COLÉGIO ESTADUAL POLIVALENTE -
Ensino Fundamental, Médio e Profissional.
CURSO TÉCNICO EM EDIFICAÇÕES
Lucas Lima
Sustentabilidade Energética na Construção Civil
Trabalho de Conclusão de Curso
PONTA GROSSA
2013
Lucas Lima
Sustentabilidade Energética na Construção Civil
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado
como requisito parcial à obtenção do título do
Colégio Estadual Polivalente.
Orientador: Prof. Spencer Toniolo
PONTA GROSSA
2013
Dedico esse trabalho a Deus e a minha família.
Agradecimentos
Agradeço a DEUS acima de tudo, por ter me dado à capacidade de aprender e evoluir como ser humano, para contribuir de alguma forma para com meus semelhantes. Agradeço a minha família, que me serviu de incentivo à nunca desistir dos meus objetivos, a meus colegas de classe que sempre tornaram essa caminhada mais feliz e agradável e pelas suas principais qualidades me ensinaram a ser um ser humano melhor, meus amigos: Ronaldo que com sua simplicidade e sinceridade nos mostrou muita superação, Agnaldo sempre dedicado em tudo o que se propunha a fazer, Geraldo Dubiel uma das pessoas mais honestas que já conheci, Wilton sempre com um sorriso no rosto durante dois anos nunca o vi triste, Cristiano um jovem cheio de sonhos e projetos, Ivo um amigo para todo momento sempre disposto a ajudar, Geraldo de Paula sempre participativo nas aulas, Paulo uma figura da sala sempre com uma história para contar, Pedro uma pessoa que faz amizades facilmente por sua simpatia, Jorge meu grande amigo com cara de mau, mas com coração sereno, Luiz Fernando um amigo muito inteligente mas acima de tudo o mais guerreiro entre nós, Marcelo sempre disposto a aprender, Thais nossa única amiga da sala sempre defendendo a turma e por fim meu amigo Luciano sempre companheiro. Agradeço aos professores que tornaram esse sonho possível, são eles: Professor Spencer que sempre acreditou em meu potencial e me incentivou a vencer os desafios da vida, professor Luis que além de meu professor se tornou um grande amigo, professor e coordenador Israel agradeço por toda dedicação que tem para com o curso, dispondo de seu tempo, mesmo fora de seu horário de trabalho, para ajudar aos alunos, professora Luciana que com suas aulas inspirou o título desse trabalho, Professor César meu grande amigo, professor José Elias, enfim, a todos os professores que dedicaram seu tempo e conhecimento para nosso crescimento vão meus sinceros agradecimentos.
"Na natureza nada se cria, nada se perde, tudo se transforma"
Antoine Lavoisier (1743-1794)
LIMA, Lucas. Sustentabilidade energética na construção civil. 2013. 30 folhas. Trabalho de Conclusão de Curso Técnico em edificações. Colégio Estadual Polivalente - Ponta Grossa, 2013.
Já é comum as pessoas buscarem profissionais que possam apresentar um projeto para sua edificação, que traga inovações no quesito de economia energética, tais como: reaproveitamento de materiais recicláveis gerados pela própria execução da edificação, ambientes mais iluminados e ventilados naturalmente, placas solares de aquecimento, células fotovoltaicas, captadores de energia eólica, sensores que controlam iluminação e consumo de água, reaproveitamento da água, etc. Em se tratando de projeto e olhando para o custo total de uma edificação, o valor acrescido por essas inovações, é praticamente desprezível e com certeza, em função do tempo de utilização da edificação, a economia de energia agregará valores econômicos com energia elétrica e fornecimento de água, além disso, projetos mais sustentáveis com certeza agregam valor final a uma edificação. Esse trabalho procura mostrar vantagens da sustentabilidade energética para uma edificação seja ela de qualquer porte, a partir da transformação de várias formas de energias em energia elétrica.
