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UNIVERSIDADE DO SUL DE SANTA CATARINA
RONALDO ALVES SILVA
ENERGIAS RENOVÁVEIS – USO DA ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA EM EDIFICAÇÕES URBANAS:
ESTÁDIOS SOLARES
PALHOÇA
2012
1
RONALDO ALVES SILVA
ENERGIAS RENOVÁVEIS – USO DA ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA EM EDIFICAÇÕES URBANAS:
ESTÁDIOS SOLARES
Trabalho de conclusão de curso
apresentado ao curso de graduação em
Engenharia Elétrica com ênfase em
Telemática da Universidade do Sul de
Santa Catarina, como requisito parcial à
obtenção do título de Engenheiro
Eletricista.
Orientador: Professor João Luiz Alkaim, Dr.
PALHOÇA
2012
2
RONALDO ALVES SILVA
ENERGIAS RENOVÁVEIS - USO DA ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA EM EDIFICAÇÕES URBANAS:
ESTÁDIOS SOLARES
Este trabalho de conclusão de curso foi julgado adequado à obtenção do título de Engenheiro Eletricista e aprovado em sua forma final pelo Curso de graduação em Engenharia Elétrica Telemática da Universidade do Sul de Santa Catarina.
Palhoça, Julho de 2012.
____________________________________________________
Professor e orientador João Luiz Alkaim, Dr. Universidade do Sul de Santa Catarina
____________________________________________________ Professor Paulo Roberto May, Msc.
Universidade do Sul de Santa Catarina
____________________________________________________ Professor Roberto Francisco Coelho, Msc.
Universidade do Sul de Santa Catarina
3
Dedico este trabalho aos meus pais Raimundo e
Lourdes que sempre acreditaram e à minha
querida noiva e parceira de todos os momentos
Fernanda, que desde o início me apoiou. Aos
queridos mestres que depositaram sua confiança
e transferiram seus conhecimentos ajudando a
construir a minha formação e a Deus, fonte de
força, que me permitiu com determinação, chegar
ao final de mais uma jornada, abrindo portas para
novos desafios.
4
Agradecimentos
Agradeço primeiramente a Deus. Agradeço também à minha família, aos meus
amigos e aos queridos professores, além de todos aqueles que participaram desta empreitada,
contribuindo de alguma forma para que eu pudesse transpor todos os obstáculos que me foram
impostos e alcançasse o meu objetivo.
5
“Há duas formas de viver a vida: Uma é acreditar que não existem milagres. A outra é acreditar
que todas as coisas são um milagre.” (Albert Einstein).
“O único lugar aonde o sucesso vem antes do trabalho é no dicionário.” (Albert Einstein).
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Resumo
A evolução da economia e a melhoria da qualidade de vida da população estão
relacionadas à crescente demanda de energia elétrica. Nos próximos anos, com os eventos
esportivos como a Copa do Mundo de Futebol, em 2014, e os Jogos Olímpicos, em 2016, esta
demanda crescerá ainda mais. Uma forma de ampliar a atual matriz energética é a inserção de
outras formas de geração de energia elétrica a partir de fontes renováveis. A fonte solar
fotovoltaica destaca-se, pois além de poder gerar energia de forma distribuída, é inesgotável,
silenciosa, simples e limpa, contribuindo com o meio ambiente. O Objetivo deste trabalho
consiste na realização de um estudo concernente a esta tecnologia, com pesquisa bibliográfica,
para avaliar sua evolução, e sua aplicação em edificações, de modo a verificar sua viabilidade em
estádios e arenas desportivas, por exemplo, integrando estes edifícios ao sistema como usinas
de geração elétrica e, portanto, aliviando sua carga.
Palavras-chave: Geração, Energia, Renovável, Sustentável, Solar, Fotovoltaica, Matriz
energética.
7
Abstract
The evolution on the economy and improved quality of life is related to growing
electricity demand. In the coming years, with sporting events like the FIFA World Cup in 2014
and the Olympic Games in 2016, this demand will grow even more. One way to increase the
current energy matrix is the inclusion of other forms of electricity generation from renewable
sources. The photovoltaic solar power stands out, as well as generate power in a distributed
way, is endless, silent, simple and clean, contributing to the environment. The objective of this
study will conduct a study of this technology, literature, evaluating its progress and its
application in buildings and to verify the feasibility of using it in sports stadiums and arenas, for
example, integrating these buildings as electric generation plants to the system and lightening
your load.
Keywords: Generation, Energy, Renewable, Sustainable, Solar, Photovoltaic, Energy
Matrix.
8
Lista de Figuras
Figura 1 - Fluxograma da metodologia adotada para o desenvolvimento do trabalho. ............... 16
Figura 3 - Radiação solar global diária, média anual típica - Wh/m².dia (Fonte: ANEEL). ............. 24
Figura 4 - radiação solar no plano inclinado, correspondente à latitude local e orientado ao
norte. .............................................................................................................................................. 25
Figura 5 - Desenho esquemático da célula fotovoltaica (Fonte ANEEL, 2003). ............................. 26
Figura 6 - Sistema fotovoltaico isolado com banco de baterias (Fonte: ZOMER, 2010). ............... 28
Figura 7 - Sistema fotovoltaico integrado à edificação e conectado à rede elétrica convencional
(Fonte: ZOMER, 2010). ................................................................................................................... 29
Figura 8 - Células HIT, comparação com célula de silício monocristalino convencional e detalhe
da construção. (Fonte: SANYO) ...................................................................................................... 31
Figura 9 - Módulo fotovoltaico de silício monocristalino (fonte http://pt.pvsolarchina.com) ...... 33
Figura 10 - Módulo Fotovoltaico flexível de Silício Amorfo. .......................................................... 34
Figura 11 - Maquete Virtual do novo complexo Mineirão e Mineirinho (Créditos: Arquivo Gustavo
Penna) - Fonte Portal da Copa 2014............................................................................................... 37
Figura 12 - Foto: Estádio Governador Magalhães Pinto – (Fonte:
http://pordentrodacopa2014.wordpress.com) ............................................................................. 38
Figura 13 - Projeto arquitetônico do Mineirão, principais pontos foco da reforma. ..................... 39
Figura 14 - Estádio Governador Magalhães Pinto - Mineirão - Vista aérea, em 2010 (Fonte:
Relatório Estádios Solares, 2010). .................................................................................................. 40
Figura 15 - Estádio Governador Magalhães Pinto - Mineirão, 2010 - Vista 3D Google Earth (Fonte:
Relatório Estádios Solares, 2010). .................................................................................................. 40
Figura 16 - Complexo Mineirão e Mineirinho, vista área da obra (Fonte: Google Maps, 2012). .. 41
Figura 17 - Estádio Mineirão, vista da obra (Fonte Google Street View, 2012). ............................ 41
Figura 19 - Vista aérea do Estádio Mineirão. Módulos fotovoltaicos, representados em azul
escuro (Fonte: Relatório Estádios Solares, 2010). .......................................................................... 43
Figura 20 - Vista em perspectiva do Estádio Mineirão. Módulos fotovoltaicos representados em
azul escuro (Fonte: Relatório Estádios Solares, 2010). .................................................................. 44
9
Lista de Tabelas
Tabela 1- Características de módulos fotovoltaicos de diferentes tecnologias e dimensões (Fonte:
ZOMER, 2010). ................................................................................................................................ 35
Tabela 2 - Características dos módulos fotovoltaicos propostos para a cobertura do Estádio
Mineirão (Fonte: Relatório Estádios Solares, 2010 - Adaptado). ................................................... 44
Tabela 3 - Comparação entre os custos total, por kWp e por m² das duas tecnologias
fotovoltaicas propostas (Fonte: Relatório Estádios Solares, 2010)................................................ 45
Tabela 4 - Alteração no potencial de geração dos SFCR, conforme mudanças na inclinação dos
módulos (Fonte: Relatório Estádios Solares - Adaptado)............................................................... 46
10
Lista de Siglas e Abreviaturas
ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica
a-Si Silício Amorfo
BEN Balanço Energético Nacional
BNDES Banco Nacional de Desenvolvimento
Econômico e Social
CEMIG Companhia Energética de Minas Gerais
c-Si Silício Cristalino
CSSC Célula solar sensibilizada por corante
FV Fotovoltaico
GLP Gás Liquefeito de Petróleo
HIT Heterojunction with intrinsic thin-layer
IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e
Estatística
IEA International Energy Agency
IDEAL Instituto para o Desenvolvimento das
Energias Alternativas na América Latina
INEE Instituto Nacional de Eficiência Energética
FIFA Fédération Internationale de Football
Association
GTZ Agência de Cooperação Técnica Alemã
KfW Banco de Fomento do governo Alemão
LEED Leadership in Energy and Environmental
Design
MME Ministério de Minas e Energia
m-Si Silício Monocristalino
