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2.Justificativas
As energias solar e eólica têm um papel importante na provisão da demanda mundial por energia elétrica, sobretudo pelas questões ambientais, instabilidade nos preços do petróleo no mercado internacional e a perda de confiança na oferta dos combustíveis fósseis em médio e longo prazo. É justamente na fixação de impedimentos e/ou barreiras de contenção à expansão e uso dos recursos energéticos não renováveis, que as tecnologias que fazem uso dos recursos renováveis ganham relevância.
Diante do exposto e para reforçar a relação existente entre a matriz curricular do curso de Engenharia de Controle e Automação e o assunto abordado neste projeto é que serão apresentadas características técnicas da conversão da energia solar em energia elétrica (PINHO e GALDINO, 2014). Pretende-se com isso justificar o objetivo do projeto e demonstrar a importância deste assunto ao egresso do referido curso. Devido à amplitude de assuntos, certamente é somente a partir das séries finais que o acadêmico terá condições de absorver e interpretar estas informações.
2.1 Energia proveniente do Sol – Energia Solar
Todas as fontes de energia estudadas anteriormente são renováveis, ou seja, provém de recursos naturais (naturalmente reabastecidos pela natureza) e a missão de todo o profissional da área de ciências, seja ele um físico, ou químico, ou um engenheiro é utilizá-los de maneira consciente e correta, atentando tanto para o âmbito econômico (relação custo x benefício) quanto para possíveis questões de degradação do meio ambiente.
Há um fator comum entre estas fontes de energia: todas elas, de alguma forma se beneficiam da energia solar para realizar os seus processos (físicos e biológicos). É a partir da energia do Sol que se dá origem ao ciclo das águas que possibilita o represamento e a consequente geração de eletricidade (hidroeletricidade). A radiação solar também induz a circulação atmosférica em larga escala, causando os ventos. É também através do Sol que a matéria orgânica, como a cana-de-açúcar, realiza a fotossíntese e se desenvolve para, posteriormente, ser transformada em combustível nas usinas. Até mesmo formas de energia não renováveis como o petróleo, são oriundos de resíduos de plantas e animais que originalmente obtiveram do recurso solar a energia necessária para o seu desenvolvimento.
Para simplificar, no âmbito da engenharia, pode-se falar da energia solar térmica e a energia solar fotovoltaica (FV), sendo esta última o foco de estudo deste projeto.
2.1.1 Energia Solar Térmica
Neste caso, os coletores solares (equipamento mais difundido com o intuito de se utilizar a energia solar térmica) captam a quantidade de energia que um determinado corpo é capaz de absorver sob a forma de calor, proveniente da radiação solar incidente no mesmo.
Há dois tipos de coletores solares: coletores concentradores e coletores planos. Os do tipo concentrador estão associados a aplicações em temperaturas superiores a 100ºC podendo chegar a 400ºC para o acionamento de turbinas e consequente geração de eletricidade. Já os planos destinam-se a aplicações de uso residencial como água aquecida para o banho, aquecimento de piscinas, água aquecida para a limpeza em hospitais e hotéis e no meio rural para a secagem de grãos.
Segundo o Relatório da Situação Global das Renováveis 2012 (REN 21 – Renewable Energy Policy Network for the Zist Century apud PINHO e GALDINO, 2014), estima-se que no Brasil, a potência instalada apenas para o aquecimento de água e a geração de calor, atingiu 5,7GWth (GWth – Gigawatt térmico. Unidade de potência usada na caracterização de equipamentos para resfriamento, como condicionadores de ar, ou aquecimento, como coletores solares, centrais termelétricas ou turbinas) com uma área acumulada de 8,49 milhões de m². Uma grande vantagem dos sistemas solares térmicos é a possibilidade de armazenamento de calor para uso em outros horários, que não coincidem com a incidência solar.
2.1.2 Energia Solar Fotovoltaica
É a energia obtida através da conversão direta da luz em eletricidade (Efeito Fotovoltaico). A unidade fundamental desse processo de conversão é célula fotovoltaica, que é um dispositivo fabricado com material semicondutor.
As principais tecnologias aplicadas na produção de células e módulos fotovoltaicos são classificadas em três gerações. A primeira geração de células fotovoltaicas é dividida em duas cadeias produtivas: silício monocristalino (m-Si) e silício policristalino (p-Si) que representam mais de 85% do mercado, por ser uma tecnologia consolidada e confiável e também por apresentar maior eficiência dentre as células comercialmente disponíveis no mercado.
A segunda geração, denominada de filmes finos, é dividida em três cadeias produtivas: silício amorfo (a-Si), disseleneto de cobre e índio (CIS) ou disseleneto de cobre, índio e gálio (CIGS) e o telureto de cádmio (CdTe). Está geração apresenta menor eficiência do que a primeira e tem uma menor aplicação. Existem dificuldades associadas à disponibilidade dos materiais, vida útil limitada, e no caso do CdTe e do CIS/CIGS sua toxicidade, a qual agride o meio-ambiente e retarda sua utilização em larga escala.
A terceira geração (ainda em fase de pesquisa e desenvolvimento) se refere às células fotovoltaicas multijunção e célula fotovoltaica para concentração (CPV - Concentrated Photovoltaics), células sensibilizadas por corante (DSSC - Dye-Sensitized Solar Cell) e células orgânicas ou poliméricas (OPV – Organic Photovoltaics). A tecnologia CPV, demonstrou bom potencial para a geração de energia, porém o seu custo ainda não é competitivo com tecnologias já consolidadas (PINHO e GALDINO, 2014).
Um desafio paralelo para a indústria é o desenvolvimento de acessórios e equipamentos complementares para sistemas fotovoltaicos, com qualidade e vida útil comparável à dos módulos (fabricantes de módulos de silício cristalino garantem os seus produtos por 25 anos).
2.1.2.1 História e Situação Atual da Energia Solar Fotovoltaica no Mundo
Todo o avanço tecnológico da energia solar fotovoltaica deve-se primeiramente, a descoberta de Edmond Becquerel (1820-1891). Foi este cientista que em 1839 descobriu o Efeito Fotovoltaico, que implica no aparecimento de uma diferença de potencial (tensão elétrica) nos terminais de uma célula eletroquímica, causada pela absorção de luz (ou incidência das partículas de luz, os fótons). Porém, somente após 117 anos, em 1956, iniciou-se a produção em escala industrial de aparatos fotovoltaicos, devido à evolução da eletrônica.
O desenvolvimento dessa tecnologia apoiou-se na busca, de empresas do setor de telecomunicações, por fontes de energia para sistemas instalados em localidades remotas. O segundo agente impulsionador foi à chamada “corrida espacial”. A célula fotovoltaica continua sendo o meio mais adequado (menor custo, peso e segurança) para fornecer a quantidade de energia necessária para longos períodos de alimentação de equipamentos eletroeletrônicos no espaço.
Há de se ressaltar que a crise do Petróleo de 1973 alavancou os projetos terrestres para a energia solar fotovoltaica. Nos Estados Unidos, algumas empresas de petróleo resolveram diversificar seus investimentos, incluindo a produção de energia a partir da radiação solar em suas áreas de negócios. Durante a maior parte da década de 90, os americanos foram os líderes mundiais na produção dessa tecnologia. No entanto, devido ao compromisso de redução da emissão de CO2, conforme previsto pelo Protocolo de Kyoto, países como a Alemanha e o Japão aumentaram substancialmente o fomento para a produção desta tecnologia. A partir de 2003 aparece o amplo domínio de países asiáticos na produção de módulos fotovoltaicos, devido principalmente à mão de obra qualificada de baixo custo. Em 2009, a China já ocupava a liderança na fabricação de módulos fotovoltaicos (PINHO e GALDINO, 2014).
