Autores: Maiza Seabra Nogueira Lannes e Liane de Moura Fernandes Costa

1. Introdução

Os investimentos em energias com baixo impacto ambiental estão impulsionando as fontes renováveis e as alternativas sustentáveis. Dentre estas fontes, a energia solar fotovoltaica vem crescendo continuamente desde a década de 1970.

Chama-se energia solar fotovoltaica àquela obtida por meio da conversão da radiação solar. Para tanto, utilizam-se células solares, constituídas de elementos semicondutores (silício ou gálio, por exemplo). Seu princípio de funcionamento consiste no movimento dos elétrons do semicondutor provocado pela incidência da radiação solar sobre uma célula solar, gerando uma corrente elétrica que poderá ser aproveitada para o consumo, se o sistema estiver conectado a um aparelho consumidor de energia elétrica, ou para a oferta, se o sistema estiver conectado à rede elétrica (EBES, 2014).

A utilização da energia fotovoltaica tem crescido muito nos últimos 12 anos, mostrando potencial para tornar-se uma das fontes de eletricidade predominantes no mundo. Contribuem para esta tendência: a redução dos custos de produção dos equipamentos; a expansão do mercado de consumo, em decorrência de uma maior conscientização de suas vantagens; e a eficiência e confiabilidade desse sistema. Espera-se que esse crescimento continue nos anos seguintes (EPIA, 2012).

A eficiência do aproveitamento da energia fotovoltaica depende da intensidade da radiação solar local. Esta, por sua vez, é função da localização – latitude e longitude – e das condições climáticas e meteorológicas locais (REIS e SANTOS, 2014). Neste sentido, o Brasil apresenta condições favoráveis para a utilização da energia fotovoltaica, dado que, apesar das diferentes características climáticas, observam-se médias anuais de irradiação global diária relativamente elevada em todo o País sendo bem superiores às de países que contam com fortes incentivos governamentais para aproveitamento de recursos solares.

A utilização cada vez maior da energia fotovoltaica integra-se ao esforço mais geral de construção de uma matriz energética mais “limpa” no Brasil. O aumento do custo da energia elétrica, resultante de restrições de oferta, e o emprego crescente de geração termelétrica, implicando maiores emissões de gás de efeito estufa, tornam imperioso o uso mais racional de energia nas edificações. Este é um aspecto particularmente importante quando se considera que, atualmente, o setor de edificações, incluindo residências, edifícios comerciais e públicos, é responsável por 48% do consumo elétrico do País (CBCS, 2014).

Os sistemas elétricos fotovoltaicos oferecem vantagens. Primeiramente, a energia fotovoltaica não polui e não consome combustível. Além disso, reduzem os investimentos e as perdas por transmissão e distribuição de energia, pois a energia é consumida onde é produzida. São, em geral, confiáveis, com menor nível de falhas e panes operacionais. Outros fatores interessantes são a modularidade das placas fotovoltaicas, permitindo o aumento da potência instalada mediante a incorporação de módulos adicionais (FERREIRA JR. e DEMANBORO, 2009), e facilidades para o transporte (RUTHER, 2004). Os sistemas fotovoltaicos são silenciosos e têm uma vida útil superior a 20 anos. Podem ser utilizados em lugares remotos ou de difícil acesso (PEREIRA et al., 2006). São, ainda, resistentes a condições climáticas extremas. Não têm peças móveis e, portanto, exigem pouca manutenção, restrita à limpeza do painel (FERREIRA JR. e DEMANBORO, 2009).

Este artigo tem o objetivo de investigar a viabilidade de utilização de um sistema de geração de energia solar fotovoltaica aplicado a um estudo de caso, a Escola Classe da SQN 415, localizado no Plano Piloto de Brasília. A escolha de uma escola pública pode servir como interessante ponto de partida para um estudo mais amplo, dado que o Distrito Federal conta com 651 instituições educacionais, sendo 306 escolas classe, distribuídas por 14 Coordenações Regionais de Ensino (Secretaria de Educação, 2014).

Em todo o mundo, já se tem vários exemplos de utilização de energia fotovoltaica em escolas.

Na Holanda, a escola Basisschool de Wonderboom, localizada em Amersfoort Nieuwland, é representativa dessa tendência. É uma escola primária, construída em 1996, com 1.070 m² de área útil e que atende a 470 alunos, com uma ocupação de 1.400 horas por ano. Sobre os telhados da escola, voltados para o sul, foram instalados 196 painéis fotovoltaicos. A cada duas salas de aula, 24 painéis dispostos em 6 filas de 4 painéis cada, são ligados a dois quadros elétricos, um primário e o outro secundário. Um conversor permite que a energia fotovoltaica gerada seja injetada na rede de baixa tensão da concessionária local. Num painel instalado na escola é possível acompanhar as quantidades de energia consumidas e produzidas e compará-las com o valor fixado como objetivo, permitindo que se verifique o grau de eficiência atingido pela escola.

O Estado americano da Califórnia tem se destacado na adoção de tecnologias de energia limpa, em particular, na utilização de energia fotovoltaica, tendo, em 2013, uma capacidade instalada da ordem de 5,2 GW (ACORE, 2014). Neste contexto, o sistema educacional estadual público tem-se engajado ativamente na implantação de sistemas de energia fotovoltaica na rede de ensino fundamental, intermediário e médio. KINMAN (2012) desenvolve um estudo de caso compreendendo 18 distritos escolares no estado, abrangendo 193 escolas que instalaram sistemas fotovoltaicos, em telhados, coberturas de estacionamentos e espaços abertos, com capacidade média de 313 kW por escola. A geração de energia fotovoltaica nestes níveis permite uma economia de energia elétrica convencional entre US$ 40 mil e US$ 125 mil por ano, por escola.