PCH Pequena Central Hidrelétrica
PNE Plano Nacional de Energia
PROCEL Programa Nacional de Conservação de
Energia Elétrica
PRODEEM Programa de Desenvolvimento Energético
de Estados e Municípios
11
p-Si Silício Policristalino
REN Rede de Energias Renováveis
SFCR Sistema Fotovoltaico Conectado à Rede
UFSC Universidade Federal de Santa Catarina
12
Sumário
Agradecimentos................................................................................................................................ 4
Resumo ............................................................................................................................................. 6
Abstract ............................................................................................................................................ 7
Lista de Figuras ................................................................................................................................. 8
Lista de Tabelas ................................................................................................................................ 9
Lista de Siglas e Abreviaturas ......................................................................................................... 10
1. Introdução .............................................................................................................................. 14
1.1. Justificativa ...................................................................................................................... 15
1.2. Objetivos ......................................................................................................................... 15
1.2.1. Objetivo Geral............................................................................................................... 15
1.2.2. Objetivos Específicos .................................................................................................... 15
1.3. Metodologia .................................................................................................................... 16
1.4. Delimitações .................................................................................................................... 17
1.5. Estrutura do trabalho ...................................................................................................... 17
2. Geração de Energia no Brasil e no Mundo ............................................................................. 19
2.1. Panorama da geração de energia no Brasil .................................................................... 20
2.2. Geração de Energia Solar ................................................................................................ 22
2.3. Radiação solar ................................................................................................................. 23
2.4. Células Fotovoltaicas ....................................................................................................... 26
2.5. Sistemas Fotovoltaicos .................................................................................................... 27
3. Evolução da tecnologia para obtenção da energia solar fotovoltaica ................................... 30
4. Estudo de Caso – Estádios Solares. ........................................................................................ 36
4.1. O Mineirão ...................................................................................................................... 37
5. Conclusões e trabalhos futuros .............................................................................................. 48
5.1. Trabalhos futuros ............................................................................................................ 49
13
Referências ..................................................................................................................................... 50
14
1. Introdução
A questão energética no Brasil é um tema que está em constante debate, não
apenas pela geração, distribuição e manutenção, mas também no que concerne sustentabilidade
e o atendimento à demanda, principalmente devido às perspectivas de crescimento econômico
esperadas com os eventos esportivos da Copa do Mundo de Futebol e Olimpíadas.
A proteção ao meio ambiente é outro fator que tem causado mobilização na busca
por fontes de energia renováveis e limpas, alternativas às fontes térmicas convencionais e de
combustíveis fósseis, haja vista que além de evitar as emissões de gases de efeito estufa,
diversificam a matriz energética. (JARDIM, 2007).
Diferentemente do Brasil, em que a matriz energética é predominantemente
formada por fontes renováveis, sendo composta em cerca de 80% por fontes hidrelétricas, o
restante do planeta possui matriz energética com base em combustíveis fósseis, composta por
pouco mais de 13% sendo energias renováveis, incluindo a energia hidráulica. (MME/EPE, 2005).
A energia solar fotovoltaica vem apresentando um crescimento significativo nos
últimos anos. Este crescimento se deve principalmente pelo aumento de custos dos
combustíveis fósseis e pela preocupação com o meio ambiente, que favorece as fontes de
energia menos agressivas. Assim, o Brasil se torna favorecido para implantação destes tipos de
sistemas, por ser um país tropical e com vasto território geográfico.
A energia irradiada pelo sol na superfície da Terra é suficiente para atender 10 000
vezes o consumo de energia do mundo. Somente a luz solar é capaz de produzir uma média de
1700 kWh de energia elétrica por ano para cada metro quadrado de área (Brakmann et ali,
2003). É por isso que a tecnologia de geração de energia elétrica com base na solar se destaca,
pois, além de ser uma fonte inesgotável e silenciosa, apresenta vantagens de não poluir e poder
ser instalada junto ao local de consumo, eliminando, neste cenário, a necessidade de utilização
de redes de transmissão e distribuição, diminuindo os custos e as perdas energéticas. Em vista
desta tecnologia, é possível integrar a usina solar às edificações, aproveitando o espaço em
coberturas, por exemplo, e aproveitar áreas já construídas, sem a necessidade de utilizar novas
terras. (RÜTHER et al., 2008).
Interligando os edifícios solares à rede elétrica convencional, é possível fornecer a
energia produzida para o Sistema Interligado Nacional – SIN, diversificando a matriz energética.
A diversificação da matriz energética e a geração distribuída são outras vantagens, pois desta
15
forma é possível fazer com que o sistema fique mais robusto, permitindo compensar as
sazonalidades das diferentes fontes que compõe o atual sistema de geração.
1.1. Justificativa
Nos dias atuais, a energia elétrica é um item essencial que faz parte da sociedade
moderna, de tal forma que se torna quase inaceitável imaginá-la desprovida de eletricidade.
Esta exigência, faz com que o setor elétrico busque aumentar o número de pessoas com acesso
às fontes mais eficientes de energia.
A escolha do Brasil para sediar a Copa do Mundo de Futebol (FIFA) em 2014 e os
Jogos Olímpicos de 2016 gerou uma oportunidade para explorar a geração de energia nos
estádios, diversificando, assim, a matriz energética e também incentivando ainda mais os
investimentos em pesquisas e desenvolvimento na área de energias renováveis, como a solar,
por exemplo. Esta fonte de energia vem apresentando grande expansão nos últimos anos,
assim, durante os eventos, o Brasil ficará na vitrine mundial e poderá se tornar destaque em
geração renovável. Desta forma, a disponibilidade de sol, no caso dos estádios solares, lhes
garantirá certa autonomia, sendo ainda possível interligar esta fonte ao sistema elétrico
convencional, fornecendo-se, assim, energia para a rede.
1.2. Objetivos
1.2.1. Objetivo Geral
Realizar o estudo concernente à instalação de uma usina solar fotovoltaica integrada
a uma edificação urbana, de forma a avaliar suas vantagens, desvantagens, aplicações,
mapeando cada passo necessário para realizar o projeto de maneira a atender à demanda
energética que um evento esportivo pode exigir e minimizando os efeitos da carga sobre a rede
elétrica, fazendo um estudo de um projeto de estádio solar.
1.2.2. Objetivos Específicos
Os objetivos específicos deste trabalho são:
Realizar uma revisão bibliográfica sobre geração de energia no Brasil;
Realizar estudo sobre a geração de energia elétrica a partir de fonte solar fotovoltaica;
16
Verificar os tipos de tecnologias e sua evolução para geração de energia a partir da fonte
solar fotovoltaica;
Fazer uma análise de proposta de aplicação do uso de energia solar: Usina solar
integrada a edifícios urbanos – Estádios Solares.
Traçar as conclusões sobre o assunto abordado e avaliar a viabilidade da proposta
adotada.
1.3. Metodologia
Com o propósito de obter um embasamento científico referente ao tema proposto,
será, inicialmente, realizada uma pesquisa aplicada, voltada à implantação de usina solar
integrada a um edifício urbano, de modo a garantir o fornecimento de energia durante os
eventos esportivos.
Pode-se classificar a pesquisa como bibliográfica, por se tratar de consulta a
materiais já publicados para abordar e fundamentar todas as questões apresentadas.
A figura 1 ilustra o fluxograma resumindo a metodologia empregada neste trabalho.