Abstract
LIMA, Lucas. Electric sustainability in construction: 2013. 30 pages. Conclusion Work Foundation Degree in buildings - State College Polivalente- Parana. Ponta Grossa, 2013.
It is common for people to seek professionals who can submit a design for its construction, which bring innovations in the question of energy savings, such as reuse of recyclable materials generated by the building itself running, more enlightened and naturally ventilated environments, solar heating panels, photovoltaic cells, wind power pickups, sensors that control lighting and water consumption, water reuse, etc. . In terms of design and looking at the total cost of a building, the plus by these innovations, are practically negligible value and certainly a function of time of use of the building, the energy savings will add economic value of electric power supply and water furthermore, most designs with certain organic end aggregate value to a building. This work aims to show the advantages of sustainable energy to a building be it any size, starting from the processing of various forms of energy into electrical energy.
Keywords: Energy. Electric. Photovoltaics. Wind. Sustainability.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 ...............................................................................15Figura 2 ...............................................................................16
Figura 3 ................................................................................17
Figura 4 .................................................................................18
Figura 5 .................................................................................19
Figura 6 .................................................................................20
Figura 7 .................................................................................22
Figura 8 .................................................................................23
Figura 9 .................................................................................23
Figura 10 ...............................................................................24
Figura 11 ...............................................................................25
Figura 12 ...............................................................................25
Figura 13 ...............................................................................26
LISTA DE SIGLAS
DC - Corrente continua
V - Volts
AC - Corrente Alternada
W - Watts
ANEEL - Agência Nacional de Energia Elétrica
COPEL - Companhia Paranaense de Energia
KWh - Quilo watt hora
m/s - Metros por segundo
W/s - Watt por segundo
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO................................................................13
1.1 VANTAGENS E DESVANTAGENS DO SISTEMA EÓLICO ........................13
1.2 VANTAGENS E DESVANTAGENS DO SISTEMA FOTOVOLTAICO................................................................................................14
1.3 APLICAÇÕES DO SISTEMA EÓLICO E FOTOVOLTAICO EM RESIDÊNCIA.....................................................................................................14
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA.......................................15
2.1 CONFIGURAÇÃO DO SISTEMA FOTOVOLTAICO................................... 15
2.1.1 Sistema Autônomo.................................................................................. 15
2.1.1.1 Associação em série...............................................................................16
2.1.1.2 Associação em paralelo ........................................................................16
2.1.1.3 Associação mista....................................................................................17
2.2 CONFIGURAÇÕES DE GERADORES EÓLICOS..........................................18
2.2.1 Turbinas Eólicas Móveis.......................................................................... 19
1 INTRODUÇÃO
Atualmente a grande demanda de energia elétrica do Brasil é suprida por meio de centrais hidrelétricas, constituindo-se de grandes e pequenos centros geradores. Normalmente em lugares retirados dos centros consumidores, devido ao fato de dependerem de força hídrica suficiente para gerar energia. Esse fato torna o processo bastante laborioso, com desperdício energético em forma de calor, quedas de tensão, longas redes transportadoras que sofrem ação natural, etc. Todo processo encarece essa produção, além disso, os impactos ambientais são consideráveis mesmo em PCH’s, uma vez que estará alterando o meio natural do ambiente em que estará instalada. À medida que cresce a demanda as hidroelétricas precisam ampliar seus parques geradores, construindo novas linhas transmissoras e distribuidoras, trazendo consigo novos problemas com dissipação durante o transporte da energia. Pensando nisso já se tem implantando pequenas estações geradoras próximas aos centros consumidores, como PCH’s, centros de células fotovoltaicas, centros captadores de energia eólica, etc.
A transformação direta de recursos naturais em energia elétrica atualmente tem sido uma importante alternativa para diminuir impactos ambientais, no entanto o custo ao consumidor continua existindo, sendo assim, tornou-se bastante difundida a ideia de gerar energia elétrica diretamente na edificação por meio de captação da energia do vento ou do sol, seja a edificação de grande ou pequeno porte.