2.1.2.2 Breve Histórico da Energia Solar Fotovoltaica no Brasil
O território brasileiro recebe elevados índices de irradiação solar, quando comparado com países europeus, onde a tecnologia fotovoltaica é disseminada para a produção de energia elétrica. Como mencionado anteriormente, no mundo a produção industrial de módulos se deu por volta dos anos 50. Nessa época iniciou-se o desenvolvimento de módulos fotovoltaicos no Instituto Nacional de Tecnologia (INT) e no Centro Tecnológico de Aeronáutica (CTA). Em 1958 foi realizado o primeiro Simpósio Brasileiro da Energia Solar. Com base no conhecimento em microeletrônica, a Universidade de São Paulo (USP), iniciou o desenvolvimento de células fotovoltaicas de silício cristalino.
Em 1970, no Instituto Militar de Engenharia (IME), foi dado início ao desenvolvimento de tecnologias de filmes finos. Em 1978 foi criada a Associação Brasileira de Energia Solar (ABENS). No início dos anos 90, células fotovoltaicas de silício cristalino foram desenvolvidas para serem testadas no primeiro satélite brasileiro.
Nos anos 90, a difusão da tecnologia fotovoltaica no Brasil ficou defasada em relação ao que ocorria na Alemanha, Japão e outros países onde os incentivos estavam direcionados ao desenvolvimento tecnológico e industrial e, principalmente, para aplicações associadas ao uso da energia solar em residências. Como marco, pode-se citar o Programa de 1.000 Telhados Fotovoltaicos, iniciado em 1990, na Alemanha.
Em 1994, o Centro de Referência para as Energias Solar e Eólica Sérgio de Salvo Brito (Cresesb) foi criado por meio de um convênio entre o Centro de Pesquisas de Energia Elétrica (Cepel) da Eletrobras e o Ministério de Minas e Energia (MME). As principais atividades do Cresesb destinam-se ao apoio a programas do Governo Federal como instrumento para a difusão de conhecimento técnico qualificado nas áreas de energia solar e eólica.
Em 2002, a ANEEL (Agência Nacional de Energia Elétrica) iniciou estudos para o estabelecimento de regulamentação das especificações técnicas necessárias à instalação de SIGFIS (Sistemas Individuais de Geração de Energia Elétrica com Fontes Intermitentes), destinados ao fornecimento da energia elétrica aos consumidores isolados da rede elétrica de distribuição, que resultou na publicação da Resolução Normativa nº83/2004, posteriormente revogada e substituída pela Resolução Normativa nº493/2012, a qual regulamenta também o fornecimento de energia por meio de MIGDIS (Microssistemas Isolados de Geração e Distribuição de Energia Elétrica).
Em 2003, foi instituído pelo Governo Federal, o Programa Nacional de Universalização do Acesso e Uso da Energia Elétrica – Programa Luz para Todos (LpT) (alterado pelo decreto nº6442/2008), que tem por objetivo prover o acesso à energia elétrica a todos os domicílios e estabelecimentos do meio rural.
Em 2004, foi criado em Porto Alegre, RS, o Centro Brasileiro para Desenvolvimento da Energia Solar Fotovoltaica (CB – Solar).
A regulamentação para sistemas fotovoltaicos conectados à rede de distribuição, associados a unidades consumidoras, foi definida em 2012 pela ANEEL, a partir da resolução nº482/2012, correspondendo a potências iguais ou inferiores a 100kWp (Watt-pico, Wp) e superiores a 100kWp até 1MWp. A regulamentação prevê o sistema de compensação de energia elétrica, de acordo com o qual é feito um balanço entre a energia consumida e a gerada na unidade consumidora (modelo net metering).
2.1.2.3 Geometria Sol-Terra
O termo “radiação solar” é usado de forma genérica e pode ser referenciado em termos de fluxo de potência, quando é especificamente denominado de irradiância solar, ou em termos de energia por unidade de área, denominado, então, de irradiação solar. A irradiância solar que atinge a Terra, no topo da camada atmosférica, é denominada irradiância extraterrestre. A constante solar (I0) é definida como o valor da irradiância extraterrestre que chega sobre uma superfície perpendicular aos raios solares na distância média Terra-Sol e tem valor aproximado de 1367W/m².
2.1.2.4 Ângulos da Geometria Solar
As relações geométricas entre os raios solares, que variam de acordo com o movimento aparente do Sol e a superfície terrestre, são descritas através de vários ângulos:
- Ângulo Zenital (z): ângulo formado entre os raios do Sol e a vertical local (Zênite).
- Altura ou Elevação Solar (): ângulo compreendido entre os raios do Sol e a projeção dos mesmos sobre o plano horizontal (horizonte do observador).
- Ângulo Azimutal do Sol (s): também chamado azimute solar, é o ângulo entre a projeção dos raios solares no plano horizontal e a direção Norte-Sul (horizonte do observador). O deslocamento angular é tomado a partir do Norte (0°) geográfico, sendo, por convenção, positivo quando a projeção se encontrar à direita do Sul (a Leste) e negativo quando se encontrar à esquerda (a Oeste).
- Ângulo Azimutal da Superfície (): ângulo entre a projeção da normal à superfície no plano horizontal e a direção Norte-Sul. Obedece às mesmas convenções do azimute solar.
- Inclinação da superfície de captação (): ângulo entre o plano da superfície em questão e o plano horizontal.
- Ângulo de incidência (): ângulo formado entre os raios do Sol e a normal à superfície de captação.
- Ângulo Horário do Sol ou Hora Angular (): deslocamento angular Leste-Oeste do meridiano do Sol, a partir do meridiano local, e devido ao movimento de rotação da Terra.
Os ângulos (z) e () permitem calcular a componente direta da irradiância que incide normalmente a um plano horizontal ou a qualquer superfície inclinada, desde que conhecida a componente direta da irradiância incidente sobre a superfície. Essa informação é necessária para os cálculos de irradiância solar direta coletada por dispositivos de conversão de energia solar.


2.1.2.5 Radiação Solar sobre a Terra
Considerando que o raio médio da Terra é 6.371Km, e considerando o valor da irradiância de 1367W/m² incidindo sobre a área projetada da Terra, conclui-se que a potência total disponibilizada pelo Sol à Terra, no topo da atmosfera, é de aproximadamente 174 mil TW (Terawatts).
Segundo TREMBERTH et al. (2009 apud PINHO e GALDINO, 2014) dos 174 mil Terawatts disponíveis no topo da atmosfera, 54% atinge realmente a atmosfera, sendo 7% refletida e 47% absorvida pela superfície terrestre (os 46% restantes são absorvidos ou refletidos diretamente pela atmosfera), ou seja, da potência total disponibilizada pelo Sol à Terra, cerca de 94 mil TW chegam efetivamente à superfície terrestre.
2.1.2.6 Instrumentos de Medição da Radiação Solar
O objetivo da medição de dados solares é a obtenção experimental do valor instantâneo do fluxo energético solar (irradiância) ou integrado (irradiação) ao longo de um intervalo de tempo (minuto, hora, dia ou ano). É de interesse da engenharia solar, o conhecimento dos valores da irradiância ou irradiação global e de suas componentes direta e difusa incidentes em uma superfície.
