar as baterias, quando é captada pelos painéis fotovoltaicos; e à noite, quando o vento movimenta as pequenas turbinas elétricas e gera a energia híbrida.
A geração fotovoltaica é utilizada hoje no mercado para atender de forma sustentável a crescente demanda por eletricidade, principalmente em regiões com altos índices de irradiação solar. Sua utilização não gera poluição ao meio ambiente, além de ser um sistema altamente escalável, com manutenção mínima (FONSECA, 2017). Nesse contexto, os sistemas fotovoltaicos estão divididos em três categorias distintas: Sistemas on-grid (Opera conectado à rede de distribuição convencional), sistemas off-grid (opera de forma autônoma) (ALVES, 2019).
Figura 2: O sistema híbrido off/on.
Fonte: Domínio Público, 2024.Disponível em: http://wordpress.com.
Acessado em: 5 mar. 2024.
Os primeiros sistemas híbridos de energia surgiram por volta dos anos de 1970 com a chamada crise do petróleo ocorrida naquela época. Desde então, o mundo começou a busca por novas fontes de geração alternativa de energia para suprir a alta demanda e ao mesmo tempo diminuir a dependência de combustíveis fósseis. Muitas ideias foram propagadas, e ao mesmo tempo se descobrindo que a fonte fotovoltaica não é capaz de alimentar sozinha um sistema elétrico que se compõe de cargas residenciais e até industriais, fato que levou à criação de um sistema com mais de um gerador, denominado sistema híbrido (COSTA, 2019).
O objetivo fundamental do inversor híbrido é converter energia em corrente contínua (CC) para corrente alternada (CA) gerada a partir de um sistema fotovoltaico, no entanto, o que o diferencia dos outros tipos de inversores é a capacidade de operar simultaneamente entre os sistemas on-grid e off-grid, desta forma, toda a energia excedente gerada pelos painéis e/ou de outras fontes de energia conectadas, é injetada para a rede elétrica com o objetivo de gerar créditos, ou é armazenada em baterias, para que os equipamentos conectados ao sistema possam funcionar por um determinado tempo. Assim como nos sistemas on-grid, além de também operar separadamente com baterias estacionárias, como no sistema off-grid, convertendo a corrente contínua da bateria (DC) em corrente alternada (AC) (NEOSOLAR, 2021).
Todo sistema fotovoltaico, é indispensável a contratação de um engenheiro especialista no assunto com ART, devidamente filiado ao CREA e que atue sempre de acordo com as normas vigentes NR 10 e NR18. Ademais, este sistema tem o custo mais alto em consequência do sistema de banco de baterias.
Tabela 1: Equipamentos do Sistema Fotovoltaico Híbrido.
Fonte: ANTONIOLLI, 2015.
Os principais custos de implantação de um sistema fotovoltaico no Brasil foram realizados uma pesquisa pelo Instituto Ideal que contou com a participação de 170 empresas integradoras em 2019 com base nos dados de 2018, os resultados podem ser observados na figura 3. Com base nisso, pode-se observar que os maiores custos de um sistema fotovoltaico estão associados à compra de módulos fotovoltaicos (40%) e inversores (19%) (Instituto Ideal, 2019).
Figura 3: Composição dos custos para um Sistema Fotovoltaico no Brasil.
Fonte: Instituto Ideal, 2019.
Com a crescente industrialização global, e o aumento da demanda de energia elétrica, diversas discussões surgiram em prol da otimização e aperfeiçoamento das fontes de geração de energia já existentes, buscando tecnologias mais eficientes e otimizadas, atreladas à viabilidade econômica, e responsabilidade ambiental, para a geração de energia de uma forma limpa e sustentável, especialmente a geração fotovoltaica (VERGÍLIO, 2012).
3. METODOLOGIA
Denota-se fazer um trabalho em revisão bibliográfico sobre a caracterização e aplicações dos sistemas fotovoltaicos híbridos. Como fonte de pesquisa, utilizou-se plataformas como Google Academics, Scielo e as bases da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (Capes) / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) para busca de artigos, monografias, dissertações, teses e publicações científicas. Fomentar as pesquisas na busca de novas tecnologias e soluções mais efetivas, sobre o uso do fotovoltaicos.
A humanidade procura novos métodos para proteger o planeta e combater as alterações climáticas, criando um ambiente mais sustentável. Uma forma essencial de atingir este objetivo é a utilização de energias renováveis. A Agência Internacional de Energia (AIE) relata que a geração de energia através de fontes renováveis tem sido a fonte de crescimento mais rápido recentemente (AIE, 2019). Isto se deve às políticas dos países desenvolvidos e à queda dos custos da tecnologia.
Em 2019, a produção global de eletricidade a partir de energias renováveis aumentou 440 TeraWaltts/hora, o segundo maior aumento depois de 2018. O crescimento anual da produção de energia renovável foi de 6,5%, mais rápido do que qualquer outro combustível, incluindo o carvão e o gás natural.