Introdução
RevisãoBibliográfica
Tecnologias
Tipos de materiais, evolução, eficiência
Estudo de Caso: Estadios Solares
Pesquisa, Estudo das bibliografias,
etc
Relatório, Avaliações, viabilidade
Conclusão
Figura 1 - Fluxograma da metodologia adotada para o desenvolvimento do trabalho.
17
Para a realização deste trabalho, serão reunidas informações sobre o tema, para
que se possa obter o embasamento teórico referente à geração de energia, definições do
conceito da geração fotovoltaica, princípio de funcionamento da célula fotovoltaica, tipos de
tecnologias existentes no mercado, avaliando-se a eficiência de cada uma e os tipos de
sistemas. Na sequência, será realizado o estudo de caso referente ao projeto Estádios
Solares, desenvolvido pelo Instituto IDEAL, com a avaliação de tecnologias e custos da
implantação do sistema no estádio Mineirão.
1.4. Delimitações
Este trabalho não visa à implementação de um projeto ou tecnologia de geração de
energia, mas realizar um estudo do projeto Estádios Solares, verificando a viabilidade da
instalação de um sistema fotovoltaico conectado à rede, que fornecerá energia ao edifício em
questão. Ressalta-se que o estudo será direcionado para a geração de energia elétrica com base
em fontes renováveis, especificamente a energia solar fotovoltaica.
1.5. Estrutura do trabalho
O trabalho será dividido em cinco capítulos, cuja estrutura será definida da seguinte
forma:
Capítulo 1 – Introdução: descreve o tema de pesquisa, abordando os objetivos,
justificativas, delimitação e metodologia utilizada;
Capítulo 2 – Revisão bibliográfica: Contém conceitos da geração de energia, tipos de
geração de energia e a fonte solar fotovoltaica;
Capítulo 3 – Evolução da tecnologia para obtenção da energia solar fotovoltaica:
Serão abordadas as atuais tecnologias existentes para geração de energia solar fotovoltaica no
Brasil e no mundo;
Capítulo 4 – Estudo de caso – Estádios Solares: será apresentado um estudo de
projeto da instalação de um sistema fotovoltaico conectado à rede em um estádio de futebol,
apresentando a viabilidade do projeto, etapas de execução e avaliação das vantagens deste tipo
de projeto.
18
Capítulo 5 – Conclusões e trabalhos futuros: Serão feitas considerações sobre a
proposta adotada avaliando-se se os objetivos foram alcançados, bem como apresentando-se
direções sobre a continuidade do tema e trabalhos posteriores.
19
2. Geração de Energia no Brasil e no Mundo
Dentre as variáveis que definem o índice de desenvolvimento de um país, está a
facilidade de acesso da população aos serviços de infraestrutura, tais como saneamento básico,
transportes, telecomunicações e energia. Destes, a energia é o fator determinante para o
desenvolvimento econômico e social, ao fornecer apoio mecânico, térmico e elétrico às ações
humanas (ANEEL, 2008).
Historicamente, o setor elétrico possui o objetivo de aumentar o número de pessoas
com acesso às fontes mais eficientes de energia, por meio de instalações simples e de baixo
custo. Primeiramente a utilização em larga escala da energia elétrica se deu pela substituição de
velas e lampiões na iluminação pública e residencial. Nos anos 70, por exemplo, foi avaliado
como reflexo de modernização econômica e social a substituição da lenha pelos derivados de
petróleo, como o gás de cozinha, para o cozimento de alimentos. Isso significou que um número
maior de pessoas teve acesso a produtos que, além de mais eficientes do ponto de vista
energético, não precisavam ter origem local, podendo ser distribuído através de caminhões (no
caso do GLP, Gás Liquefeito de Petróleo – Gás de cozinha) (BRASIL, 2008).
Desta forma lentamente surgiu a indústria da energia, que faz parte de uma cadeia
econômica que tem início com a exploração de recursos naturais estratégicos (como água,
minerais e petróleo), de propriedade da União e que termina no fornecimento de serviços
públicos básicos para a sociedade e, portanto, é formada essencialmente por estatais e
empresas privadas que atuam regulamentadas pelos governos locais. Esta característica é
observada tanto no Brasil como no restante do mundo (ANEEL, 2008).
O Brasil é um país com mais de 190 milhões de pessoas, conforme indicado no
último censo realizado pelo IBGE em 2010 (IBGE, 2011). Em 2008, 95% da população tinha
acesso à rede elétrica. Segundo a ANEEL, 85% das unidades consumidoras eram residenciais, de
um total de 61,5 milhões de unidades. Dos segmentos de infraestrutura, a energia elétrica é o
serviço mais universalizado, sendo que a restrição ao atendimento se deve exclusivamente à
localização e dificuldades de acesso físico ou econômico para a expansão da rede (ANEEL, 2008).
Para a geração de energia, o país conta com um sistema principal (composto por
usinas, linhas de transmissão e rede de distribuição): o Sistema Interligado Nacional – SIN. Este
grande sistema abrange a maior parte do território brasileiro e é constituída (pelas conexões
20
realizadas ao longo do tempo) de instalações que inicialmente eram utilizadas para atendimento
das regiões de origem: Sul, Sudeste, Centro-Oeste, Nordeste e parte do Norte. Há ainda diversos
sistemas de menor porte que não são integrados ao SIN, sendo denominados sistemas isolados e
que se concentram principalmente na região Norte (na região Amazônica), que devido à
localização geográfica de difícil acesso, inviabiliza a construção de linhas de transmissão para
realizar a interligação com o restante do sistema (ANEEL, 2008).
As restrições (geográficas) quem impedem o atendimento das regiões Norte e
Nordeste tornaram-nas propícias para a construção de grandes usinas hidrelétricas, pois é nestas
regiões que se têm as maiores concentrações de recursos hídricos do país, fazendo com que o
Brasil tenha um dos maiores parques hidrelétricos e de maior aproveitamento para a geração de
energia elétrica do mundo (MME/EPE, 2007).
2.1. Panorama da geração de energia no Brasil
Segundo dados da ANEEL em 2008 o Brasil possuía 1768 usinas em operação, que
correspondem a uma capacidade instalada de 104.816MW (megawatts). Do total de usinas, 159
são hidrelétricas, 1.042 são térmicas abastecidas por fontes diversas (gás natural, biomassa, óleo
diesel e óleo combustível), 320 Pequenas Centrais Hidrelétricas1 (PCHs), 02 Nucleares, 227
Centrais Geradoras Hidrelétricas2 (CGHs) e 01 usina solar (ANEEL, 2008).
O planejamento da expansão prevê a diversificação da matriz de energia elétrica,
concentrada por meio da fonte hidráulica. Um dos principais objetivos desta diversificação é
reduzir a dependência existente entre volume de energia produzido e condições hidrológicas. Há
poucos anos as hidrelétricas representavam cerca de 90% da capacidade instalada no país,
contudo em 2008, esta participação era de 74%, o que não significou uma redução na
construção de usinas hidrelétricas, mas um aumento expressivo na construção de usinas
baseadas em outras fontes de energia (como termelétricas movidas à biomassa e gás natural)
que ocorreram em maior ritmo que as hidrelétricas (ANEEL, 2008).
1Pequenas centrais hidrelétricas: Empreendimentos hidrelétricos com potência superior a 1.000 kW e igual
ou inferior a 30.000 kW, com área total de reservatório igual ou inferior a 3,0 km². Resolução ANEEL n. 394, de 4 de dezembro de 1998 (Diário Oficial, de 7 dez. 1998, seção 1, p. 45) 2Centrais Geradoras Hidrelétricas: Empreendimentos hidrelétricos com potência instalada de até 1.000 kW
(1 MW). Necessitam apenas de um simples registro para funcionar. (ANEEL)
21
A expansão acentuada do consumo de energia, que por um lado reflete o
aquecimento econômico e melhoria da qualidade de vida, também tem pontos negativos dos
quais podemos citar o esgotamento dos recursos utilizados para a produção de energia e o
impacto ambiental produzido por esta atividade. Uma das formas mais utilizadas para se conter
a expansão do consumo sem comprometer a qualidade de vida e também a economia é o
incentivo ao uso consciente e eficiente. Para que este estímulo seja efetivo, o governo investe
constantemente em campanhas e programas como o Procel – Programa Nacional de
Conservação de Energia Elétrica, criado pelo Ministério de Minas e Energia – MME e coordenado
pela Eletrobrás. Além disso, a legislação também precisa determinar que as operadoras invistam
em ações que contribuam com a eficiência energética (MME/EPE, 2007).