Existem dois tipos de instrumento comumente utilizados para a mensuração da irradiação solar: o piranômetro para medidas da irradiação global e o pireliômetro, para medição da irradiação direta.
O piranômetro pode ser do tipo termoelétrico ou do tipo fotovoltaico. O termoelétrico consiste numa termopilha utilizada com sensor. A termopilha é construída com múltiplos termopares em série, com a junção quente enegrecida faceando o Sol e a junção fria na parte inferior. O do tipo FV é composto por uma pequena célula fotovoltaica. Apresenta como vantagens o baixo custo, o pequeno tempo de resposta e a linearidade com a irradiância. Como desvantagem, uma menor precisão em relação ao termoelétrico.
O pireliômetro é um instrumento utilizado para medir a irradiância direta com incidência normal à superfície. A irradiância difusa é bloqueada instalando-se o sensor termoelétrico dentro de um tubo de colimação, com paredes enegrecidas e apontado diretamente para o Sol.
2.1.2.7 Princípios de Funcionamento da Célula Fotovoltaica
Existem na natureza materiais classificados como semicondutores, que se caracterizam por possuírem uma banda de valência totalmente preenchida por elétrons e uma banda de condução “vazia” (sem elétrons) na temperatura do zero absoluto (0K). Assim sendo, um semicondutor comporta-se como um isolante a 0K.
A separação entre as duas bandas de energia (banda de condução, banda proibida, banda de valência, por exemplo, um material condutor não possui a banda proibida) permitidas dos materiais semicondutores, denominada de banda proibida (bandgap, ou gap) e representada por Eg, pode atingir até 3eV (elétron-volt), diferenciando estes materiais dos materiais isolantes, onde a banda proibida supera este valor. Uma característica importante dos semicondutores é o aumento da condutividade com a temperatura, proporcionado pela excitação térmica de elétrons da banda de valência para a banda de condução, deixando na banda de valência as lacunas, as quais constituem portadores de carga positiva. Há ainda a possibilidade de geração de portadores por meio de energia cinética de partículas (prótons, nêutrons, etc) que atinjam o material, a chamada ionização por impacto.
A propriedade fundamental que permite a fabricação de células fotovoltaicas é a possibilidade de fótons incidentes no material, com energia superior à Eg do gap, também gerarem pares elétron-lacuna. A energia de um fóton é associada à cor da luz, de acordo com a equação:
E_f=h×f
onde, Ef é a energia do fóton (J), h é a constante de Planck (J.s) e f é a frequência da luz (Hz).
Estes elétrons e lacunas fotogerados podem se mover dentro do material e aumentam sua condutividade elétrica, o que é denominado de efeito fotocondutivo. Este efeito é usado na fabricação de componentes eletrônicos denominados fotocélulas ou fotoresistores (Light Dependent Resistor - LDRs), no qual a resistência elétrica varia em função da luminosidade incidente.
Para aproveitar a tensão e a corrente elétrica geradas é necessário construir uma junção PN a fim de separar os portadores (de carga positiva e negativa) aplicando um campo elétrico. Para construí-la é necessário introduzir de forma controlada impurezas no semicondutor, ou seja, realizar a dopagem, que consiste na introdução de pequenas quantidades de outros elementos, denominados dopantes, que mudam drasticamente as propriedades elétricas do material intrínseco (material sem dopagem, denominado do tipo i).
A diferença de potencial entre as regiões P e N pode ser entendida como resultado das diferenças no nível de Fermi nos dois materiais. Quando estes materiais entram em contato, a situação de equilíbrio é alcançada quando os níveis de Fermi se igualam o que ocorre pelo fluxo inicial de portadores e pelo estabelecimento do campo elétrico e da diferença de potencial, ddp que é a responsável por impelir a corrente fotogerada.
Na prática, para se obter a junção PN da célula parte-se, por exemplo, de uma lâmina de silício já previamente dopada, em sua fabricação, com átomos do tipo P e são introduzidos átomos do tipo N. Isto é feito por meio da introdução do material em um forno a alta temperatura contendo um composto de fósforo na forma gasosa. Da mesma maneira, também se pode formar a junção PN em uma lâmina de silício do tipo N, com a introdução posterior de átomos do tipo P.
Se um material semicondutor dotado de uma junção PN for exposto a fótons com energia maior que a do gap (Ef > Eg), então ocorrerá a fotogeração de pares elétron-lacuna. De uma forma bastante simplificada, para completar a célula fotovoltaica, são ainda necessários um contato elétrico frontal (malha metálica) na região N, e também um contato traseiro na região P.
Os fatores que limitam a eficiência de conversão de uma célula fotovoltaica são:
1) Reflexão na superfície frontal;
2) Sombra proporcionada pela área da malha metálica na face frontal;
3) Absorção nula de fótons de energia menor que o gap (Ef < Eg);
4) Baixa probabilidade de coleta, pela junção PN, dos portadores de carga gerados fora da zona de carga espacial;
5) Recombinação dos portadores de carga, isto é, o “reencontro” dos elétrons e lacunas em impurezas e defeitos do material;
6) Resistência elétrica no dispositivo e nos contatos metal-semicondutor, bem como possíveis caminhos de fuga da corrente elétrica.


2.1.2.8 Características Elétricas das Células Fotovoltaicas – Curva I-V
A corrente elétrica em uma célula fotovoltaica pode ser considerada como a soma da corrente de uma junção PN no escuro (diodo semicondutor) com a corrente gerada pelos fótons absorvidos da radiação solar. Esta corrente em função da tensão no dispositivo, denominada de curva I-V ou curva característica, é derivada da Equação de Shockley do diodo ideal.
Segundo a norma NBR 10899: “O módulo fotovoltaico é uma unidade básica formada por um conjunto de células fotovoltaicas, interligadas eletricamente e encapsuladas, com o objetivo de gerar energia elétrica”.
2.1.2.9 Parâmetros Elétricos
A partir da curva I-V, podem ser determinados os parâmetros elétricos que caracterizam as células ou módulos fotovoltaicos: tensão de circuito aberto, corrente de curto circuito, fator de forma e eficiências:
- Tensão de circuito aberto (Voc) – É a tensão entre os terminais de uma célula fotovoltaica quando não há corrente elétrica circulando e é a máxima tensão que uma célula fotovoltaica pode produzir.
- Corrente de curto-circuito (Isc) - É a máxima corrente que se pode obter e é medida na célula fotovoltaica quando a tensão elétrica entre seus terminais é igual à zero.
- Fator de Forma (FF) – É a razão entre a máxima potência da célula e o produto da corrente de curto circuito com a tensão de circuito aberto.
- Eficiência (η) – É o parâmetro que define quão efetivo é o processo de conversão de energia solar em energia elétrica. Representa a relação entre a potência elétrica produzida pela célula fotovoltaica e a potência da energia solar incidente.
2.1.2.10 Resistência Série e Paralelo de Células Fotovoltaicas
Essas resistências contribuem por reduzir o FF da célula e, portanto sua eficiência. A resistência em série se origina na resistência do próprio material semicondutor, nos contatos metálicos e na junção metal-semicondutor.
Já a resistência em paralelo, que é proveniente de impurezas e defeitos na estrutura causa uma corrente de fuga, reduzindo a corrente efetivamente, produzida pelo dispositivo.