LARANCI et al. (2009) discutem a aplicação de um software no projeto de um sistema de energia fotovoltaica em uma escola em Umbertide, Itália. A instalação existente compreende um total de 220 painéis de silício multicristalino, distribuídos em 10 filas de 22 unidades cada, cobrindo uma superfície de 169,4 m². A potência nominal do sistema é de 15,4 kWp, capaz de gerar 17.000 kWh ao longo de um ano, correspondendo a 38% da demanda total da escola.

No Brasil, QUEIROZ (2014) analisa a implantação de um sistema de energia fotovoltaica no Centro de Ensino Médio 417 (CEM 417), na Região Administrativa de Santa Maria, Distrito Federal. A escola possui 19 salas de aula, 2 salas de vídeo, 1 sala de informática, 1 biblioteca, 1 sala dos professores, 1 sala da direção, 1 secretaria, 1 sala do administrativo, 1 cozinha, 1 refeitório, 1 quadra de esportes e 9 banheiros. A escola funciona nos três turnos (matutino, vespertino e noturno), entre 07:00 horas e 23:00 horas. O CEM 417 possui 92 funcionários e apresenta um consumo médio mensal de energia da ordem de 8400 kWh. O dimensionamento especificado compreende 70 painéis fotovoltaicos de 260 W, dos quais 36 reservados para o sistema autônomo.

A Escola de Educação Básica Roberto Schütz, em Rancho Queimado, Estado de Santa Catarina, implantou um sistema fotovoltaico com 27 placas de captação da energia solar. Com este equipamento, montado em novembro de 2013, a instituição localizada no distrito de Taquaras consegue suprir a iluminação de 4 salas de aula e da biblioteca por conta própria.

No Estado de Alagoas, 336 escolas rurais das redes públicas estaduais e municipais, a maioria situada no semiárido, receberam sistemas de energia fotovoltaica, no âmbito do Programa de Desenvolvimento Energético de Estados e Municípios (PRODEEM), do Ministério de Minas e Energia.

Não obstante, permanecem pouco estudadas as particularidades da instalação de um sistema fotovoltaico em escolas. Esta é uma lacuna que deve ser preenchida, dadas a capilaridade das redes escolares e a padronização de boa parte das edificações escolares. Assim, uma experiência-piloto bem-sucedida pode abrir caminho para a adoção em larga escala de sistemas fotovoltaicos, tanto em escolas urbanas quanto rurais.

Para tanto, o presente trabalho foi dividido em seis seções. Seguindo-se a esta Introdução, a Seção 2 aborda o panorama da utilização da geração de energia solar fotovoltaica no mundo e no Brasil. A Seção 3 descreve os principais componentes de um sistema de energia solar fotovoltaica. Por sua vez, a Seção 4 apresenta a metodologia adotada no trabalho de especificação do sistema de energia fotovoltaica a ser aplicada na Escola Classe da SQN 415. Em seguida, a Seção 5 resume as conclusões. Por fim, a Seção 6 traz as referências bibliográficas.

2. Panorama da energia fotovoltaica no mundo e no Brasil

2.1. A energia fotovoltaica no mundo

O uso da energia fotovoltaica vem apresentando elevado crescimento no mundo. Segundo o Relatório Estado Global das Energias Renováveis 2014, produzido pela REN 21 (Renewable Energy Policy Network for the 21st Century), o mercado global de energia solar fotovoltaica assistiu em 2013 à instalação de mais capacidade do que qualquer outra tecnologia renovável, exceto talvez hidrelétrica. Mais de 39 GW foram adicionados, levando a capacidade total instalada para aproximadamente 139 GW. Nada menos de 5 países tinham mais de 10 GW de capacidade instalada de energia fotovoltaica e 17 países tinham mais de 1 GW. Quase metade de toda a capacidade de energia fotovoltaica em operação foi adicionada a partir desse período até 2014, tendo 98% do total sido instalados depois de 2003. Entre 2009 e 2013, o crescimento na capacidade instalada de energia fotovoltaica cresceu à impressionante taxa anual média de 57%.

Em 2013, de acordo com REN21 (2014), a China foi o líder na adição de capacidade instalada de geração de energia fotovoltaica, com 12,9 GW, seguida pelo Japão (6,9 GW), pelos Estados Unidos (4,8 GW), pela Alemanha (3,3 GW), e pelo Reino Unido (1,5 GW). Em termos de capacidade instalada ao final de 2013, a Alemanha era a primeira colocada, com 36 GW, seguida pela China (19 GW), pela Itália (18 GW), pelo Japão (13,6 GW) e pelos Estados Unidos (12,1 GW). A Ásia já havia superado a União Europeia como o maior mercado para a energia fotovoltaica. Os líderes de energia solar fotovoltaica por habitante foram a Alemanha, a Itália, a Bélgica, a Grécia, a República Tcheca e a Áustria.

A utilização de energia fotovoltaica está se expandindo também para outros países. Na Austrália, por exemplo, 14% das residências já contavam, ao final de 2013, com painéis solares instalados em telhados, com mais de um milhão de sistemas em operação. Por sua vez, diversos países do Oriente Médio incluíram a energia fotovoltaica em seu planejamento energético. Em 2014, usinas fotovoltaicas tiveram sua construção autorizada na Jordânia, no Kuwait, na Arábia Saudita e nos Emirados Árabes Unidos. Na África do Sul, o governo licitou a construção de usinas e já teve a primeira planta fotovoltaica, com capacidade de 75 MW, conectada à rede elétrica. (REN 21, 2014).