Nesta linha de raciocínio, existem dois tipos de ações para estimular o uso eficiente
da eletricidade, sendo o primeiro referente a ações educativas da população e, o segundo, o
investimento em equipamentos e instalações (ANEEL, 2008).
Em virtude do desenvolvimento, da ampliação da demanda, do crescimento do
consumo, do aquecimento econômico, o desenvolvimento de novas tecnologias, busca pela
eficiência energética e a preocupação com o meio ambiente, visando diminuir o impacto
ambiental que a geração de energia causa, é que a implementação de usinas abastecidas por
fontes renováveis foram favorecidas, principalmente após o compromisso assumido pelas
principais nações mundiais para a redução das emissões de dióxido de carbono – CO2, com a
assinatura do tratado de Kyoto no final dos anos 90 e ratificado em 2005. Com isto também
crescem os programas governamentais para a expansão do uso das chamadas fontes renováveis
de energia (ANEEL, 2008).
Segundo consta no Atlas de Energia Elétrica do Brasil (ANEEL, p.77, 2008) “de 1973 a
2006, segundo a Key Word Energy Statistcs da International Energy Agency – IEA, as fontes
alternativas aumentaram em 500% sua participação na matriz energética mundial”.
As fontes renováveis ou alternativas (termo que está em desuso) são compostas
pelo vento, ou eólica, Sol, mar, geotérmica, lixo, esgoto e dejetos animais, entre outros. As
fontes chamadas renováveis são corretas do ponto de vista ambiental e permitem não só a
diversificação como também a limpeza da matriz energética, reduzindo a dependência das
22
fontes não renováveis, baseadas nos combustíveis fósseis como o petróleo e o carvão (ANEEL,
2008).
“Entre 2002 e 2006 a capacidade instalada das principais fontes enquadradas na
categoria “Outras fontes” aumentou entre 20% e 60%, conforme estudo produzido pela Rede de
Energias Renováveis – REN21” (ANEEL, p.78, 2008).
Segundo o IEA, estas fontes tem apresentado um crescimento ainda pouco
expressivo na matriz energética mundial tendo, em 2006, produzido apenas 435 TWh (terawatts-
hora) de um total de 18.930 TWh (ANEEL, 2008).
A pequena produção é outra característica deste grupo denominado “Outras
Fontes” visto que cada fonte ainda não tem presença forte o suficiente para justificar a
individualização em estatísticas, como ocorre com as fontes Hidrelétricas, nucleares e não
renováveis, por exemplo, no caso da matriz energética mundial. Este comportamento ocorre
porque a tecnologia desenvolvida ainda não apresenta custos compatíveis com a implantação
em escala comercial e ainda está em fase de projetos pilotos, sendo assim, em função do custo
elevado de produção, a expansão deste grupo está limitada em grande parte pelo apoio
governamental por meio de programas oficiais, com benefícios concedidos através de subsídios,
tarifas especiais, desoneração fiscal, etc. (ANEEL, 2008).
2.2. Geração de Energia Solar
A geração de energia elétrica a partir da fonte solar, apesar de ainda ser pouco
expressiva na matriz mundial, tem se expandido ano após ano. “Um estudo do Photovoltaic
Power Systems Programme, da IEA, indicou um crescimento de mais de 2mil% entre 1996 e
2006, tendo em 2007 a potência total instalada 7,8 GW, pouco mais de 50% da capacidade
instalada apenas na Usina Hidrelétrica de Itaipu, que possui 14 GW “ (ANEEL, p. 82, 2008).
Em recente estudo realizado pelo Instituto Ideal e pela UFSC (Universidade Federal
de Santa Catarina), o mercado mundial tem crescido exponencialmente nos últimos anos. De
1999 a 2009, houve um aumento de quase 8mil% passando dos 14 GWp (giga-watts pico). Este
crescimento tem sido incentivado por programas que visam a geração distribuída a partir de
sistemas fotovoltaicos conectados à rede, em países como a Alemanha, onde são instalados
sistemas fotovoltaicos normalmente em edificações urbanas e integrados à rede elétrica. A
23
estimativa é que com estes incentivos os custos para sistemas fotovoltaicos de grande porte
apresentem uma redução de cerca de 5% ao ano, nos próximos 10 anos (UFSC/IDEAL, 2010).
Dentre os países que se destacam está a própria Alemanha com a maior produção,
em torno de 49% de sua potência instalada. Ressalta-se que juntos, Japão, Estados Unidos,
Espanha e Alemanha concentram 84% da capacidade mundial, conforme indicou o IEA em 2007
(ANEEL, 2008).
2.3. Radiação solar
A radiação solar é a energia emitida pelo Sol que chega à Terra, sendo apresentada
de duas formas: a térmica e a luminosa. Segundo estudo elaborado pela EPE – Empresa de
Pesquisa Energética, a radiação que chega a superfície da Terra anualmente é suficiente para
atender a milhares de vezes o consumo anual de energia elétrica do planeta, porém, não atinge
de maneira uniforme toda a superfície, dependendo da latitude, estação do ano e condições
atmosféricas (MME/EPE, 2007).
A figura 2 representa os movimentos de rotação e translação da Terra que
influenciam nas estações do ano.
Figura 2 - Movimentos da Terra (Fonte EPE - PNE 2030)
No Brasil, dentre os principais estudos sobre disponibilidade de radiação solar,
destaca-se o Atlas Brasileiro de Energia Solar, que tem como objetivo fazer o levantamento e
disponibilizar uma base de dados confiável e de alta qualidade. Estes dados servem para a
elaboração de estudos e projetos de geração de energia fotovoltaica (PEREIRA, et al., 2006).
24
O mapa abaixo representa a média anual do total diário de radiação solar incidente
no território brasileiro, de onde se percebe que mesmo com diferentes características climáticas,
a média anual apresenta uniformidade.
A figura 3 apresenta o mapa do Brasil com a radiação solar diária, com dados da
média anual.
Figura 3 - Radiação solar global diária, média anual típica - Wh/m².dia (Fonte: ANEEL).
O Atlas apresenta também um mapa com valores de radiação solar sobre um plano com
inclinação igual à latitude local e orientado para o norte e pode ser observado na figura 4.
25
Figura 4 - radiação solar no plano inclinado, correspondente à latitude local e orientado ao norte.
Os maiores níveis de radiação solar do plano inclinado estão na faixa que vai do
nordeste ao sudeste durante a primavera e os menores valores, em todo território brasileiro,
ocorrem no inverno (PEREIRA et al., 2006).
Para a produção de energia elétrica a partir da energia do Sol, atualmente existem
duas formas mais conhecidas e empregadas, são eles o sistema heliotérmico e o fotovoltaico.
No sistema heliotérmico a energia solar é convertida em calor e utilizada em usinas
térmicas. Já o sistema fotovoltaico consiste da transformação da radiação solar diretamente em
eletricidade, o que é possível através do emprego de materiais específicos, chamados
fotossensíveis, em especial os semicondutores apropriadamente processados.
26
2.4. Células Fotovoltaicas
Conforme a EPE as células fotovoltaicas são construídas com duas camadas de
material semicondutor, normalmente silício, que ao ser estimulado pela radiação solar, permite
a circulação de corrente elétrica sob a forma de corrente contínua. Quanto maior a intensidade
de luz, maior será o fluxo de energia elétrica (MME/EPE, 2007).
A figura 5 representa o desenho esquemático básico de uma célula fotovoltaica.
Figura 5 - Desenho esquemático da célula fotovoltaica (Fonte ANEEL, 2003).