2.1.2.11 Associação Série e Paralelo de Células Fotovoltaicas
Na conexão em série, o terminal positivo de um dispositivo fotovoltaico é conectado ao terminal negativo do outro dispositivo, e assim por diante. Para dispositivos idênticos e submetidos à mesma irradiância, quando a ligação é em série, as tensões são somadas e a corrente elétrica não é afetada. No caso de se associarem os dispositivos em série com diferentes correntes de curto circuito, a corrente elétrica da associação será limitada pela menor corrente. Esta situação não é recomendada na prática, pois pode causar superaquecimento.
Na associação em paralelo, os terminais positivos são interligados entre si, assim como os terminais negativos. As correntes elétricas são soadas e a tensão é a mesma em todos os ramos do dispositivo.
2.1.2.12 Influência da Irradiância Solar e Temperatura nas Características Elétricas
Nos casos de alta irradiância, a “resistência em série” torna-se um fator que pode reduzir a eficiência se a célula fotovoltaica não for projetada para estas condições. Por outro lado, quando incidem baixos valores de radiação solar, a “resistência em paralelo” pode reduzir ainda mais a potência elétrica gerada.
A escolha de um módulo não deve ser baseada na eficiência e sim em fatores como: custo, durabilidade, reputação do fabricante, etc., a menos que a área disponível para a instalação seja um fator restritivo. A corrente elétrica gerada por uma célula fotovoltaica aumenta linearmente com o aumento da irradiância solar incidente, enquanto que a tensão de circuito aberto aumenta de forma logarítmica, se mantida a mesma temperatura.
O aumento da temperatura ambiente produz um aumento da temperatura da célula e, consequentemente, tende a reduzir sua eficiência. Isto se deve ao fato de que a tensão da célula diminui significativamente com o aumento da temperatura, enquanto que sua corrente sofre uma elevação muito pequena, quase desprezível.
2.1.2.13 Células e Módulos Fotovoltaicos de Silício Cristalino
As células de Silício Cristalino utilizam o silício ultrapuro na sua fabricação. Pode ser utilizada a mesma matéria-prima da indústria eletrônica (chips) o chamado silício grau eletrônico (Si-gE) ou então o silício grau solar (Si-gS) de menor custo (este último não pode ser usado na indústria eletrônica).
A espessura é um fator de projeto e otimização das células fotovoltaicas. Células muito espessas perdem eficiência por recombinação em função dos comprimentos de difusão no material dos elétrons fotogerados, enquanto que células muito finas perdem eficiência devido ao coeficiente de absorção óptica do material.
O encapsulamento é constituído de um sanduíche de vidro temperado de alta transparência, acetato de etil vinila (EVA, do inglês Ethylene-vinyl acetate) estabilizado para a radiação ultravioleta, células fotovoltaicas, EVA estabilizado e um filme posterior isolante. Este filme é uma combinação de polímeros tais como fluoreto de polivinila (PVF), tereftalato de polietileno (PET), dentre outros. O processo de laminação é realizado a temperaturas de 120 a 150ºC, quando o EVA torna-se líquido e as eventuais bolhas de ar geradas são eliminadas. No processo seguinte, é realizada a cura do EVA, que proporciona uma maior durabilidade ao módulo fotovoltaico. Após este processo, coloca-se uma moldura de alumínio anodizado e a caixa de conexões elétricas e o módulo fotovoltaico está finalizado.
Podem ser fabricadas também células fotovoltaicas de c-Si (Crystalline Silicon - Silício Cristalino, c-Si) coloridas para módulos destinados à integração arquitetônica (SFIE – Sistema Fotovoltaico Integrado à Edificação).
2.1.2.14 Células e Módulos Fotovoltaicos de Filmes Finos
Esta tecnologia permite fabricar células fotovoltaicas bastante finas, sendo assim, o consumo de energia e de materiais semicondutores para a produção das células é reduzido, resultando em menores custos.
Ao contrário das células de silício cristalino, onde primeiro se produz a lâmina de silício, depois a célula e finalmente o módulo, nos dispositivos de filmes finos, todo o processo está integrado. Dentre os materiais mais usados estão o silício amorfo hidrogenado (a-Si:H), o disseleneto de cobre e índio (CIS) ou disseleneto de cobre, índio e gálio (CIGS) e o telureto de cádmio (CdTe).
O silício amorfo hidrogenado, a-Si:H vem sendo usado desde a década de 1980 em células para calculadoras, relógios digitais e outros equipamentos. Uma desvantagem para a utilização destas células é que a potência real atinge um valor maior que a potência nominal, decaindo e atingindo o valor nominal após 6 a 12 meses de uso, logo, todos os equipamentos do sistema fotovoltaico devem ser dimensionados considerando tal problema.
Como a maior eficiência do melhor módulo de a-Si:H é da ordem de 10%, a área de instalação necessária deve ser maior, o que demanda maiores custos de mão de obra e material (cabos, estruturas de fixação) em comparação com os módulos de c-Si. Por outro lado, o a-Si:H apresenta um menor coeficiente de temperatura, além de menor perda de eficiência em condições de baixa irradiância.
2.1.2.15 Células Fotovoltaicas para Concentração e Multijunção e de Corantes e Orgânicas
Uma alternativa para reduzir o custo do Watt-pico (Wp) é o uso de sistemas ópticos de concentração da radiação solar por meio de lentes e/ou espelhos, formadores ou não de imagens. Com o aumento da irradiância solar incidente na célula, é possível obter elevadas correntes elétricas com células de pequena área. A alta eficiência tem como desvantagem o alto custo de produção. Este pode ser minimizado, se os sistemas ópticos e de seguimento (rastreamento) do movimento aparente do Sol forem de baixo custo. Esta tecnologia é denominada muitas vezes de CPV – concentrated photovoltaics.
Para concentrações (a concentração é a razão entre a área de captação e a área da célula e é expressa na unidade “sóis”) da ordem de 100 sóis (100 X), com espectro da radiação solar direta, células fotovoltaicas de silício com todos os contatos na face posterior atingiram a eficiência de 27,6%. Usando GaAs (arsenieto de gálio) e tecnologias de epitaxia (crescimento epitaxial - crescimento de camadas sobre uma lâmina de material semicondutor) para a produção de células com uma junção PN foi alcançada a eficiência de 29,1%. Células fotovoltaicas multijunção de GaInP/GaAs/GaInNAs e GaInP/GaInAs/Ge, obtidas por epitaxia em fase vapor de compostos organometálicos (MOCVD – Metalorganic Chemical Vapour Deposition) ou epitaxia por feixe molecular (MBE – Molecular Beam Epitaxy), tecnologias onde as camadas de materiais semicondutores crescem de forma extremamente controlada, atingiram a eficiência de 44% e de 41,6%, respectivamente, para concentrações de 418X e 364X. Atualmente, células fotovoltaicas multijunção produzidas industrialmente são utilizadas apenas em satélites por causa do alto custo do Watt-pico (PINHO e GALDINO, 2014).