Das 50 maiores plantas fotovoltaicas em operação no mundo, 14 entraram em funcionamento em 2013, incluindo usinas no Japão e na África do Sul. Os Estados Unidos eram, ao final de 2013, o país com a maior capacidade instalada proveniente de usinas com potência superior a 50 MW, seguido por Alemanha, China, Índia e Ucrânia (REN 21, 2014).

A geração de energia fotovoltaica responde por parcela cada vez maior do consumo de eletricidade em alguns países, como na Itália (7,8%), na Grécia (6,0%) e na Alemanha (5,0%), conforme pode ser observado com REN 21 (2014). Ao final de 2013, a capacidade instalada de energia fotovoltaica na União Europeia era suficiente para atender a 3% do consumo total de eletricidade e a 6% da demanda de pico. Em todo o mundo, os equipamentos em operação permitiram a geração de 160 TWh anuais.

Nos últimos anos, diminuiu o custo de produção dos módulos de silício cristalino, em resposta à queda nos custos da matéria-prima, a avanços nos processos de fabricação e a economias de escala. A diminuição dos custos dos sistemas fotovoltaicos fez com que o valor dos investimentos em energia fotovoltaica caísse em 2013, apesar do forte aumento da capacidade instalada observada no ano.

2.2. A energia fotovoltaica no Brasil

A utilização da energia solar fotovoltaica ainda é incipiente no Brasil, não sendo sequer considerada no Plano Nacional de Energia 2030. De maneira correspondente, os dados relativos ao seu emprego são esparsos e pouco confiáveis. As informações disponíveis relativas à capacidade instalada de geração fotovoltaica são contraditórias. O Balanço Energético Nacional 2014, de responsabilidade da Empresa de Pesquisa Energética, contabiliza 5 MW de capacidade instalada em 2013, sendo 2 MW de provimento público e 3 MW gerados por autoprodutores (BRASIL, 2014). Por seu turno, a Associação Brasileira da Indústria Elétrica e Eletrônica (ABINEE), identificava uma capacidade instalada de geração fotovoltaica de 7 MW em 2011 (ABINEE, 2012). Outros analistas, porém, apresentam um quadro mais otimista. Uma das estimativas dá conta de que existam em operação entre 20 MWp[1] e 30 MWp de sistemas fotovoltaicos autônomos (em locais sem acesso à rede elétrica) e pouco mais de 3 MWp em sistemas conectados à rede. (SOLSTÍCIO, 2014). Por sua vez, Zomer (2014) aponta a existência de uma capacidade instalada conectada à rede de 20,6 MWp no País.

De todo modo, não há dúvidas de que a realidade atual do País está bem distante de seu potencial de aproveitamento da energia fotovoltaica. Com efeito, vários fatores concorrem para impulsionar o desenvolvimento do sistema fotovoltaico no Brasil.

Em primeiro lugar, observam-se médias anuais de irradiação global diária relativamente elevada em todo o País, variando entre 4,2 kWh/m² e 6,7 kWh/m². Como comparação, na Alemanha a média anual de irradiação global diária varia entre 0,9 kWh/m² e 1,25 kWh/m², na França, entre 0,9 kWh/m² e 1,65 kWh/m² e na Espanha, entre 1,2 kWh/m² e 1,85 kWh/m² (PEREIRA et al., 2006).

Além disso, o Brasil possui uma das maiores reservas mundiais de quartzo, a matéria-prima bruta para a produção do silício purificado até o chamado “grau solar” utilizado nas lâminas dos painéis fotovoltaicos (Cortês, 2011). Dado que o País não domina a tecnologia de purificação do silício, no entanto, não se tem uma indústria local e o Brasil se vê obrigado a importar os equipamentos responsáveis pela captação e transformação da energia solar em elétrica, deixando de gerar emprego e renda.

Adicionalmente, o governo federal começa a conferir incentivos para a gradual introdução da energia fotovoltaica em nossa matriz energética. Em 2011, a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) tornou pública a Chamada no 013/2011, intitulada “Arranjos técnicos e comerciais para inserção da geração solar fotovoltaica na matriz energética brasileira”, cujo objetivo visa à instalação de usinas fotovoltaicas com capacidade instalada de 0,5 MWp a 0,3 MWp. Por meio desta iniciativa, foram contratados pela ANEEL 24,4 MWp de usinas fotovoltaicas a serem instaladas no decorrer dos próximos anos. (SOLSTÍCIO, 2014).

A Resolução Normativa nº 482 da ANEEL, de 17 de abril de 2012, que estabelece as condições gerais para o acesso de micro geração e mini geração distribuída aos sistemas de distribuição de energia elétrica e o sistema de compensação de energia elétrica, foi outro fator determinante para o desenvolvimento do mercado fotovoltaico no Brasil. Esta Resolução visa a facilitar a conexão à rede de mini e microgeradores – aqueles com potência inferior a 1 MWp – propondo a criação de um sistema de compensação de energia, conhecido internacionalmente como net metering. Com ele, o proprietário de uma pequena usina pode consumir sua energia gerada em outra instalação ou em outra ocasião, pois a energia gerada e não consumida poderá ser injetada na rede de energia e receberá créditos em kWh na conta de luz referentes a esta energia gerada e não consumida. Deste modo, os proprietários de sistemas fotovoltaicos instalados em edificações no Brasil terão um balanço mensal entre seu consumo e sua geração energética. No caso de haver maior geração que consumo, o proprietário pode utilizar esta geração excedente dentro de até 36 meses. A regulamentação prevê ainda uma tarifação pelo uso do sistema elétrico que recebe a energia gerada (SANTOS, 2013).