O Silício apresenta-se na natureza normalmente como areia. Porém, através de
métodos adequados, pode-se obtê-lo em sua forma pura. O cristal de silício puro não apresenta
elétrons livres, e desta forma, é um mal condutor de eletricidade, todavia, utilizando-se o
processo chamado dopagem, é possível acrescentar outros elementos em sua constituição,
normalmente Boro (cargas positivas) e Fósforo (cargas negativas), denominados silício tipo P ou
tipo N, respectivamente. Separados, ambos são eletricamente neutros, mas quando unidos na
junção P-N formam-se um campo elétrico devido aos elétrons livres do silício tipo N que ocupam
as lacunas da estrutura do silício tipo P. Ao incidir luz sobre a célula fotovoltaica, os fótons
chocam-se com os elétrons da estrutura do silício fornecendo-lhes energia e transformando-o
27
em condutor. Devido ao campo elétrico gerado pela junção P-N, os elétrons são orientados e
fluem da camada P para a camada N. Por meio de um condutor externo, ligando a camada N à P,
gera-se um fluxo de elétrons, e este fluxo é denominado corrente elétrica. Enquanto houver
incidência de luz na célula haverá corrente circulando pela carga externa (ALVARENGA, 2001).
A intensidade de corrente elétrica gerada variará na mesma proporção da
intensidade de luz incidente sobre a célula fotovoltaica. Uma célula fotovoltaica não armazena
energia. O fluxo se mantém apenas enquanto houver incidência de luz. Este fenômeno é
chamado Efeito Fotovoltaico (CASSIO, 2004).
2.5. Sistemas Fotovoltaicos
Devido a limitações geográficas e econômicas, existem localidades que não são
supridas pelo sistema interligado, devido ao alto investimento para construção de linhas de
distribuição Nestes casos, para suprir tal necessidade são instalados sistemas isolados de
geração de energia solar fotovoltaica, que geralmente armazenam a energia gerada em bancos
de bateria. Atualmente, no Brasil, existem diversas aplicações de sistemas fotovoltaicos isolados,
dentre os quais se destacam os voltados ao atendimento das ilhas no estado de Santa Catarina,
como a Ilha do Arvoredo e Ilha de Ratones através de um programa da UFSC. O sistema na ilha
de Ratones conta com 4,7 kWp instalados para abastecimento da fortaleza e mais 168 Wp para o
bombeamento de água. Já na ilha do Arvoredo o sistema possui 13,2 kWp instalado (ZOMER,
2010).
É possível observar também sistemas isolados em áreas rurais ou regiões ribeirinhas,
como pode-se visualizar na figura 6, que ilustra os elementos que compõem um sistema
fotovoltaico isolado.
28
Figura 6 - Sistema fotovoltaico isolado com banco de baterias (Fonte: ZOMER, 2010).
Além dos sistemas isolados, existem também os sistemas conectados à rede, os
SFCR. Países como Alemanha, Japão, Espanha e Estados Unidos já detêm o domínio da
tecnologia e possuem programas de incentivo para o uso da tecnologia fotovoltaica. O principal
tipo de projeto utilizado é a construção de grandes plantas em áreas desocupadas, formando
grandes centrais fotovoltaicas onde os módulos são montados em estruturas simples fixadas ao
solo, normalmente distante do centro de consumo, exigindo complexos sistemas de transmissão
e distribuição. Uma prática cada vez mais comum é a instalação de sistemas fotovoltaicos
conectados à rede integrados à arquitetura, pois este sistema se mostra muito eficiente e
vantajoso para uma geração energética próxima ao ponto de consumo (ZOMER, 2010; RUTHER,
2004).
29
Figura 7 - Sistema fotovoltaico integrado à edificação e conectado à rede elétrica convencional (Fonte: ZOMER, 2010).
O Sistema Fotovoltaico integrado à edificação e conectado à rede elétrica
convencional é composto por uma série de itens, como está ilustrado na figura 7, dos quais
podemos citar os painéis fotovoltaicos, sistemas de fixação ao envoltório do edifício, sistema de
conversão da corrente contínua para corrente alternada, diodos de by-pass, sistemas de
proteção, cabos, sistemas anti-sobrecarga e caixa de conexão. Os módulos apresentam tensões
de 20 V em circuito aberto apropriadas para conexão com bancos de baterias de 12 V em
sistemas autônomos, com o crescente interesse por conectar estas instalações à rede elétrica
(110 V ou 220 V) a indústria tem produzido módulos com tensões de circuito aberto mais
elevadas, algo em torno de 95 V. De qualquer forma para se atingir a potência desejada de um
30
projeto são utilizadas combinações em série/paralelo com vários módulos para que se obtenham
correntes e tensões adequadas. (RUTHER, 2004).
3. Evolução da tecnologia para obtenção da energia solar fotovoltaica
A célula fotovoltaica é o componente básico para a geração de energia elétrica. O
conjunto de células forma um módulo e o conjunto de módulos formam um painel ou arranjo
fotovoltaico. A corrente produzida pelas células é contínua (CC). Em uma instalação solar
fotovoltaica a determinação da tensão de operação do sistema é uma função do número de
módulos conectados em série, enquanto que a corrente é definida pelo número de módulos
interligados em paralelo. A potência instalada, por sua vez, é dada pela soma da potência
nominal dos módulos individuais (RUTHER, 2004).
Os principais materiais semicondutores utilizados atualmente nas aplicações
fotovoltaicas são o silício cristalino (c-Si), podendo ser o mono ou policristalino (m-Si ou p-Si,
respectivamente), o silício amorfo hidrogenado (a-Si), o telureto de cádmio (CdTe) e compostos
relacionados ao cobre, gálio e índio (CIS e CIGS), estes últimos, porém, além de raros são tóxicos.
A grande difusão do uso do silício se deve principalmente por ser um elemento abundante na
natureza e pouco tóxico (RUTHER, 2004).
Pode-se dizer que existem três principais tecnologias utilizadas para fabricação de
módulos fotovoltaicos, sendo a primeira delas os módulos de fatias de silício c-Si, a segunda
compostas por filmes finos e a terceira e mais recente, de células sensibilizadas por corantes
(ZOMER, 2010).
O módulo c-Si é a tecnologia mais tradicional, utilizam lâminas cristalinas espessas, o
que torna mais caro devido ao alto custo de fabricação. Em contrapartida sua principal vantagem
é a alta eficiência que alcança atualmente 19%. Existem dois tipos de módulos que
recentemente tem se destacado, o HIT (Heterojunction with Intrinsic Thinlayer) que são
compostos por duas camadas de silício amorfo e uma camada central de silício monocristalino e
tem sua eficiência mais elevada, com cerca 17% de aproveitamento, outra tecnologia são os
módulos de silício back-contact que atingem até 19% (ZOMER, 2010).
31
A figura 8 apresenta uma comparação entre a célula de silício cristalino convencional
e a tecnologia HIT, detalhando sua construção.
Figura 8 - Células HIT, comparação com célula de silício monocristalino convencional e detalhe da construção. (Fonte: SANYO)
Os outros materiais são baseados em películas finas da ordem de 1 de material
ativo semicondutor, esta característica resulta em um menor custo de fabricação e por
consequência tornam a tecnologia e o módulo fotovoltaico mais baratos (RUTHER, 2004). Se
comparado com a célula de silício cristalino convencional, a redução de material utilizado para a
fabricação das células baseadas em películas finas é da ordem de cem vezes. Por ter uma
quantidade de material utilizado tão pequena, as películas ou filmes finos também apresentam
uma eficiência menor, tendo seu rendimento em torno de 7 a 10%.
Recentemente uma nova tecnologia de célula fotovoltaica tem chamado a atenção
principalmente por seu baixo custo, além da facilidade de produção, podendo ser reproduzida
em laboratório escolar. A célula é composta por dióxido de titânio nanocristalino combinado
com um corante orgânico e foi desenvolvida pelo suíço Michael Graetzel. A eficiência neste
experimento ainda é baixa, cerca de 2%, mas o custo muitas vezes é tão importante quanto a
eficiência, e em grande escala, pode significar uma grande economia comparada às células de
filmes finos (ZOMER, 2010).