As células fotovoltaicas sensibilizadas por corantes (DSSC – Dye Sensitized Solar Cells) foram inicialmente desenvolvidas na década de 1980, por Michael Grätzel, razão porque são às vezes chamadas de células de Grätzel. A estrutura básica é composta de um substrato de vidro, um filme condutor transparente (TCO - Transparent Conductive Oxide - Óxido Condutivo Transparente), uma camada composta por TiO2 (dióxido de titânio) poroso e embebido em um corante com rutênio, um eletrólito (solução condutora salina), outro TCO e finalmente um contato metálico traseiro de platina e vidro. Os fótons incidentes produzem elétrons livres no corante, que são injetados na camada de TiO2; o fluxo de elétrons é mantido porque o eletrólito “recarrega” o corante com elétrons. Observe-se que o dispositivo não funciona a partir de uma junção PN de material semicondutor, e sim pela absorção de luz em um corante, por isso não é considerada uma célula fotovoltaica, e sim fotoeletroquímica. Os processos de fabricação deste tipo de célula são de baixo custo, mas para uma produção em larga escala deverão ser desenvolvidos módulos fotovoltaicos com eficiências maiores do que 10%, estáveis para aplicações de longo prazo, e com eletrólitos sólidos. Este tipo de célula apresenta uma espessura cerca de 1.000 vezes menor que a de uma célula de silício. De acordo com alguns fabricantes, os módulos fabricados com células sensibilizadas por corantes têm a vantagem de poderem ser instalados sem maiores preocupações com a sua inclinação, pois a estrutura tridimensional das células absorve perfeitamente a radiação difusa. Corantes orgânicos de uva, berinjela e amora, dentre outros, têm sido testados no uso desta tecnologia, ultrapassando eficiências da ordem de 10%, porém apresentando baixa durabilidade, não permitindo sua comercialização.
Também podem ser produzidas células fotovoltaicas de filmes finos com materiais orgânicos. O material orgânico geralmente pode ser depositado por técnicas simples, como por exemplo, as denominadas: spray, spin-on ou roll-to-roll. Com material semicondutor orgânico depositado sobre um filme de PET (politereftalato de etileno é um polímero termoplástico, utilizado principalmente na forma de fibras para tecelagem e de embalagens para bebidas, de fácil reciclagem), podem ser processadas células fotovoltaicas com espessura menor que 2 μm.
2.1.2.16 Características Construtivas dos Módulos Fotovoltaicos
Módulos com tensão nominal de 12VCC, com 36 células em série, são utilizados para carregar baterias, e podem ser associados em série, para sistemas de 24VCC ou 48VCC (corrente contínua). Para aplicações de maior porte, é comum encontrar módulos com tensões nominais diferentes, como 30VCC ou 120VCC.
Para carregar plenamente baterias de chumbo-ácido de 12VCC é necessária uma tensão mínima da ordem de 14VCC, e os módulos fotovoltaicos devem produzir aproximadamente 16VCC, devido ao efeito da temperatura e às perdas que ocorrem nos cabos e nas proteções. Desta forma, um módulo de silício cristalino típico para esta finalidade tem 36 células conectadas em série, apresentando um valor aproximado de 18VCC como tensão de máxima potência e 21VCC como tensão de circuito aberto nas condições-padrão de ensaio (STC, do inglês Standard Test Conditions). Módulos de outras tecnologias necessitam de diferentes quantidades de células conectadas em série para alcançar estas mesmas tensões.
2.1.2.17 Características Elétricas dos Módulos
A definição da potência de pico de um módulo fotovoltaico é feita nas condições-padrão de ensaio, considerando irradiância de 1000W/m² sob uma distribuição espectral padrão para AM1,5 (AM - Air Mass - Massa de Ar) e temperatura de célula de 25ºC.
Um dos ensaios mais completos para determinar as características elétricas de um módulo fotovoltaico é o traçado de sua curva característica I-V. O módulo é submetido às condições-padrão de ensaio e uma fonte de tensão variável realiza uma varredura entre uma tensão negativa de poucos volts (em relação aos terminais do módulo) até ultrapassar a tensão de circuito aberto do módulo (quando sua corrente fica negativa). Quanto melhor a qualidade das células no módulo, mais próxima da forma retangular será sua curva I-V. Os valores de máxima potência, tensão de circuito aberto e corrente de curto-circuito: PMP, VMP, IMP, Voc e Isc são os cinco parâmetros que especificam o módulo sob dadas condições de radiação, temperatura de operação de célula e massa de ar.

2.1.2.18 Efeitos de Sombreamento
Os módulos de c-Si contém células fotovoltaicas associadas em série. Quando uma ou mais destas células recebe menos radiação solar do que as outras da mesma associação, sua corrente vai limitar a corrente de todo o conjunto série. Esta redução de radiação incidente pode ocorrer por um sombreamento parcial do módulo, depósito de sujeira sobre o vidro, ou algo que tenha caído sobre o módulo, dentre outras possibilidades. O efeito de redução de corrente no conjunto de células do módulo acaba se propagando para todos os módulos conectados em série. Além da perda de potência no gerador fotovoltaico, há o risco de danos ao módulo parcialmente sombreado, uma vez que a potência elétrica gerada que não está sendo entregue é dissipada no módulo afetado, às vezes sobre apenas uma de suas células. Neste caso pode ocorrer o fenômeno conhecido como “ponto quente” (hotspot), que produz intenso calor sobre a célula afetada, com ruptura do vidro e fusão de polímeros e metais.
2.1.2.19 Diodos de Desvio (by-pass)
Para evitar a ocorrência de “pontos quentes”, os módulos são normalmente protegidos com diodos de desvio, que oferecem um caminho alternativo para a corrente e, assim, limitam a dissipação de potência no conjunto de células sombreadas. Isso reduz simultaneamente a perda de energia e o risco de dano irreversível nas células afetadas, o que inutilizaria o módulo.
2.1.2.20 Diodo de Bloqueio
O diodo de bloqueio é outro componente de proteção usado em conexões de módulos ou conjuntos série de módulos em paralelo, e tem a função de impedir o fluxo de corrente de um conjunto série com tensão maior para um com tensão menor. Em sistemas que utilizam armazenamento, o diodo de bloqueio também pode ser utilizado para impedir descargas noturnas das baterias, pois à noite os módulos podem conduzir uma corrente reversa, que, apesar de pequena, contribui para a descarga das baterias.
2.1.2.21 Fusível de Proteção da Série Fotovoltaica
O fusível fotovoltaico é um componente de proteção que tem a função de proteger a série fotovoltaica (em inglês, string - conjunto de coisas amarradas ou encadeadas se estendendo em uma longa fila) do fluxo de corrente reversa de um conjunto série com tensão maior para um com tensão menor. Deve ser dimensionado para correntes menores que a corrente reversa suportável pelo módulo.
2.1.2.22 Baterias
Em sistemas fotovoltaicos isolados da rede elétrica, o uso de dispositivos de armazenamento de energia faz-se necessário para atender a demanda em períodos nos quais a geração é nula ou insuficiente, com baixa irradiância solar. Dos vários tipos de acumuladores eletroquímicos existentes, a bateria de Chumbo-Ácido ainda é a tecnologia mais empregada. Baterias com tecnologias mais modernas, tais como Níquel-Cádmio, Níquel-Hidreto Metálico, íon de Lítio, dentre outras, embora apresentem vantagens (maior eficiência, maior vida útil, maior profundidade de descarga), geralmente não são economicamente viáveis.
A operação de uma bateria usada em um sistema fotovoltaico isolado deve atender a dois tipos de ciclos: ciclos rasos a cada dia e ciclos profundos por vários dias (tempo nublado) ou semanas (durante o inverno).