Outro fator importante para estimular a geração de energia é representado pelos leilões de energia solar no Brasil (SOLSTÍCIO, 2014), atraindo 10,79 GW de capacidade por meio de 400 projetos cadastrados. Em 31 de outubro de 2014, foi realizado o primeiro leilão público nacional de energia solar e o resultado alcançado surpreendeu o mercado, conforme mostrado na Folha de São Paulo (2014). Foi vendida energia de 1.048 MW de capacidade instalada de 31 novos projetos, que deverão injetar cerca de 889,7 MW na rede elétrica brasileira a partir de 2017.

A par dessas medidas estruturantes do mercado de energia fotovoltaica, diversos programas buscam a utilização dessa tecnologia em unidades isoladas. A Eletrobras, por exemplo, possui uma iniciativa piloto no âmbito do projeto Luz para Todos, com o apoio da Agência de Cooperação Alemã GTZ, no Norte do país. O objetivo é fornecer energia elétrica com sistemas fotovoltaicos a mais de 10.000 famílias nas regiões isoladas do Amazonas. O Ministério de Minas e Energia estima que somente na Amazônia serão necessários cerca de 120.000 sistemas fotovoltaicos domiciliares e em torno de 3.000 mini redes com geração de energia por meio de fontes renováveis, para atender um total de 330.000 residências. (SALOMANI, 2012).

No Rio Grande do Sul, o Instituto de Energia Alternativa e da Auto Sustentabilidade (SALOMANI, 2012) desenvolve o projeto Luz Agora, que colocou em funcionamento 40 sistemas solares fotovoltaicos isolados no município de Encruzilhada do Sul, 20 sistemas em São José do Norte e um modelo experimental em Osório. Além da instalação, o Instituto faz um acompanhamento permanente das famílias, que pagam pelo serviço. O mesmo projeto é também desenvolvido no Pará (SALOMANI, 2012).

[1]Wp (Watt-pico) é a unidade de medida utilizada para painéis fotovoltaicos e expressa a potência em W fornecida por um painel em condições especificas e reproduzidas em laboratório. É a potência máxima que um painel pode fornecer em condições ideais.

3. Componentes de um sistema fotovoltaico

3.1. Célula, módulo e painel solar

A célula fotovoltaica é o equipamento que realiza a conversão direta de energia solar em energia elétrica. Cada célula solar compõe-se de duas camadas de material semicondutor dopadas de forma diferente, conhecidas como “tipo N”, com um excesso de elétrons periféricos, e “tipo P”, com déficit de elétrons. Separadamente, ambas as camadas são eletricamente neutras. Mas, ao serem unidas, exatamente na união P-N, gera-se uma diferença de potencial. Quando excitados pelos fótons da energia solar, os elétrons excedentes vencem essa diferença de potencial, dando origem a uma corrente contínua (SOLARTERRA, 2014).

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. Ao unirem-se a camada negativa de uma célula com a positiva da seguinte, os elétrons fluem através dos condutores de uma célula para a outra (SOLARTERRA, 2014).

O painel fotovoltaico é composto por um ou mais módulos fotovoltaicos interligados eletricamente, montados de modo a formar uma única estrutura, os quais, sob a incidência de raios solares, desenvolvem entre seus terminais uma diferença de potencial (tensão) que, aplicada a uma carga qualquer, resultará em circulação de corrente contínua.

Segundo Reis e Santos (2014), além do conjunto de módulos fotovoltaicos que formam o painel solar, fazem parte também do sistema fotovoltaico: o regulador de tensão, o sistema para armazenamento de energia (baterias que serão carregadas quando a energia produzida for maior que a necessidade de carga e que alimentarão a mesma carga quando não houver produção de energia suficiente pelo painel, como à noite, por exemplo) e o inversor de corrente contínua (CC) para corrente alternada (CA)[2], necessário quando o sistema for usado para alimentar cargas em CA ou conectado à rede.

[2] Uma corrente elétrica nada mais é que um fluxo de elétrons (partículas que carregam energia) passando por um fio. Se os elétrons se movimentam num único sentido, essa corrente é chamada de contínua -CC. Se eles mudam de direção constantemente, estamos falando de uma corrente alternada – CA.

3.2. Regulador de Tensão

Conforme apresentado por Carneiro (2009), os reguladores de tensão conseguem efetuar o controle do estado de carga através da análise de tensão de uma bateria. Ele também interrompe o fornecimento de energia às cargas externas sempre que a bateria atinge sua carga máxima. Caso baixe a tensão do gerador fotovoltaico, os reguladores poderão não conseguir efetuar de forma adequada o aproveitamento da energia produzida pelo gerador fotovoltaico. Neste caso, o sistema irá utilizar a carga disponível na bateria.

3.3. Bateria

Devido às características das variações das radiações solares, a energia produzida pelos painéis fotovoltaicos apresenta níveis variáveis, dependendo das condições de insolação.

Nos sistemas fotovoltaicos isolados são utilizadas baterias que armazenam energia elétrica para que o sistema possa ser utilizado mesmo sem a presença do sol. A energia é armazenada sob a forma de energia química e quando se necessita dessa energia armazenada, esta é novamente convertida em energia elétrica contínua. Cada bateria é composta por um conjunto de células eletroquímicas. A tensão elétrica da bateria é função do número de células ligadas em série (SOLENERG, 2014).

