Planta Baixa

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 o final de 2012, quase 16.000 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.

1.1. Planta Baixa

1. Painel Fotovoltaico Rastreador
2. Aerogerador
3. Banco de Baterias
4. Painel Fotovoltaico Fixo
5. Iluminação Pública
6. Aquecimento Solar de água
7. Sistema de Bombeamento
8. Sala de Controle
9. Cozinha
10. Auditório
11. Sala de Eficiência Energética
12. Banheiro

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)

2.1. Painel fixo

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 22,5^o (correspondente à latitude da cidade do Rio de Janeiro).

Figura 4 - Ângulo de inclinação dos painéis fotovoltaicos

2.2. Painel rastreador

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.

2.3. Células fotovoltaicas

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.

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 é convertida de CC para CA através de um inversor de fonte de tensão.

Figura 5 - Topologia do sistema de geração eólica

O banco de baterias é o sistema de armazenamento de energia utilizado na Casa Solar para fornecer energia durante a noite ou em dias chuvosos, quando a geração dos painéis fotovoltaicos é nula ou insuficiente (com baixo níveis de irradiância solar, ou seja, radiação solar incidente). Ele foi dimensionado para atender, considerando as baterias inicialmente carregadas, um consumo diário de 7,4 kWh por três dias consecutivos sem o fornecimento de energia pelos painéis fotovoltaicos e pelo aerogerador. Isso corresponde a uma capacidade de armazenamento de energia útil de aproximadamente 22,3 kWh (Figura 1).

Figura 1 - Banco de baterias.

O banco de baterias é composto por 20 baterias de chumbo-ácido estacionárias seladas de 150 Ah/12 Volts em C20 (com ciclo de descarga profundo) conectadas em 5 arranjos de 4 baterias associadas em série ligados em paralelo, operando com tensão de 48 Volts CC. A montagem foi feita com fiação cruzada de forma a equalizar os níveis de tensão e corrente a que são submetidas as baterias do banco (Figura 2).

Figura 2 - Ligação do banco de baterias.

Figura 3 - Caixa elétrica contendo o barramento de corrente contínua, o controlador de carga e transdutores para medição de corrente e tensão ligados ao sistema de aquisição de dados da Casa Solar.

A energia gerada pelos painéis fotovoltaicos vai para o sistema de controle de carga, composto pelos controladores carga e descarga. O objetivo do sistema de controle de carga 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.

O controlador de carga deve desconectar as fontes energia quando as baterias atingem plena carga. Essa atuação impede que as baterias sejam sobrecarregadas e evita, desse modo, a geração de gases a partir da eletrólise da água e o sobreaquecimento das mesmas, reduzindo a perda de água e preservando a vida útil das baterias.

O controlador de descarga solicita, em intervalos regulares, energia das baterias para que sua vida útil não seja comprometida por longos períodos de inatividade, mesmo que a geração de energia seja suficiente para atender ao consumo. 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 de descarga 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 pelo sistema isolado de geração. Os controladores de carga mais utilizados são do tipo estado sólido microprocessado com relé de chaveamento das cargas.

Figura 4 - Detalhe do Controlador de carga da bateria usado na Casa Solar.

A Casa Solar utiliza um controlador de carga independente (Figura 4) e um controlador de descarga integrado ao inversor de tensão utilizado.

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 (Figura 1). A instalação externa desses sistemas não é muito comum, mas é uma alternativa para situações onde as condições locais não são adequadas.

Figura 1 - 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. A figura 2 ilustra o princípio de funcionamento do sistema de aquecimento solar de água, onde o área na cor vermelho representa a água mais quente, que foi aquecida pela irradiação solar no coletor plano, em relação à área em azul.

Figura 2 - Funcionamento do sistema de aquecimento solar.

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.

Figura 7 - Sistema de bombeamento de água

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.

Cisterna com bomba de 12 Vcc submersa

6.1. Sistema fotovoltaico de simulação de bombeamento de água

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.

Figura 1 - Disposição do inversor e sistema de aquisição de dados na Sala de Controle.

Na sala de controle encontram-se o inversor de tensão e o sistema de aquisição de dados.

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.

10.1. Painel de demonstração de iluminação

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.

10.2. Maquete de simulação de consumo

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.

10.3. Bancada de medição de consumo de eletrodomésticos

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.

10.4. Célula a combustível

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.

10.5. Painel de medidores

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.

10.6. Medidor digital CEPEL

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.

10.7. Medidor Ampére-hora

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.