32
Como já foi apresentado anteriormente, a eficiência de cada tecnologia, depende do
elemento utilizado, assim para se atender aos objetivos de um determinado projeto, pode-se
escolher, dentre as opções, qual atende melhor à demanda. Por exemplo, se o objetivo é gerar o
máximo de potência com o mínimo de área, deve-se optar por uma tecnologia mais eficiente,
porém, se o objetivo é ter um baixo custo sem se preocupar efetivamente com a área instalada,
pode-se utilizar uma tecnologia com menor eficiência, instalada em uma área maior, para se
alcançar a potência desejada, com custos mais atrativos.
O silício cristalino – c-Si é a tecnologia mais difundida, com cerca de 80% de todas as
células do planeta. Isto se deve por sua confiabilidade e robustez, além da sua melhor eficiência
de conversão, porém seu custo de produção é bastante elevado, sendo que as possibilidades de
reduzi-lo já foram esgotadas e, por isso, especialistas dizem que esta tecnologia é
desconsiderada competitiva com formas convencionais de geração de energia em larga escala
(RUTHER, 2004).
As células, que utilizam silício monocristalino – m-Si, são produzidas com alto teor
de pureza, da ordem de 99,99% a 99,9999%. Neste processo as células de silício são submetidas
a um banho do monocristal em reatores com atmosfera controlada e velocidade de crescimento
do cristal extremamente lenta. As temperaturas envolvidas neste processo são elevadíssimas
atingindo 1400 ⁰C. O consumo de energia neste processo é intenso e o tempo necessário para o
que módulo gere energia equivalente à utilizada em sua fabricação é de mais de dois anos.
Outras etapas ainda fazem parte do processo de fabricação de uma célula, tais como usinagem
do tarugo, corte das laminas, lapidação, ataque químico e polimento das laminas, processos de
difusão e dopagem, deposição da mascara condutora da eletricidade gerada e interconexão das
células em série para obtenção o módulo fotovoltaico. Neste processo ocorrem perdas
consideráveis de material que chegam a 50% do tarugo original (RUTHER, 2004).
A figura 9 representa um módulo fotovoltaico de silício monocristalino.
33
Figura 9 - Módulo fotovoltaico de silício monocristalino (fonte http://pt.pvsolarchina.com)
O silício policristalino – p-Si tem um custo de produção mais baixo, mas também tem
a desvantagem de apresentar uma eficiência inferior, já que a perfeição cristalina é menor e o
processo é mais simples. No processo, o material base é o mesmo do m-Si e é fundido e
solidificado direcionalmente, resultando em um bloco com cristais ou grãos que causam
deformações nas suas bordas tornando sua conversão fotovoltaica menos eficiente. O
aperfeiçoamento do processo de fabricação permitiu que o p-Si seja produzido em forma de
tiras ou fitas, pois a partir de um banho líquido de silício fica dispensado o fatiamento das
laminas, o que permitiu o crescimento, nos últimos anos, da participação mundial deste tipo de
módulo (RUTHER, 2004).
Pioneiro no uso em películas finas, o silício amorfo hidrogenado – a-Si foi empregado
pela primeira vez em células solares na década de 70. O processo de produção ocorre a
temperaturas relativamente baixas, sendo inferior a 300 ⁰C, o que possibilita que estes filmes
sejam depositados em materiais como vidro, aço inox e alguns plásticos, permitindo que sejam
desenvolvidos módulos finos, flexíveis, inquebráveis, leves e semitransparentes, que torna seu
uso mais versátil. É comum o uso em aplicações arquitetônicas pelo fato de ter aparência mais
atrativa, além do custo por área ser, em várias situações, mais importante que o custo por
potência gerada. O tempo necessário para que o módulo gere a energia utilizada na sua
produção é outro fator que torna a tecnologia atrativa, pois é significativamente menor se
comparado com o c-Si. Outra vantagem é que ao contrário das outras tecnologias em que o calor
34
produzido pelo sol provoca perdas de rendimento do módulo, no caso do a-Si não apresenta
redução na potência com o aumento da temperatura (RUTHER, 2004).
A figura 10 representa um módulo flexível de silício amorfo.
Figura 10 - Módulo Fotovoltaico flexível de Silício Amorfo.
O telureto de cádmio - CdTe e os compostos de cobre, gálio e índio – CIS e CIGS
também apresentam, assim como o a-Si, baixo custo de produção, pois são disponibilizados em
filmes finos. Apresentam, dentre suas características, a aparência atrativa, sendo o filme fino
CIGS o que apresenta o melhor rendimento, porém a escassez destes materiais e também seu
teor altamente tóxico ainda são impeditivos para que a tecnologia desponte (RUTHER, 2004).
Além do material utilizado, outro fator que determina a eficiência do módulo solar é
a sua relação de potência nominal por área.
35
A tabela 1 apresenta a comparação dos módulos de uma de diversos fabricantes e
suas respectivas potências nominais, áreas e eficiências.
Tecnologia Fabricante Modelo Potencia(W) Área (m²) Eficiência
(%)
CSSC Konarka KT3000 26 1,55 1,70
a-Si
Schott Solar SCHOTT ASI100
100 1,45 7,00
Uni-Solar PVL-136 136 2,16 6,30
Sontor SN2-145 145 1,78 8,15
HIT Sanyo Solar HIP-205BA3 205 1,18 17,40
m-Si
Shell Solar Ultra 175-PC 175 1,32 13,30
SunTech PLUTO 200-
ADA 200 1,28 17,00
SunPower 315 Solar
Panel 315 1,63 19,30
p-Si
BPSolar SX 3200 B 200 1,41 13,50
Solon Blue 220/07 220 1,61 13,41
Sharp ND-220U2 220 1,63 13,50
Kyocera KD210GX-LP 210 1,49 14,00
Tabela 1- Características de módulos fotovoltaicos de diferentes tecnologias e dimensões (Fonte: ZOMER, 2010).
Conforme a tabela 1 observa-se que a maior eficiência é do módulo de m-Si com 19,30%,
seguido do HIT com 17,40% e os demais reduzem, em eficiência, pela metade.
36
4. Estudo de Caso – Estádios Solares.
A ideia de sustentabilidade, de preservação ambiental e desenvolvimento
sustentável é o que, atualmente, tem incentivado, a utilização de fontes renováveis para a
geração de energia elétrica. Através da energia solar fotovoltaica tem-se a oportunidade de
instalar geradores limpos, renováveis e silenciosos em meio urbano. Enfatiza-se que dentre
todas as vantagens, a que se destaca na utilização da energia solar fotovoltaica é a geração de
energia distribuída, pois diminui as perdas por transmissão e distribuição e permite ser integrada
à edificação, evitando o uso de áreas extras, permanecendo desta forma próxima ao ponto de
consumo (RUTHER, 2004).
Atualmente o maior estádio solar do mundo é o Stade de Suisse Wankdorf, em Bern
na Suíça. O estádio conta com 10738 módulos fotovoltaicos com potência total instalada de
1,346 MWp, onde é gerada cerca de 1134 GWh de energia por ano (swissinfo.ch, 2010).
A proposta de ser um país referência quanto à sustentabilidade e diante da grande
oportunidade de sediar eventos da Copa do Mundo e as Olímpiadas, levou o Comitê Organizador
Local (COL) da Copa do Mundo de 2014 a recomendar que todos os projetos dos
empreendimentos da copa possuam a certificação internacional LEED (Leadership in Energy and
Environmental Design) para atestar a sustentabilidade nos estádios e edifícios envolvidos com o
evento. Este selo é concedido pela entidade norte-americana Green Building Council para
edifícios com sistemas eficientes de redução de desperdícios e que priorizam o conforto dos
usuários (http://www.portal2014.org.br, 2012).
Com isso o Instituto IDEAL, juntamente com a Universidade Federal de Santa
Catarina (UFSC) realizou um estudo direcionado avaliando o potencial energético das novas
construções dos estádios e arenas esportivas que sediarão os jogos da Copa do Mundo de 2014.
O estudo, que resultou no projeto denominado Estádios Solares, tem por objetivo fornecer
informações de estimativas de potência instalada e custos de instalação de Sistemas
Fotovoltaicos Conectados à Rede (SFCR) e integrados à arquitetura dos estádios sede da copa de
2014 e também ao estádio de Pituaçu (Salvador – BA).