Existem diversos tipos de baterias. As baterias especificamente projetadas para os sistemas fotovoltaicos utilizados no Brasil são as de chumbo-ácido do tipo automotivo, mas modificadas para trabalhar em regime estacionário com descargas profundas eventuais. Deve ser evitado o uso das baterias automotivas comuns, utilizadas em veículos, por terem uma vida útil menor quando instaladas em sistemas fotovoltaicos. Podem também ser usadas baterias do tipo OPzS ou OPzV e outras baterias mais caras de acordo com as características da aplicação (SOLENERG, 2014).

As baterias mais utilizadas em sistemas fotovoltaicos são de 12 V de tensão nominal.

3.4. Inversor

Os inversores de corrente, também chamados conversores ou onduladores, são o equipamento eletrônico que transformam os 12 V de corrente contínua (CC) gerados pelos painéis em 110 V ou 220 V de corrente alternada (CA).

4. Metodologia de Especificação de Sistema de Energia Fotovoltaica

Procede-se, em seguida, à especificação de um sistema fotovoltaico para uma escola da rede pública do Distrito Federal. Selecionou-se para estudo de caso a Escola Classe da SQN 415, localizada na Asa Norte do Plano Piloto de Brasília conforme pode ser visualizado na Figura 1. A seguir, apresentam-se as características da escola, as etapas a serem cumpridas na obtenção dos dados necessários e a especificação, propriamente dita, para este estudo de caso, por meio de um simulador solar.

Figura 1: Situação e Localização da Escola Classe SQN 415

4.1. Características do Local Estudado

A Escola Classe da SQN 415, localizada na Asa Norte do Plano Piloto de Brasília, possui sete salas de aula, uma biblioteca, uma secretaria com dois banheiros, sala da direção, um consultório médico, uma sala de orientação, uma sala para professores com dois banheiros (masculino e feminino), sala para o servidor, depósito, depósito de gêneros, uma cozinha, um refeitório, quadra de esportes, um banheiro masculino para os alunos e um banheiro feminino para as alunas. A escola funciona em dois turnos (matutino e vespertino) com horário de funcionamento das 8 horas às 18 horas.

4.2. Levantamento de Carga da Escola

Um dado fundamental para o dimensionamento de um sistema fotovoltaico é o levantamento da carga a ser atendida. Para tanto, dispõe-se de três alternativas: (i) usar as informações disponíveis nas contas de energia fornecida pela concessionária; (ii) utilizar equipamento de medição de consumo diário conectado diretamente no quadro de luz; e (iii) levantar a quantidade, a potência e o número de horas diárias da utilização dos equipamentos elétricos presentes no local.

A Secretaria de Educação do Distrito Federal detém as contas de energia de cada estabelecimento de ensino sob sua jurisdição. Assim, pôde-se obter diretamente a carga a ser atendida, mediante consulta à conta da Escola Classe SQN 415, ou seja, adotou-se a alternativa (i).

Não obstante, apresenta-se, a seguir, a sequência de procedimentos a ser obedecida na hipótese de se ter de recorrer à alternativa (iii).

1º passo: relacionar os equipamentos utilizados, com as respectivas quantidades e a potência.

2º passo: calcular o consumo diário de cada equipamento (Wh/dia), multiplicando a quantidade pela potência (W) pelo número de horas de funcionamento diário (h).

3º passo: obter o consumo diário total máximo da escola (Wh/dia), somando os consumos diários de todos os equipamentos.

4º passo: obter o consumo diário ajustado da escola (Wh/dia), multiplicando o consumo diário total máximo pelo fator de demanda, fornecido pela concessionária.

Em Brasília, adota-se o fator de demanda de 1,0 para os primeiros 12 kW e de 0,5 para a potência que exceder 12 kW, de acordo com a Norma Técnica de Distribuição NTD – 6.05, da Companhia Energética de Brasília (CEB).

4.3. Especificação dos Painéis

Na especificação dos painéis do sistema fotovoltaico a ser instalado na Escola Classe da SQN 415, utiliza-se o Simulador Solar desenvolvido em uma parceria entre o Instituto Ideal e a Cooperação Alemã para o Desenvolvimento, por meio da Deutsche Gesellschaft für Internationale Zusammenarbeit (GIZ) GmbH e Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW). O simulador pode ser obtido no sítio www.americadosol.org/simulador/. Observe-se que ele só se aplica a sistemas fotovoltaicos conectados à rede de uma concessionária.

Para realizar a simulação, seguiram-se as etapas a seguir descritas:

1º passo: informar o endereço completo do local onde será instalado o sistema fotovoltaico. SQN 415 CEP 70878-000 Brasília/DF.

2º passo: informar os dados obtidos na conta da concessionária, incluindo o nome da distribuidora CEB – Dist, o tipo de conexão – Trifásico, o consumo médio mensal e o valor da conta.

O consumo médio mensal de 2.575 kWh ao longo de 12 meses foi obtido na conta de novembro de 2014. Na mesma conta, obteve-se a tarifa de R$ 0,42153/kWh.

3º passo: caso se disponha dos dados de consumo mensal, informar o histórico de consumo mês a mês.

Será apresentado pelo programa o resumo da simulação, sendo fornecidos os seguintes resultados:

Sistema Fotovoltaico

  1. Capacidade do seu sistema (kWp).
  2. Área ocupada pelo sistema (m²).
  3. Inclinação aproximada dos módulos (0).
  4. Radiação sobre os módulos.
  5. Rendimento anual.
  6. Emissões de CO2 evitadas.

Neste caso, considera-se a área ocupada pelo sistema utilizando módulos de silício poli cristalino.