A participação das energias renováveis no fornecimento global de eletricidade atingiu 27% em 2019, o nível mais elevado alguma vez registado. A energia eólica, a energia solar fotovoltaica e a energia hídrica representaram juntas mais de 85% do crescimento das energias renováveis, acompanhadas pela bioenergia.
Figura 4: Taxa de crescimento da procura de eletricidade e produção de energia renovável entre 2010 e 2019.
Fonte: Agência Internacional de Energia, 2020.
Os sistemas fotovoltaicos híbridos provaram ser úteis nas áreas do planeta onde há elevada exposição solar ao longo do ano e a temperatura ambiente permanece relativamente elevada. Uma vez que alguns sistemas, como os sistemas fotovoltaico/térmico (PVT) à base de água, são limitados nas suas condições de funcionamento a baixas temperaturas devido à possibilidade de congelamento. Embora seja preferível usar água por apresentar características térmicas elevadas em relação ao ar. O sistema PVT à base de água possui maior eficiência elétrica e térmica em comparação com o sistema PVT à base de ar.
A combinação destes dois sistemas oferece dois grandes benefícios: um aumento na eficiência das células fotovoltaicas, sabe-se que as células fotovoltaicas sofrem uma queda na eficiência em resposta a qualquer aumento de temperatura e podem, portanto, ser minimizadas com um sistema solar térmico, e uma redução na utilização do espaço. Embora a tecnologia híbrida não seja tão comum quanto as tecnologias fotovoltaicas e solar térmica. Isto ocorre principalmente porque ambas as tecnologias tinham dimensões e finalidades muito diferentes.
Por um lado, a tecnologia fotovoltaica tinha custos indiretos elevados para pequenas potências, o que a tornava pouco rentável em pequena escala e estava mais focada em grandes instalações. Nos últimos anos houve uma redução nos preços, o que o tornou economicamente mais interessante para o utilizador final.
Por outro lado, a energia solar térmica é utilizada principalmente para cobrir a procura de água quente sanitária nos edifícios, o que significa que as instalações são relativamente menores. Os sistemas híbridos para utilização de energia solar têm atraído atenção considerável de cientistas e engenheiros nas últimas duas décadas devido à sua maior eficiência e estabilidade de desempenho em comparação com dispositivos solares individuais.
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES OU ANÁLISE DOS DADOS
Os sistemas fotovoltaicos híbridos provaram ser úteis nas áreas do planeta onde há elevada exposição solar ao longo do ano e a temperatura ambiente permanece relativamente elevada. Os estudos mais recentes mostram que o desempenho dos sistemas fotovoltaicos híbridos é melhor que o dos sistemas térmicos e dos sistemas fotovoltaicos individuais.
Prevê-se que os sistemas PVT serão capazes de satisfazer a necessidade de consumo de energia num futuro próximo. Além disso, estes sistemas fornecem a energia necessária de forma limpa e amiga do ambiente. Isto explica a importância de tais sistemas e, portanto, mais pesquisas e estudos devem ser realizados para melhorar e otimizar o sistema para maior eficiência e menores custos.
O calor é o maior uso final de energia antes dos transportes e da eletricidade, sendo responsável por metade do consumo final global de energia. A utilização de energias renováveis para gerar calor aumentou ligeiramente em 2019, continuando a bioenergia a ser a maior fonte, seguida pela energia solar térmica e geotérmica. As utilizações tradicionais da biomassa sólida têm baixa eficiência e resultam em impactos negativos para a saúde humana, socioeconômicos e ambientais, ainda constituem a maior parte da utilização de bioenergia no aquecimento.
A energia solar térmica é usada principalmente em pequenas residências. Os aquecedores de água no sector residencial continuaram a aumentar no ano passado, mas o crescimento abrandou devido à redução das atividades de construção, à saturação do mercado, à concorrência com outras tecnologias e à eliminação progressiva dos incentivos. O gráfico seguinte resume os dados apresentados acima sobre o crescimento anual da geração de eletricidade através de fontes de energia renováveis de acordo com as diferentes regiões e tecnologias do mundo em 2019.
Existe uma série de vantagens em optar por um sistema solar híbrido, além da conhecida economia proporcionada pelos sistemas solares convencionais. Algumas delas são: a) Armazenamento de energia solar para ser usada durante a noite; b) independência energética mais abrangente, por estar sempre disponível em casos de apagão, por exemplo, além da conta de energia sofre uma redução ainda maior, uma vez que se consome a energia das baterias quando você mais necessita de energia (por exemplo, durante a noite); c) Permite que o consumidor faça um uso mais ponderado da eletricidade, onde, por exemplo, ligar máquinas durante o dia, quando a produção é maior; e d) também é possível usar a energia gerada pelo sistema fotovoltaico híbrido para carregar carros elétricos, a qualquer horário do dia, e até mesmo durante quedas de energia.