2.1.2.23 Outros Sistemas de Armazenamento
Apesar do armazenamento eletroquímico, através de baterias, ser a opção mais aplicada em SFI (Sistema Fotovoltaico Isolado), outras formas de armazenamento podem ser utilizadas, como o armazenamento na forma de campo elétrico (super capacitores), campo magnético (indutores com supercondutores), energia mecânica (volantes de inércia, ar comprimido, bombeamento de água) e hidrogênio. Ainda que promissoras,estas tecnologias, encontram empecilhos operacionais tais como menor eficiência e altos custos de manutenção e instalação.
2.1.2.24 Controladores de Carga
Os controladores de carga são incluídos na maioria dos sistemas fotovoltaicos isolados (SFIs) com o objetivo de proteger a bateria (ou banco de baterias) contra cargas e descargas excessivas, aumentando a sua vida útil.
Os controladores devem desconectar o gerador fotovoltaico quando a bateria atingir carga plena e interromper o fornecimento de energia quando o estado de carga da bateria atingir um nível mínimo de segurança. Alguns controladores também monitoram o desempenho do SFI (corrente e tensão de carregamento da bateria ou da carga) e acionam alarmes quando ocorre algum problema. Para melhorar o desempenho do controlador de carga, este ainda pode incorporar sensor de temperatura, com a função de compensar o efeito da variação de temperatura nos parâmetros da bateria. No momento de se especificar um controlador de carga, primeiro é importante saber o tipo de bateria a ser utilizada e o regime de operação do sistema. A seguir, determina-se a tensão e a corrente de operação do sistema.
2.1.2.25 Tipos de Controladores de Carga
Os controladores podem diferir basicamente quanto à grandeza utilizada para o controle, forma de desconexão do painel fotovoltaico e estratégia de controle adotada. As grandezas de controle mais utilizadas são: estado de carga (integração do fluxo de corrente na bateria), tensão e densidade do eletrólito da bateria.
Quanto à forma utilizada para desconectar o painel fotovoltaico da bateria a carga plena, o controlador pode ser classificado como paralelo (shunt) ou série. O controlador paralelo geralmente consome menos energia do que o série e, por isso, é mais comumente utilizado.
Os controladores de carga comerciais mais simples são do tipo denominado liga-desliga (on-off). Este tipo de controlador aplica diretamente a tensão e a corrente do painel sobre a bateria, sem qualquer tipo de regulação. Neste caso, o painel FV funciona como uma fonte de corrente limitada pela Isc nas condições instantâneas de operação (irradiância e temperatura), com o valor de tensão estabelecido pela bateria. A estratégia de controle on-off é baseada na tensão instantânea medida nos terminais da bateria. Para as baterias de chumbo-ácido, a 25°C, no limite superior (2,3 a 2,5 V por célula) a bateria é desconectada do arranjo por considerar-se que, ao atingir este ponto, ela está completamente carregada (HVD). No limite inferior (1,9 a 2,1 V por célula) a carga é desconectada da bateria, pois neste ponto considera-se que a bateria esteja descarregada na máxima profundidade (LVD).
2.1.2.26 Detalhamento das Características e Funções de Controladores de Carga
O valor da corrente máxima do controlador (maior do que a corrente de curto-circuito produzida pelo gerador fotovoltaico multiplicada por um fator de 1,25) e a tensão de operação do sistema são as informações mínimas necessárias para a especificação do controlador. Além disso, deve-se ainda levar em conta a corrente de surto, se houver.
Alguns controladores de carga têm a função de desviar a energia de um gerador fotovoltaico para uma carga adiável, quando as baterias estão completamente carregadas. Isso com o objetivo de aproveitar adequadamente esta energia que de outra forma seria desperdiçada.
2.1.2.27 Controladores de Carga Baseados em Tensão
Este tipo de controlador é o mais utilizado. Todas as decisões são tomadas com base no valor instantâneo da tensão nos terminais da bateria. Os dados do fabricante geralmente fornecem os limites de aplicação do controlador, tais como correntes de carga e do gerador fotovoltaico, temperaturas de operação, perdas e pontos de regulagem.
Controladores que apresentam opções de compensação de temperatura necessitam de informações específicas e detalhadas sobre a bateria a ser utilizada. Como, por exemplo, o valor da resistência interna e o coeficiente de variação da tensão com a temperatura.
2.1.2.28 Controladores de Carga Baseados em Estado de Carga da Bateria
Controladores de carga “inteligentes” foram desenvolvidos inicialmente para aplicações com baterias portáteis de baixa potência (em geral níquel-cádmio) como computadores portáteis, celulares, etc. Nestes controladores, um circuito microprocessado (capaz de medir em tempo real, o fluxo de corrente que entra e sai da bateria) calcula a carga correspondente em Ah (ampères-hora) e, consequentemente, permite conhecer o estado de carga da bateria a qualquer momento.
Atualmente, já são encontrados no mercado controladores de carga baseados em estado de carga da bateria (SOC – state of charge) para aplicações em sistemas fotovoltaicos, capazes de implementar as funções de proteção contra carga e descarga excessivas, mantendo independência com relação ao modelo de bateria em questão. O maior desafio para esta tecnologia é a variação da eficiência da bateria em função do estado de carga e da temperatura.
2.1.2.29 Carga em 3 Estágios
Os controladores modernos para SFIs tem como base a eletrônica de potência e a modulação PWM. O algoritmo de controle utilizado por um controlador deste tipo, com controle baseado em tensão, tem como estágios: grossa – nesta fase, que caracteriza o início da carga, quando a bateria encontra-se descarregada, o controlador aplica às baterias a máxima corrente que o painel fotovoltaico pode fornecer, até que estas atinjam uma tensão de fim de carga preestabelecida. O painel fotovoltaico funciona como uma fonte de corrente, sendo a tensão imposta pela bateria. Na fase grossa são repostos 80-90% da capacidade. Absorção – nesta fase a tensão da bateria é mantida constante na tensão de fim de carga por um determinado intervalo de tempo acumulado (normalmente 1h, podendo não ser contínuo) até que a bateria seja considerada totalmente carregada. A corrente fornecida pelo painel é controlada via PWM. Flutuação – nesta fase a tensão da bateria também é mantida constante com a corrente controlada via PWM, porém, em um nível de tensão de flutuação, que é bastante inferior à tensão de fim de carga. Esta fase se mantém indefinidamente, até que a bateria descarregue e sua tensão fique abaixo da tensão de flutuação por determinado intervalo de tempo (normalmente 1h), quando então um novo ciclo de carga grossa será disparado. Equalização – nesta fase o controlador aplica uma tensão mais elevada para causar uma sobrecarga na bateria de forma controlada e obter um borbulhamento (gaseificação) que visa agitar o eletrólito e evitar sua estratificação (esta fase destina-se normalmente a baterias Chumbo-ácido abertas).
2.1.2.30 Controlador SPPM
Os controladores mais sofisticados disponíveis adotam a estratégia de seguimento do ponto de potência máxima (Seguidor do Ponto de Potência Máxima, SPPM) do painel fotovoltaico visando aumentar a eficiência do processo de carga. Para isso, o equipamento opera em uma tensão de entrada mais elevada que os controladores convencionais e inclui um conversor CC – CC (corrente contínua, CC) como primeiro estágio, de forma a alcançar um melhor casamento entre a curva I-V do painel e as baterias.
Conversores CC – CC: em geral, utilizado como controlador de carga de baterias a partir da energia gerada por geradores fotovoltaicos. Inversor: dispositivo responsável pela conversão de uma tensão contínua proveniente dos geradores renováveis, ou do banco de baterias, para uma tensão alternada, com amplitude e frequência determinadas.