Como será o consumo elétrico anual

  1. Consumo total (MWh).
  2. Consumo da rede elétrica (MWh).
  3. Geração fotovoltaica (MWh).

Após a apresentação destes dados, o simulador apresenta outras informações, como:

Consumo elétrico detalhado

  1. Apresenta um gráfico que simula o consumo elétrico com um sistema fotovoltaico conectado à rede.
  2. Apresenta uma tabela que mostra o consumo elétrico por mês; a eletricidade total consumida; a eletricidade gerada pelo sistema fotovoltaico; e a eletricidade fornecida pela rede.

Fatura de energia

  1. Gráfico e tabela mostrando a redução que se teria na conta de luz com a instalação de um sistema fotovoltaico.
  2. Dados de irradiação.
  3. Relação de empresas do Setor Solar Fotovoltaico.

Como pode ser observado, alguns dados são fundamentais para a realização desta simulação. O endereço do local, para saber a latitude e longitude, consequentemente, a radiação da área em estudo. Em seguida, os dados do empreendimento. Neste caso,no lugar de se calcular o consumo energético diário, optou-se por utilizar o consumo mensal de energia, que é dado em kWh/mês. Foi informado também o tipo de conexão. Estes dados podem ser obtidos por meio da conta de energia.

O programa utilizado apresentou um quadro resumo com as informações calculadas, sugestões de ações a serem implementadas e informou como seria o consumo deste empreendimento caso se utilizem painéis de energia fotovoltaica.

4.4. Especificação do Sistema Fotovoltaico para a Escola Classe da SQN 415

Seguindo-se os procedimentos descritos acima, de posse das informações da conta de energia da Escola Classe da SQN 415, utilizou-se o simulador para especificar o sistema fotovoltaico a ser instalado. Com base nos dados de consumo elétrico informado e na radiação solar do local, um sistema fotovoltaico de cerca de 18,8 kWp de potência instalada atenderia às necessidades energéticas da escola. O sistema proposto geraria, em média, 26,28 MWh por ano, quantidade essa de energia que não mais teria de ser pago à distribuidora. Deste modo, também se evitaria a emissão de 7.686 quilogramas de dióxido de carbono (CO2) por ano. A simulação considera que os módulos fotovoltaicos estariam instalados voltados para o Norte, com uma inclinação aproximada de 16º.

As principais características do sistema fotovoltaico especificado seriam:

  1. Capacidade do sistema: 18.8 kWp.
  2. Área ocupada pelo sistema (módulos de silício poli cristalino): 126 m² a 155 m².
  3. Inclinação aproximada dos módulos: 16º.
  4. Radiação sobre os módulos: 272.101 kWh.
  5. Rendimento anual: 1.398 kWh/kWp.
  6. Emissões de CO2 evitadas: 7.686 kg/ano.

Na Figura 2 pode ser observado a colocação das placas no telhado conforme o ângulo indicado (16º) e a área ocupada pelas placas (1.14 m por 0.85 m por 160 placas) foi de 155 m². Devido às condições do telhado, pode-se observar que está livre de sombreamento.

Tem-se, ainda, que o consumo anual total seria de 31,97 MWh, dos quais 6,00 MWh seriam fornecidos pela rede da CEB e o restante, pela geração fotovoltaica de 27,26 MWh.

Figura 2: Desenho das placas fotovoltaicas aplicadas no telhado do prédio e vista superior da escola. Desenho: Calixto

A Figura 3 apresenta um corte esquemático com a disposição das placas apoiadas num suporte.

Figura 3: Corte longitudinal

5. Conclusões

Buscou-se identificar a utilização do sistema fotovoltaico em escolas públicas localizadas em outros países e no Brasil. Constatou-se que este sistema vem sendo empregado recentemente neste tipo de edificação e tem apresentado uma aceitação crescente, pois sua utilização vem sendo ampliada para outras escolas tanto no Brasil como no exterior. Contudo, nos outros países estes experimentos encontram-se mais avançados.

A principal constatação decorrente deste estudo é o fato de que a instalação em escolas de sistemas fotovoltaicos pode ser objeto de uma iniciativa de utilização em larga escala. Não é possível, entretanto, extrair comparações de custos e rendimentos, já que estes dependem das condições locais, clima e radiação solar, das instalações de cada escola, das atividades realizadas em cada escola, do custo dos equipamentos em cada país, da existência de subsídios governamentais para o emprego da energia fotovoltaica e da estrutura tarifária dos serviços de fornecimento de energia elétrica na região ou no país. Resultados decorrentes de situações e realidades distintas são incomparáveis. Mais relevante é o fato de que a energia fotovoltaica é utilizada em uma gama imensa de situações e realidades.

Por ser um sistema ainda incipiente, os resultados apresentam dados variados, mas pode-se obter uma uniformidade em alguns aspectos: geralmente indicam quantas placas serão utilizadas ou qual a área necessária de placas a serem utilizadas para atender a demanda necessária; as placas devem ser direcionadas para a direção de maior radiação do local, neste caso citou-se exemplo de localizações ao Norte, Sul e Sudeste; o material utilizado na fabricação dos painéis – de modo geral é utilizado silício; consumo médio mensal do sistema e o cálculo de economia com a utilização deste sistema.

No caso da Escola Classe estudada, as placas seriam instaladas na direção Norte, totalizando 155 m² de área ocupada, com uma inclinação de 16º. De acordo com a simulação, a eletricidade total consumida ao longo do ano, será de 30.900,00 kWh, tendo 26.284,31 kWh gerada pelo sistema fotovoltaico, e 4.615,69 kWh de energia fornecida pela rede.