1.1 – VANTAGENS E DESVANTAGENS DO SISTEMA EÓLICO
Vantagens
- Não gera custo financeiro no processo gerador
- Energia gerada sem picos de alteração voltaica
- Não produzem contaminação ambiental
- Podem ser associados os acumuladores de energia
- Baixa manutenção
Desvantagens
- Gera ruídos
- Possui partes que se desgastão com o tempo
- Gera poluição visual
- Depende da intensidade do vento
1.2 – VANTAGENS E DESVANTAGENS DO SISTEMA FOTOVOLTAICO
Vantagens
- Gera tensão 12V DC
- Gera energia mesmo em dias nublados
- Longa vida útil
- Não possui peças que podem desgastar isoladamente
- Manutenção baixa
- Permite ampliação do sistema captador
- Fácil instalação
- Componentes leves
- Não gera poluição ambiental e nem sonora
- Compatível com qualquer acumulador de energia elétrica
Desvantagens
- Depende da intensidade luminosa do sol
- Investimento elevado
- Necessita de armazenador de energia
1.3 – APLICAÇÕES DO SISTEMA EÓLICO E FOTOVOLTAICO EM RESIDÊNCIAS
O sistema hibrido pode ser aplicado em edificações da seguinte forma:
- Redes elétricas diretas
- Circuitos isolados
- Consumidores individuais
Segundo Jucá e Carvalho (2013), os sistemas fotovoltaico e eólico podem ser empregados até mesmo em pequenas edificações, desde que sejam respeitadas suas devidas especificações de projetos. Atualmente uma célula fotovoltaica de silício, é capaz de converter 28% da energia solar em energia elétrica, essa célula é a mesma que se encontra aplicada nas edificações associadas em série ou paralelo. A implantação de um sistema eólico deverá ser antecedida por um estudo de campo, para identificar correntes de ar e altitude específica.
2.1 CONFIGURAÇÕES DO SISTEMA FOTOVOLTAICO
O físico Heinrich R. Hertz (1857-1894) em 1887 descobriu o efeito fotovoltaico, desde então, essa tecnologia não parou de evoluir, até chegar às residências com um grande coeficiente de transformação de energia. Normalmente o sistema é configurado para ser autônomo, tendo apenas baterias para acumularem energia, no entanto, nunca é fonte fornecedora principal.
2.1.1 Sistema Autônomo
Segundo o manual do instalador de energia fotovoltaica (2013) um sistema autônomo é composto de uma placa solar (figura 1) diretamente ligada a uma bateria. As placas comercializadas atualmente são produzidas para operarem em DC de 12V, 24V e 48V, com potência entre 10 e 320W, podendo ser associadas em série e paralelo, dependendo da necessidade de projeto.
Figura 1 – placas fotovoltaica
Fonte: Siemens
2.1.1.1 Associação em série
Segundo o site mpptsolar.com (2013), são utilizados para obter-se uma maior tensão de saída mantendo a mesma corrente. Se os painéis forem iguais nas especificações técnicas, poderá ser ligado semelhante à associação de pilhas, aonde, um polo positivo de uma das placas vai diretamente ligado à carga e outro polo negativo vai ligado ao polo positivo de outra placa, e assim sucessivamente conforme o número de placas. A última placa terá apenas seu polo negativo disponível, esse então será ligado diretamente à carga, conforme a figura 2. Nesse caso acorrente permanecerá inalterada, enquanto a tensão de trabalho se somará.
Figura 2 – Dois painéis fotovoltaico em série
Fonte: WWW.mpptdolar.com
2.1.1.2 Associação em paralelo
Segundo o site mpptsolar.com (2013), são utilizadas em residências que exijam um menor tempo de recarga da bateria, ou possuam equipamentos diretamente ligados ao sistema, que precisam de corrente maior.