2.1.2.31 Inversores
Um inversor é um dispositivo eletrônico que fornece energia elétrica em corrente alternada (CA) a partir de uma fonte de energia elétrica em corrente contínua (CC). A tensão CA de saída deve ter amplitude, frequência e conteúdo harmônico adequado às cargas a serem alimentadas. Em sistemas fotovoltaicos, os inversores podem ser divididos em duas categorias com relação ao tipo de aplicação: SFI (Sistema Fotovoltaico Isolado) ou SFCR (Sistema Fotovoltaico Conectado à Rede). Dependendo do princípio de operação, os inversores podem ser divididos em dois grandes grupos: comutados pela rede (comutação natural) e autocomutados (comutação forçada). São dispositivos semicondutores de potência, que constituem chaves eletrônicas controláveis. Os componentes SCR, TRIAC e GTO são genericamente denominados de tiristores, enquanto que BJT, MOSFET e IGBT são chamados de transistores.
2.1.2.32 Inversores Comutados pela Rede (para SFCR)
Como a troca do estado de condução para o estado de corte é controlada pelo circuito de potência, os inversores a tiristor são chamados inversores de comutação natural ou inversores comutados pela rede. Apesar de robustos e simples, sua baixa qualidade de tensão e corrente de saída (devido à alta quantidade de harmônicos) requer o uso de redes de filtragem complexas, onerosas e que implicam em perdas. Com o surgimento de novos dispositivos de chaveamento (MOSFET, IGBT), a utilização de inversores a tiristor foi reduzida e é hoje restrita a unidades de potência elevada (acima de 100 kW) e acionadores (drivers) de motores elétricos de grande porte.
2.1.2.33 Inversores Autocomutados
Nos inversores autocomutados os elementos de chaveamento são semicondutores que podem ser postos em estado de condução ou de corte a qualquer instante do ciclo, através de um terminal de controle. Estes dispositivos usam estratégias de controle baseadas na modulação por largura de pulso (PWM), o que permite um bom controle sobre a forma de onda e o valor da tensão de saída.
Os inversores podem ter um ou dois estágios. Os inversores de um estágio têm por principal característica a robustez e a alta eficiência, devido ao reduzido número de componentes. Por outro lado, no caso de um inversor sem transformador, a tensão CC de entrada deve ter um valor mínimo relativamente elevado, equivalente ao valor de pico da tensão CA da rede elétrica ou o dobro desta, dependendo da configuração da ponte inversora. A inclusão opcional de um transformador de alta frequência cria um isolamento galvânico entre os lados em corrente contínua e alternada. O estágio conversor CC - CC (dois estágios) gera uma tensão adequada no elo CC interno (link CC) do inversor. No caso do inversor para SFCR, o conversor CC - CC normalmente efetua SPPM na entrada proveniente do painel fotovoltaico, enquanto que no caso do inversor para SFI, o estágio conversor CC - CC é apenas um elevador de tensão. O elo CC interno é um capacitor eletrolítico que tem as funções de armazenamento de energia e filtragem.
2.1.2.34 Princípio de Funcionamento dos Inversores CC - CA
Se ao invés de duas (inversor CC - CA de meia ponte - half bridge) forem utilizadas quatro chaves, na topologia de circuito tem-se então um inversor CC - CA de ponte completa (full bridge) monofásico. A ponte trifásica completa de um inversor CC - CA é formada acrescentando-se mais uma “perna” à ponte H.
As frequências de chaveamento situam-se na faixa de 10-100kHz, de forma que a compatibilidade eletromagnética (Eletromagnetic Compatibility, EMC) deve ser considerada no projeto do equipamento, visando evitar interferências, o que inclui itens como blindagem, filtragem e aterramento.
Vale destacar que a RN 493/2012 (ANEEL) exige a utilização de inversores com forma de onda senoidal em sistemas de geração isolados tipo SIGFI (Sistema Individual de Geração de Energia Elétrica com Fonte Intermitente) e MIGDI (Microssistema Isolado de Geração e Distribuição de Energia Elétrica). Devido aos critérios de qualidade impostos pela rede elétrica, os inversores para conexão à rede também devem apresentar forma de onda de saída senoidal e com baixa distorção harmônica.
2.1.2.35 Características dos Inversores
A forma de onda geralmente é uma indicação da qualidade e do custo do inversor, e esta depende do método de conversão e filtragem utilizado para eliminar as harmônicas indesejáveis resultantes da conversão. Nos inversores a eficiência não é constante e seu valor depende da potência demandada pelos equipamentos de consumo (carga), e também de seu fator de potência. Os fabricantes normalmente anunciam a eficiência na carga nominal, mas nem sempre destacam o fato de que sob cargas parciais seus dispositivos apresentam baixas eficiências.
Um parâmetro importante a ser considerado em um inversor para SFI, especialmente para sistemas tipo SIGFI, é a potência que o dispositivo consome em condições de espera (standby). A economia de energia em modo de espera pode reduzir a capacidade de geração fotovoltaica necessária na etapa de dimensionamento do projeto e, como consequência, reduzir o custo de aquisição do sistema com um todo.
Outra característica importante é de que um inversor para SFIs deve tolerar surtos de corrente que ocorrem, por exemplo, na partida de motores elétricos.
Para especificar um inversor é preciso primeiramente considerar qual é o tipo de inversor: inversor de bateria para SFI, ou inversor para SFCR. Os parâmetros que devem ser especificados são: a tensão de entrada CC e a tensão de saída CA, faixa de variação de tensão aceitável, potência nominal, potência de surto, frequência, forma de onda e distorção harmônica (Total Harmonic Distortion, THD), grau IP de proteção, temperatura ambiente e umidade do local da instalação além das certificações e tempo de garantia desejado.

4.Metodologia
Na primeira etapa do presente projeto o desenvolvimento do programa será realizado por meio de aulas teóricas, expositivas, com o auxílio de equipamentos multimídia. Nas aulas práticas, em laboratório, os alunos seguirão tutoriais fornecidos pelo professor. Todas as informações e conteúdos pertinentes à disciplina (Tópicos Especiais em Automação e Controle: Conversão das Energias Solar e Eólica em Energia Elétrica) serão disponibilizados no ambiente virtual de aprendizagem, disponibilizado pelo EAD da UFPel.
O conteúdo a ser abordado está dividido da seguinte forma:
• Recurso solar;
• Células e módulos fotovoltaicos;
• Componentes básicos de sistemas fotovoltaicos;
• Aplicações de sistemas fotovoltaicos;
• Projeto de sistemas fotovoltaicos;
• Instalação de sistemas fotovoltaicos;
• Recomendações de segurança, operação e manutenção;
• Normas, regulamentos e aspectos econômicos;
• Exemplos de sistemas fotovoltaicos instalados no Brasil; • O vento;
• Energia eólica;
• Turbinas eólicas e aerogeradores;
• O terreno e o vento;
• Potencial eólico;
• A disposição dos aerogeradores;
• Conexão da usina eólica;
• A energia eólica e o meio ambiente;
• Projeto de um parque eólico e aspectos econômicos;

A bibliografia contará, como livros textos, as obras dos autores PINHO et al. (2014) e FADIGAS (2012).