A especificação, por meio da metodologia descrita neste artigo, de um sistema de energia fotovoltaica a ser instalada na Escola Classe da SQN 415 permite constatar a viabilidade de utilização desse sistema. Ressalta-se que os dados utilizados foram retirados da conta de energia (nov/2014). Há condições físicas para a instalação de um sistema fotovoltaico capaz de atender à carga desta escola. Outro fator positivo encontrado refere-se à viabilidade de instalação dos equipamentos na cobertura da escola. Neste caso estudado, o telhado não dispõe de nenhum elemento que possa provocar sombreamento sobre as placas e os painéis poderiam ser aplicados com inclinação igual à latitude local e direcionados para a orientação norte (considerada para este local como uma alternativa “ótima” de geração).

Pode-se, assim, considerar a hipótese de empreender um programa-piloto de instalação de sistemas fotovoltaicos em escolas da rede pública do Distrito Federal.

Deve-se registrar, porém, que este artigo não efetuou a análise econômico-financeira da implantação desse sistema. Não se levantaram os custos de aquisição dos equipamentos, de sua instalação e de sua manutenção ao longo de sua vida útil, estimada em 20 anos. Não se calcularam os custos de adaptação da estrutura da escola para receber os equipamentos. Também não se estimou a economia no custo da energia a cargo da escola resultante da considerável diminuição do consumo da eletricidade fornecida pela concessionária. A par dos cálculos financeiros, devem-se considerar ganhos sociais não quantificáveis decorrentes da adoção de um sistema fotovoltaico em uma escola, como a redução da emissão de CO2, os aspectos educacionais sobre alunos e professores associados à utilização de uma energia limpa. Sugere-se a abordagem desses aspectos em trabalhos futuros sobre o tema.

Este estudo identificou a existência em outros países de programas de implantação em larga escala de sistemas fotovoltaicos em escolas. É o caso, por exemplo, do Estado americano da Califórnia, cuja rede pública de ensino já conta com expressiva utilização dessa forma de geração de energia. Sugere-se, portanto, o estabelecimento de contato entre a Secretaria de Educação do Distrito Federal e o Departamento de Educação da Califórnia com vistas à obtenção de informações e ao compartilhamento de informações úteis para a condução de um programa piloto no DF.

Constatou-se a incipiência no Brasil do conhecimento e da utilização de sistemas solares fotovoltaicos. Em particular, tem-se uma literatura sobre o tema ainda muito restrita no País principalmente na área urbana onde se pode empreender um sistema interligado a rede. Assim, este estudo deve ser visto como um passo inicial rumo à maior disseminação de informações sobre tais sistemas.

6. Referências

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DA INDÚSTRIA ELÉTRICA E ELETRÔNICA – ABINEE. Propostas para Inserção da Energia Solar Fotovoltaica na Matriz Elétrica Brasileira. Junho de 2012. Disponível em: <http://abinee. org.br>. Acesso em: 01 out. 2014.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6023: informação e documentação: Referências – Elaboração. Rio de Janeiro, 2002.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 10520: informação e documentação: citações em documentos: apresentação.Rio de Janeiro, 2002.

AMERICAN COUNCIL ON RENEWABLE ENERGY – ACORE. Renewable Energy in the 50 States: Western Region – 2014 Edition. Washington, DC: 2014.

Atlas brasileiro de energia solar. Enio Bueno Pereira; Fernando Ramos Martins; Samuel Luna de Abreu e Ricardo Rüther. – São José dos Campos: INPE, 2006.

Atlas Solarimétrico do Brasil: banco de dados solarimétricos. Coordenador Chigueru Tiba et.al. Ed Universitária da UFPE, Recife. 2000.

BRASIL. Agência Nacional de Energia Elétrica – ANEEL. Resolução Normativa nº 482, de abril de 2012. Disponível em: <http://www.aneel. gov.br/>. Acesso em: 05 out. 2014.

BRASIL. Agência Nacional de Energia Elétrica. Chamada no 013/2011. Arranjos técnicos e comerciais para inserção da geração solar fotovoltaica na matriz energética brasileira. Brasília, 2011.

BRASIL. Ministério de Minas e Energia. Balanço Energético Nacional 2014: Relatório Síntese – ano base 2013. Empresa de Pesquisa Energética – EPE. Rio de Janeiro, RJ. Maio 2014.

CARNEIRO, Joaquim. Dimensionamento de Sistemas Fotovoltaicos. Escola de Ciências. Departamento de Física. Universidade do Minho – Portugal. 2009.

CONSELHO BRASILEIRO DE CONSTRUÇÃO SUSTENTÁVEL – CBCS. Aspectos da Construção Sustentável no Brasil e Promoção de Políticas Públicas: Subsídios para a Promoção da Construção Civil Sustentável. Novembro, 2014.

COMISSÃO EUROPEIA. Um guia para as tecnologias energéticas sustentáveis nas escolas: Novas soluções para a utilização da energia. Direcção-Geral de Energia e Transporte. Bruxelas, 2000.

CÔRTES, Andresa Deodídia Soares. Desenvolvimento de células fotovoltaica.  Tese de Doutorado. Faculdade de Engenharia Mecânica e Instituto de Física “Gleb Wataghin”  – UNICAMP – 2011.

DA REUTERS. Energia solar vai a leilão dentro da faixa de preço pedida por investidores.Folha de São Paulo. São Paulo, 30 set. 2014. Disponível em: <http://www1.folha.uol.com.br/ me…o-pedida-por-investidores.shtml >. Acesso em: 01 out. 2014.