37
4.1. O Mineirão
O estádio Governador Magalhães Pinto, o Mineirão, foi um dos primeiros estádios
que iniciaram as suas obras e, portanto, que detinha a maior quantidade de informações,
permitindo assim, que os estudos se adiantassem e será o foco da análise deste trabalho.
Foi apresentado um relatório com as informações dedicadas ao estádio Mineirão à
Companhia Energética de Minas Gerais (CEMIG) para a instalação da usina fotovoltaica
utilizando a cobertura do estádio (IDEAL / UFSC, 2010).
A figura 11 é a reprodução da maquete virtual do novo complexo Mineirão e ginásio
Mineirinho, desenvolvido pelo escritório de arquitetura Gustavo Penna.
Figura 11 - Maquete Virtual do novo complexo Mineirão e Mineirinho (Créditos: Arquivo Gustavo Penna) - Fonte Portal da Copa 2014
No relatório apresentado pela UFSC/IDEAL à CEMIG foi feita uma análise detalhada
das áreas de cobertura disponíveis e também simulações de sombreamento ao longo do ano
com o objetivo de definir a área útil para instalação do SFCR.
O Estádio Governador Magalhães Pinto, o Mineirão é o segundo maior estádio de
futebol do Brasil e o 29º maior do mundo. Possuía capacidade original para 130 mil pessoas
38
quando foi fundado em 1965, na cidade de Belo Horizonte em Minas Gerais, sendo que
atualmente tem capacidade de 76 mil pessoas e é de propriedade do governo do estado
(IDEAL/UFSC, 2010).
A figura 12 é uma foto aérea do estádio Mineirão de 2010, antes do inicio das obras
de revitalização exigida pela FIFA.
Figura 12 - Foto: Estádio Governador Magalhães Pinto – (Fonte: http://pordentrodacopa2014.wordpress.com)
Para atender às exigências da Fédération Internationale de Football Association
(FIFA) as obras do Mineirão visam corrigir problemas de visibilidade e segurança, principalmente,
prevendo a redução da capacidade para 64,5 mil lugares e o rebaixamento do gramado em 3,5
metros, além de novos telões, vestiários e recuperação estrutural, como pode-se observar na
figura 13 que representa a reforma do Mineirão com os principais pontos foco da reforma. A
obra está sendo executada pelo governo do estado de Minas Gerais, com recursos do Banco
Nacional do Desenvolvimento Econômico e Social (BNDES), totalizando um investimento de R$
695 milhões (Portal da Copa 2014 e Portal da Transparência, 2012).
39
Figura 13 - Projeto arquitetônico do Mineirão, principais pontos foco da reforma.
Em 2009 a CEMIG e a Agência de Cooperação Técnica Alemã (GTZ) firmaram um
acordo para a instalação de usinas solares fotovoltaicas conectadas à rede, neste acordo foi
previsto a montagem, operação e manutenção de centrais de geração fotovoltaica.
Com este acordo, o estádio Mineirão é um dos primeiros beneficiados com o estudo
de viabilidade técnica de implantação da usina solar em sua cobertura, além do ginásio
Mineirinho. Com isso, a energia gerada será utilizada para o complexo e o excedente entregue à
rede de distribuição e em momentos em que não esteja havendo a geração, principalmente nos
jogos noturnos, por exemplo, a energia consumida será suprida diretamente da rede da CEMIG.
Além disso, a GTZ também apoiará a CEMIG em cursos, treinamentos em fontes renováveis,
eficiência energética e treinamento técnico em energia fotovoltaica. Tal estudo de viabilidade foi
financiado pelo Banco de Fomento do Governo Alemão (KfW) (IDEAL/UFSC, 2010).
Para o estudo de viabilidade foram consideradas as vistas atuais do estádio, como
apresentadas nas figuras 14 e 15, e também do projeto de adequação para a Copa de 2014, que
foi desenvolvido pelo escritório de arquitetura Gustavo Penna (figura 18).
40
Figura 14 - Estádio Governador Magalhães Pinto - Mineirão - Vista aérea, em 2010 (Fonte: Relatório Estádios Solares, 2010).
Figura 15 - Estádio Governador Magalhães Pinto - Mineirão, 2010 - Vista 3D Google Earth (Fonte: Relatório Estádios Solares, 2010).
Atualmente as obras já estão avançadas, cerca de 50% (Portal da Copa, 2012) e nas
figuras 16 e 17 são apresentadas imagens captadas do Google Maps em 2012.
41
Figura 16 - Complexo Mineirão e Mineirinho, vista área da obra (Fonte: Google Maps, 2012).
Figura 17 - Estádio Mineirão, vista da obra (Fonte Google Street View, 2012).
42
Figura 18 - Fotos do projeto Mineirão 2014 (Fonte: Relatório Estádios Solares, crédito Gustavo Penna).
Ressalta-se que por ser tombada pelo Patrimônio Histórico, a faixada do estádio será
integralmente preservada.
A seguir são apresentadas as imagens utilizadas para o projeto de análise da área útil
da cobertura do Mineirão (figuras 19 e 20). As áreas entre os elos da cobertura foram
identificadas como viáveis para a instalação dos módulos e são representados nas figuras na
tonalidade escura.
43
Figura 19 - Vista aérea do Estádio Mineirão. Módulos fotovoltaicos, representados em azul escuro (Fonte: Relatório Estádios Solares, 2010).
44
Figura 20 - Vista em perspectiva do Estádio Mineirão. Módulos fotovoltaicos representados em azul escuro (Fonte: Relatório Estádios Solares, 2010).
A área da laje de concreto é de 16424 m² dos quais 60% serão cobertos por
módulos, para evitar sombreamento. A potência dos módulos foi avaliada levando em
consideração a possibilidade de instalação de dois tipos de tecnologias fotovoltaicas diferentes,
sendo elas o silício cristalino – c-Si e os filmes finos de silício amorfo – a-Si. Na tabela 3, é
apresentado um detalhamento da comparação das duas tecnologias, considerando dois
fabricantes disponíveis no mercado.
Tecnologia a-Si (filmes finos) c-Si (monocristalino)
Fabricante Schott Suntech
Modelo ASI-100 Pluto205
Potência Nominal (Wp) 100 205
Eficiência (%) 6,90 16,06
Comprimento (mm) 1108 1580
Largura (mm) 1308 808
Área Total disponível (m²) 9708 9033
Quantidade de Módulos 6426 6748
Potência Total (kWp) 642,6 1383,3
Tabela 2 - Características dos módulos fotovoltaicos propostos para a cobertura do Estádio Mineirão (Fonte: Relatório Estádios Solares, 2010 - Adaptado).
Na área total estão sendo considerados os espaçamentos entre os módulos e a
diferença entre as áreas apresentadas na tabela, se dá devido ao tamanho de cada módulo
escolhido, que são diferentes entre si (IDEAL/UFSC, 2010).
45
No estudo realizado também foi analisado o custo do kWh gerado de acordo com o
nível de radiação solar anual na região. Para fazer a análise de custos do SFCR do Mineirão, para
as duas tecnologias fotovoltaicas propostas, foram consideradas as seguintes cotações:
€/R$ 2,4299
US$/R$ 1,763
Abaixo a tabela com a composição dos custos das duas tecnologias, com o custo
total, por kWp e por m².
Composição
do custo
total
Proposta
a-Si
(milhões
de €)
Proposta
c-Si
(milhões
de €)
Proposta
a-Si
(€/kWp)
Proposta
c-Si
(€/kWp)
Proposta
a-Si
(€/m²)
Proposta
c-Si
(€/m²)
Proposta
a-Si (%)
Proposta
c-Si (%)
Módulos
Fotovoltaicos 1,03 2,24 1600 1622 105 246 45 55
Inversores 0,17 0,30 268 220 18 33 8 7
Frete, seguro
e taxas
alfandegárias
0,04 0,04 66 27 4 4 2 1
Impostos 0,34 0,70 532 501 35 76 15 17
Estrutura
metálica 0,51 0,54 789 387 52 59 22 13
Engenharia e
instalação 0,12 0,12 192 89 13 14 5 3
Outros 0,07 0,16 115 115 8 17 3 4
Total 2,29 4,10 3563 2962 234 450 100 100
Tabela 3 - Comparação entre os custos total, por kWp e por m² das duas tecnologias fotovoltaicas propostas (Fonte: Relatório Estádios Solares, 2010).