Já as desvantagens para instalar esse modelo de sistema são: a) requer um maior custo de investimento se comparado aos sistemas solares que não possuem um banco de baterias; b) As baterias têm um prazo de vida entre 7 e 15 anos, menor do que os módulos solares (25 anos); c) devido à complexidade na instalação do sistema, você terá que reservar um espaço maior (de novo devido às baterias); d) dependendo do tipo de inversor, o consumidor deverá limitar o número de máquinas e equipamentos ligados ao mesmo tempo; e e) por fim e acima de tudo, é fundamental avaliar o orçamento do consumidor para assim, encaixá-lo no sistema fotovoltaico mais adequado e que atenda às suas necessidades.
Figura 5: Crescimento anual da geração de eletricidade renovável por região e tecnologia em 2019.
Fonte: Agência Internacional de Energia, 2019.
Sistemas fotovoltaicos híbridos têm sido estudados nas últimas cinco décadas. Os estudos têm sido de natureza teórica, numérica e experimental em todo o mundo. Este documento revisou os antecedentes e o conceito geral da tecnologia fotovoltaica híbrida e aprofundou os últimos avanços nesta matéria de acordo com o tipo de célula fotovoltaica e coletor solar e suas aplicações. Principalmente sistemas fotovoltaicos híbridos são utilizados com o objetivo de produzir eletricidade e calor. A energia térmica pode ser explorada em diversas aplicações, como aquecimento de água, aquecimento e resfriamento de ambientes, secagem e dessalinização.
Em quais casos um sistema fotovoltaico híbrido é mais indicado?
Indica-se o sistema fotovoltaico híbrido principalmente para suprir as necessidades energéticas onde máquinas e sistemas não podem parar. Podemos citar por exemplo: hospitais, centros de pesquisas, centrais de controle de grande porte, comércio de grande porte como supermercados e shoppings e entre outros.
5. CONSIDERAÇÕES FINAIS
Não existe outro caminho: para proteger o planeta e reduzir cada vez mais as emissões de carbono, é preciso investir em sistemas híbridos de geração de energia que privilegiem matrizes mais limpas e seguras. Mas, à medida que a geração limpa aumenta, os impactos também são sentidos nas redes, muito por conta das variadas quantidades de energia geradas ao longo do dia.
Uma das soluções para isso é a combinação de energia solar e baterias, que permite que os operadores de usinas híbridas forneçam eletricidade durante as horas mais valiosas, quando a demanda é mais forte.
Uma das ideias para avançar na descarbonização é a de que os países estejam atentos à possibilidade de combinar as energias renováveis mais competitivas (eólica, fotovoltaica e hidráulica) em instalações híbridas, que podem ser complementadas ou não com sistemas de armazenamento. Isso estabeleceria uma ferramenta bem-sucedida para fornecer energia limpa e eficiente. Estamos falando dos sistemas híbridos, considerados por muitos como o futuro da energia solar.
Optar por um sistema fotovoltaico em casa é uma forma de gerar a própria energia, economizar na conta de luz, além da vantagem de ser acessível em praticamente qualquer região do país devido à alta incidência solar no território. O uso da energia solar tem se desenvolvido cada vez mais no Brasil e o ano de 2021 quebrou recordes de geração. Resultado que reflete o crescimento gradual nos últimos 10 anos. Escolher o modelo adequado requer uma avaliação segura, considerando as necessidades de cada projeto, inclusive os custos e o retorno do investimento.
As regras para a energia solar no Brasil foram definidas pela Resolução Normativa 482 publicada em 2012 pela Aneel. Com ela, foram estabelecidas as condições gerais para a micro e minigeração distribuída e a compensação de energia elétrica. Entretanto, a legislação não contempla os sistemas fotovoltaicos híbridos, mas já existem deliberações para inclusão do modelo. Pode parecer vantajoso, mas além de necessitarem de um investimento maior, quem adquire os sistemas fotovoltaicos híbridos atualmente não tem garantia que as regras aprovadas futuramente serão as mesmas em relação aos produtos comprados hoje. Por isso, o mais indicado é escolher o melhor modelo para a sua situação e fazer um investimento com mais segurança.
REFERÊNCIAS
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[1] Discente do Curso Superior de Especialização Sistemas Fotovoltaicos do Instituto de Ensino Superior Blauro Cardoso de Mattos – FaSerra Campus Manaus – AM e-mail: acostaprf@yahoo.com.br.
[2] Docente do Curso Superior de Especialização Sistemas Fotovoltaicos do Instituto de Ensino Superior Blauro Cardoso de Mattos – FaSerra Campus Manaus – AM. Mestre em Ensino de Ciêncis e Matemática (PPGECIM/UFAM). e-mail: Jardel.pibid@gmail.com