DIÁRIO CATARINENSE. Escola básica de Rancho Queimado pioneira na utilização da energia solar traça objetivos para o ano letivo. Disponível em:<http://diariocatarinense. clicrbs.com.br/>. Acesso em: 10 out. 2014.

DISTRITO FEDERAL. Secretaria de Educação. Instituições Educacionais, por tipologias, segundo Coordenação Regional de Ensino – Censo Escolar 2013. Brasília. 2014. Disponível em: <http://www.se.df.gov.br/educacao-df/rede-publica/numeros-da-educacao/270-total-de-escolas-publicas.html>. Acesso em: 05 nov. 2014.

EMPRESA BRASILEIRA DE ENERGIA SOLAR – EBES. Energia Fotovoltaica. Disponível em: <http://www.ebes.com.br/Energia-Fotovoltaica/ Default.aspx>. Acesso em: 05 out. 2014.

ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA – GUIA PRÁTICO. Disponível em: <http://permacoletivo. files.wordpress.com/2008/05/curso-energia-solar-fotovoltaica.pdf>. Acesso em: 05 out. 2014.

EUROPEAN PHOTOVOLTAIC INDUSTRY ASSOCIATION – EPIA. Global Market Outlook for Photovoltaics until 2016. May, 2012. Disponível em: <http:// www.epia.org/fileadmin/ user_upload/Publications/Global-Market-Outlook-2016.pdf>.  Acesso em: 06 out. 2014.

FERREIRA JÚNIOR, José C.; DEMANBORO, Antônio Carlos. Energia Fotovoltaica como Fonte de Sustentabilidade. V Encontro Nacional e III Encontro Latino Americano sobre Edificações e Comunidades Sustentáveis – ELECS. Recife – outubro de 2009. Disponível em: <http://www.elecs2013.ufpr.br/wp-content/ uploads/anais/2009/2009_artigo_090.PDF>. Acesso em: 05 out. 2014.

INSTITUTO ECOENGENHO. Apoio à eletrificação de escolas rurais com energia. Disponível em: <http://www.ecoengenho.org.br/ apoio-a-eletrificacao-de-escolas-rurais-com-energia-fotovoltaica/>. Acesso em: 10 out. 2014.

KINMAN, Michelle. Making the Grade with Clean Energy: Case Studies of California Solar Schools. Environment California Research & Policy Center. Sacramento: 2012.

LARANCI, P.; SILVEIRA, J.L.; LAMAS, W.Q. Solar software applied to design a photovoltaic system to supply the energy demand of an Italian school. Engenharia Térmica, vol. 8, nº 02. Dezembro 2009.

PEREIRA, Enio Bueno; MARTINS, Fernando Ramos; ABREU, Samuel Luna e RUTHER, Ricardo. Atlas brasileiro de energia solar. São José dos Campos: INPE, 2006. Disponível em: <http://www.ccst.inpe.br/wp-content/themes/ ccst-2.0/pdf/atlas_solar-reduced.pdf>. Acessado em: 08 out. 2014.

QUEIROZ, Leonardo L. G. Sistema fotovoltaico aplicado ao Centro de Ensino Médio 417 do DF – um estudo de caso. Trabalho de Conclusão do Curso de Engenharia de Energia da Universidade de Brasília. Brasília, DF, 2014.

REIS, Lineu Bélico dos; SANTOS, Eldis Camargo. Energia elétrica e sustentabilidade: aspectos tecnológicos, socioambientais e legais – 2ª ed. Barueri, SP: Manole, 2014. (Coleção Ambiental).

RELATÓRIOESTADO GLOBAL DAS ENERGIAS RENOVÁVEIS 2014 – REN 21. Renewable Energy Policy Network for the 21st. Century. Paris: REN 21 Secretaria. Disponível em: <http://www.run21.net/ globalstatusreport/REN21_GSR_2010_full.pdf >. Acesso em: 10 out. 2014.

RÜTHER, Ricardo. Propostas para inserção da energia solar fotovoltaica na matriz elétrica brasileira. Associação Brasileira da Indústria Elétrica e Eletrônica – ABINEE. Junho de 2012. Disponível em: <http://www.abinee. org.br/informac/arquivos/profotov.pdf>. Acesso em: 08 out. 2014.

SALAMONI, Isabel. Energia Solar nas cidades. Instituto Ideal. Disponível em: <http://www.americadosol.org/wp-content/ uploads/2011/12/Energia-solar-nas-cidades-Isabel-Salamoni.pdf>. Acesso em: 11 out. 2014.

SANTOS, Ísis P. Desenvolvimento de ferramenta de apoio à decisão em projetos de integração solar fotovoltaica à arquitetura. Tese de Doutorado. UFSC, 2013.

Simulador solar fotovoltaico. Disponível em: <http://www.americadosol.org/simulador-solar>. Acesso em: 30 set. 2014.

SOLARTERRA ENERGIA ALTERNATIVA – Energia Solar Fotovoltaica – Guia Prático. Disponível em: <http://permacoletivo.files. wordpress.com/>. Acesso em: 03 out. 2014.

SOLENERG ENGENHARIA E COMÉRCIO LTDA. A bateria estacionária para geradores fotovoltaicos autônomos. Disponível em: <http://www.solenerg.com.br/>. Acesso em: 04 out. 2014.

SOLSTÍCIO ENERGIA. Energia Solar. Disponível em: <http://www.solsticioenergia. com.br/>. Acesso em: 05 nov. 2014.

ZOMER, Clarissa D., Integração da energia solar fotovoltaica em edificações. Seminário de Construções Sustentáveis. Instituto Chico Mendes de Conservação da Biodiversidade – ICMBio. Outubro, 2014 – Brasília.