Algumas considerações podem ser feitas, já que a área para ambas as tecnologias propostas
variam muito pouco. Considerando a mesma área, o a-Si tem custo total bem inferior ao do c-Si,
caso o interesse do projeto seja cobrir a maior área possível.
Se o interesse for por estabelecer uma potência e obter menos custos de instalação,
não havendo preocupação por utilizar a área máxima disponível, a melhor opção seria a c-Si,
pois a eficiência dos módulos desta tecnologia é maior que a dos módulos de a-Si, sendo
46
necessário a cobertura de uma área bem maior para atender a mesma potência instalada. O
custo por potência ($/kWp) do c-Si é menor.
Para demonstrar a conclusão já citada, com a análise da tabela anterior, é possível
perceber que a opção mais interessante para que se obtenha a cobertura da maior área possível,
é o uso do a-Si que foi estimado em 2,29 milhões de euros, contra os 4,10 milhões de euros da
proposta com c-Si. Se o interesse for de cobrir com módulos a maior área possível, deve-se optar
pelo que apresenta menor custo por área que é o a-Si de 234 euros por m², contra 450 euros por
m² do c-Si. Para a instalação da maior potência por área, a melhor opção é o c-Si com 1383,3
kWp e o a-Si com 642,6 kWp. Assim o c-Si apresenta o menor custo por potência instalada,
sendo de 2962 euros por kWp, enquanto o a-Si apresenta um custo de 3563 euros por kWp.
Outras simulações reduzindo a área utilizada em 10% e 20% também foram
consideradas, pois estes parâmetros são comumente utilizados em fase de pré-projeto dos SFCR
que foram instalados pela UFSC e tem se mostrado razoável. No caso do Mineirão, as simulações
dos custos por kWp e por m² tiveram pouca variação (IDEAL/UFSC, 2010).
As análises feitas consideram que os módulos fotovoltaicos não possuem inclinação
em relação à cobertura, recebendo a irradiação solar diretamente, desconsiderando as variações
que a inclinação do módulo pode causar, porém, deve-se considerá-la, visto que esta inclinação
deve existir e será da ordem de 5 ou 10 graus para evitar a deposição excessiva de poluição. A
inclinação pode apresentar vantagens ou desvantagens, por exemplo, no caso do Mineirão foi
feita uma análise do quanto a geração dos módulos seria alterada para diversas inclinações
mantendo a orientação sempre para o norte geográfico. A tabela a seguir apresenta os
resultados.
Estádio Longitude Latitude
Irradiação
Horizontal
(kWh/m²)
Irradiação da inclinação I dividida pela irradiação no
plano horizontal Geração para inclinação I dividida
pela geração para o plano horizontal
I=0⁰ I=latitude I=5⁰ I=10⁰ I=15⁰ I=20⁰
Mineirão -43 -20 4,93 100% 107% 105% 106% 107% 107%
Tabela 4 - Alteração no potencial de geração dos SFCR, conforme mudanças na inclinação dos módulos (Fonte: Relatório Estádios Solares - Adaptado).
47
A inclinação aumenta a potência de geração, isso ocorre devido aos módulos terem
sido todos orientados para o norte geográfico. Se os módulos estiverem inclinados para o sul,
então o potencial de geração diminuirá. Como a cobertura do estádio haverá módulos
orientados nas quatro direções em suas proporções, haverá ganhos e perdas na geração em
relação a orientação horizontal, desta forma para as estimativas é razoável considerar os
módulos sem inclinação (IDEAL/UFSC, 2010).
48
5. Conclusões e trabalhos futuros
Apesar de ainda ser uma alternativa que apresenta alto custo, a geração solar
fotovoltaica apresenta grandes vantagens e também potencial para ser utilizada como forma de
geração de energia elétrica, não só no Brasil, mas ao redor do mundo. Isto se deve a grande
radiação solar que o país apresenta e também as possibilidades que este tipo de geração
permite, como ser distribuída, poder se integrar no envelope das edificações, poder ser
interconectada à rede, dispensar a necessidade de linhas de transmissão e distribuição, ser
instalado próximo ao ponto de consumo.
Com os eventos da copa do mundo de 2014 e olimpíadas de 2016, o Brasil pode se
destacar no panorama mundial como gerador de energia limpa a partir da fonte solar, com SFCR
instalados nos estádios e arenas, permitindo que estes prédios sejam autônomos, além de
fornecer energia para a rede nos horários de pico, de forma a contribuir para o suprimento da
demanda energética que não somente estes eventos exigirão, como também um reforço para o
sistema atual, uma vez que as energias de fontes diferentes não competem, mas sim se somam
e suprem as sazonalidades de cada uma. Por exemplo, quando não há sol, pode-se usar a
energia gerada pelas hidrelétricas, termelétricas ou pelas turbinas eólicas, ao passo que se pode
economizar a água dos reservatórios quando necessário em períodos de pouca chuva.
Foi o objetivo principal deste trabalho, realizar um estudo de um projeto de
viabilidade de um SFCR integrado a um edifício verificando as vantagens e desvantagens e
considerando a aplicação utilizando um estádio que será uma das sedes dos jogos da Copa do
Mundo de 2014, o Mineirão.
Os objetivos específicos foram realizar um estudo bibliográfico sobre o tema, com
detalhamento sobre a geração de energia no Brasil e no mundo, focando na geração solar
fotovoltaica, explorando a evolução da tecnologia, apresentando os tipos de módulos e
materiais mais utilizados, com os devidos rendimentos e, por fim, o objetivo específico de
realizar uma análise de uma proposta de aplicação do uso da energia solar, com a apresentação
de um relatório de estádios solares direcionado ao estádio Governador Magalhães Pinto, o
Mineirão, uma das sedes da Copa do Mundo de 2014.
De maneira a comprovar a viabilidade da construção de uma usina solar em um
empreendimento como o estádio do Mineirão para a geração de energia elétrica e integrada à
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rede, tem-se que o projeto foi avaliado e adotado pela concessionária CEMIG, juntamente com o
governo de Minas Gerais e Belo Horizonte, com investidores alemães, como o Banco KfW e a
Agência GTZ.
Foi realizado o levantamento dos dados sobre o empreendimento, detalhes técnicos
sobre a reforma que está sendo realizada no estádio para adequação às exigências da FIFA, além
do projeto de usina solar fotovoltaica integrada ao edifício e interligada à rede, foi apresentado
uma análise de custos para duas opções de tecnologias que podem ser utilizadas no Sistema
Fotovoltaico Conectado à Rede – SFCR, onde se pôde concluir que dependendo das necessidades
deve-se escolher a melhor alternativa e optar por uma das tecnologias apresentadas, levando-se
em consideração a importância dos custos para que se obtenha a máxima potência instalada ou
o aproveitamento da área total da cobertura pelo menor custo. Podemos citar ainda que o valor
estimado para realizar a cobertura da área total do estádio com a tecnologia a-Si foi da ordem
de 2,29 milhões de euros, enquanto que para a tecnologia c-Si a estimativa do custo total foi de
4,10 milhões de euros, ou seja, o dobro. Porém, a tecnologia a-Si, apresenta eficiência muito
inferior, sendo de 642,6 kWp, enquanto que a tecnologia c-Si apresenta eficiência 1383,3 kWp
também o dobro. Desta forma, pode-se concluir que o melhor custo X benefício é o uso da
tecnologia c-Si.
5.1. Trabalhos futuros
A proposta para trabalhos futuros se dá após a inauguração da nova arena, de modo
a se realizar uma nova avaliação e comparar os resultados práticos com as estimativas do
projeto Estádios Solares dedicado ao Mineirão e verificar se os valores analisados de acordo com
o estudo realizado são coerentes com a realidade prática, avaliando se atende a demanda
energética, principalmente durante os jogos e eventos.
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