Na segunda etapa do projeto, o grupo fará uso de módulos de demonstração, kits, placas de circuito impresso, circuitos integrados, entre outros, com o objetivo de consolidar na prática os conceitos envolvendo as energias solar e eólica. Como exemplo, podem-se citar:
• Sistemas de monitoramento (software SCADA / registro de variáveis);
• Medição meteorológica: temperatura ambiente, temperatura módulo solar, velocidade do vento, sonda irradiação, etc.
• Medição elétrica: Analog Discovery Multi-Function Instrument – DIGILENT.
• Módulos solares: Energy Harvesting Development Kit / Battery Fuel Gauge Demo Board / Energy Meter Evaluation Board / Energy Monitoring - MICROCHIP, Rechargeable SolidSstate Battery - Cymbet, Energy Harvesting Solution To Go - WÜRTH ELEKTRONIK, Photovoltaic Modules – ISOFOTON;
• Inversores solares: Inversores Solares SIW – WEG, ISOVERTER DC/AC - ISOFOTON;
• Módulos concentrados: fonte de alimentação; protetores de surto (DPS) para proteção contra descargas atmosféricas, seccionadora de corte dos painéis fotovoltaicos em corrente contínua (CC), fusíveis de proteção em CC (polo +) e função de medição de tensão e corrente, datalogger que registra o que está sendo medido, etc. String Box – WEG.
• Transformadores: WEG;
• Turbinas eólicas (alimentação de pequenos conjuntos residenciais): ENERSUD;
• Alternadores de baixa rotação e alto torque de imã permanente: ENERSUD;
• Turbina eólica de eixo vertical (áreas urbanas): ENERSUD;
• Sistemas híbridos compostos de turbinas eólicas e placas solares: Educational Equipment “Soleolis” - SCHNEIDER ELECTRIC.
Uma grande parte dos equipamentos citados já está à disposição para uso no “Laboratório de Sistemas de Controle / CEng / UFPel” que tem como responsável o professor coordenador deste projeto. Soma-se nesta etapa o trabalho de pesquisa realizado pelos autores na área de medição de grandezas elétricas e a estrutura do laboratório para este fim. São inversores de frequência e motores elétricos, osciloscópio, ponteira de corrente, analisador de qualidade de energia, sistema de aquisição de dados com transdutores de temperatura, tensão, corrente, pressão, vazão, nível, controladores lógicos programáveis, sistemas supervisórios, compressor, multímetros, estações de solda, fontes, geradores de sinal e muito mais.

6.Resultados e Impactos Esperados
Contextualizando o parque industrial da região onde a Universidade Federal de Pelotas está localizada com a produção de produtos eletrônicos, que por sua vez demanda alto desenvolvimento tecnológico, percebesse uma grande lacuna, haja vista o baixíssimo número de vagas de estágio disponíveis para a área de automação e controle ou eletrônica. Embora existam instituições pelotenses de renome tanto regional quanto nacional como, por exemplo, a Universidade Católica de Pelotas, que desde 1973 oferece o curso de Engenharia Elétrica e desde 1991 o curso de Engenharia Eletrônica, ainda assim não foi possível fixar na cidade ou em seu entorno, empresas cujo produto tenha como foco o desenvolvimento de novas tecnologias e a inovação. No mesmo contexto, está o Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia Sul-rio-grandense, antiga Escola Técnica de Pelotas inaugurada em 1945, que iniciou suas atividades letivas com cursos de ensino industrial nas áreas de máquinas e instalações elétricas, aparelhos elétricos, telecomunicações entre outros. Hoje o instituto conta com o curso de graduação em Engenharia Elétrica. Adiciona-se aos demais o Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial - SENAI/Pelotas com a oferta de cursos correlatos. Ressalta-se aqui a influência da Universidade Federal do Rio Grande e como fator principal a proximidade de Pelotas do polo tecnológico formado pela grande Porto Alegre.
A expectativa é a de que o marco do rompimento desta barreira do desenvolvimento seja o surgimento e a ampliação do Polo Naval de Rio Grande. É sabido, a partir de vários exemplos (localizados principalmente no Oriente Médio - Emirados Árabes Unidos / Dubai), que a exploração de combustíveis fósseis é cercada pela fartura de investimentos e pelo avanço da inovação tecnológica (por exemplo, o Centro de Pesquisas e Desenvolvimento Leopoldo Américo Miguêz de Mello - Cenpes, da Petrobras, e o Instituto Luiz Alberto Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa em Engenharia - Coppe, da Universidade Federal do Rio de Janeiro). A mudança na zona sul do estado do Rio Grande do Sul pode ser evidenciada pela duplicação da BR-116, trecho entre a capital do estado e o porto de Rio Grande. No que concerne às oportunidades de negócio (indústria oceânica) e geração de conhecimento científico destaca-se a “Conferência Internacional em Tecnologias Naval e Offshore: Energia e Sustentabilidade – NAVTEC”, evento paralelo a Feira do Polo Naval – RS (evento anual realizado desde 2012 na cidade de Rio Grande) que nasce a partir das demandas crescentes da Petrobras por navios "Supply Vessel", plataformas e petroleiros e da retomada da construção naval no Brasil.
Diante do exposto aparece então a verdadeira vocação do presente projeto iniciado como sendo de ensino. Mais concreto e seguro que o desenvolvimento originado pelo petróleo, que é vulnerável a cobiça do ser humano e mais especificamente a estabilidade financeira da Petrobras, aparecem os aerogeradores instalados no balneário Cassino (Rio Grande/RS). A afinidade da energia eólica com a maior praia em extensão do mundo já era sentida por todos os que por ali um dia passaram, principalmente nos dias de forte ventania.
Conforme reportagem veiculada no ClicRBS/Gaucha em 25 de junho de 2014, dos três parques eólicos previstos para Rio Grande, dois devem começar a operar no segundo semestre de 2014: o do Corredor do Senandes e o do balneário Cassino. Somados, os dois empreendimentos têm capacidade de gerar 172 megawatts de energia. O projeto eólico do Corredor do Senandes tem investimento de R$ 400 milhões da empresa Odebrecht Energia. São 40 aerogeradores que tem capacidade para fornecer 108 megawatts. Já no parque eólico do balneário Cassino estão sendo aplicados R$ 256 milhões do Santander. No local, serão 32 torres que vão gerar 64 megawatts. O mais recente é o projeto do parque eólico do Povo Novo, onde a CEEE investirá R$ 270 milhões de reais. Quando pronto, em 2016, os 27 aerogeradores terão capacidade para 55 megawatts. Também na região Sul do Estado, há outros três parques eólicos em construção: o Geribatu, o Chuí e o Hermenegildo – que compõe o Complexo Eólico Campos Neutrais. De acordo com dados da Agência Nacional de Energia Elétrica, o Rio Grande do Sul possui 23 empreendimentos de energia eólica em construção.
O resultado do presente projeto deverá ser a produção de capital humano capacitado e bem informado sobre a revolução energética que esta ocorrendo na região. Com abordagem voltada exclusivamente para os circuitos elétricos que estruturam e integram os parques eólicos e também na tecnologia embarcada usada para a produção de energia elétrica a partir de células solares, este pode ser considerado um estudo de caso de aplicação prática e fins industriais. A partir do conhecimento adquirido nas mais diversas cadeiras do curso de Engenharia de Controle e Automação, mais especificamente na disciplina de “Tópicos Especiais em Automação e Controle: Conversão das Energias Solar e Eólica em Energia Elétrica” ofertada no décimo semestre do curso objetiva-se apresentar ao egresso mais uma importante e promissora área de trabalho.