Para placas de mesmas especificações técnicas, interligam-se os polos positivos das placas, e o mesmo processo é feito com os negativos, conforme figura 3. Nesse caso a tensão de trabalho permanece a mesma, no entanto a corrente é duplicada.
Figura 3 – dois painéis fotovoltaico em paralelo
Fonte: WWW.mpptsolar.com
2.1.1.3 Associação mista
Segundo o site mpptsolar.com (2013), são utilizadas em edificações de maior porte, que exijam corrente e tensão maior. Esse tipo de associação corrige o fator de disparidade entre voltagem e amperagem, evitando o dano às placas e células fotovoltaicas. As cargas de trabalho devem ser consideradas para essas associações, uma vez que corrente e tensão paralelamente terão valores elevados, conforme figura 4.
Figura 4 – painéis fotovoltaicos em série/paralelo
Fonte: WWW.mpptsolar.com
2.2 CONFIGURAÇÕES DE GERADORES EÓLICOS
Segundo o centro brasileiro de energia elétrica (2000), uma turbina eólica parte sempre do princípio construtivo conforme figura 5. Quando as turbinas são pesadas devido ao seu tamanho e capacidade de geração de energia, elas são fixas dependendo então de uma única direção da corrente de ar. Para aplicação em residências utilizam-se turbinas menores e móveis sobre seu eixo de gravidade, possibilitando a turbina captar o vento, conforme a direção q o mesmo está se locomovendo.
Figura 5 – Esquemática de uma turbina eólica
Fonte: WWW.eolica.com.br
2.2.1 Turbinas eólicas movies
Segundo o folder da sinfonia technology (2013), embora pouco usada em nível de edificações unifamiliares, as turbinas eólicas possuem uma tensão e corrente de trabalho bastante elevada em relação às placas fotovoltaicas, podendo com apenas uma turbina suprir uma maior necessidade de energia elétrica. A configuração é bastante simples necessitando da turbina, um estabilizador e uma bateria ou carga consumidora diretamente ligada. A turbina eólica móveis traz consigo na parte traz eira uma pá direcional que a possibilita ordenar-se pelo sentido da corrente de vento conforme figura 6.
Figura 6 – turbina eólica com pá direcional
Fonte: air.com
3 DESENVOLVIMENTO
Para Maxwell (1872) toda mudança de um sistema depende de energia quando diz: “Energia é aquilo que permite uma mudança na configuração de um sistema, em oposição a uma força que resiste a essa mudança”. A energia precisa ser transformada para que sistemas possam funcionar, qualquer processo de transformação do meio, dependerá da energia. Com a elétrica não é diferente, para obte-la é preciso haver transformação de alguma outra forma de energia, embora nem toda energia seja em uma transformação.
Segundo o folder da sinfonia technology (2013), nesse processo de transformação de energia, um sistema fotovoltaico por si só pode não ser autossuficiente na geração plena de energia, devido aos períodos de insolação, temperatura ambiente e fatores naturais como nuvens e sombreamentos. Por isso surge a importância de sistemas híbridos de transformação de energia, como o sistema de células fotovoltaico e turbinas eólicas, em dias chuvosos, por exemplo, haverá a falta de irradiação do sol sobre as células, no entanto nesses dias normalmente há a presença de fortes ventos, tornando eficiente o conjunto híbrido para manter constante carga sobre os acumuladores de energia. Sendo assim era preciso evoluir no quesito eólico uma vez que, placas de células fotovoltaicas tendem a evoluir rapidamente, inclusive para materiais cem por cento recicláveis e com grandes variedades de matérias para sua confecção, com crescente índice de aproveitamento na conversão de energia. Olhando para essa disparidade na evolução desses sistemas, a fabricante vem investindo em novas tecnologias, inclusive aerodinâmicas, uma vez que, o alto ruído sempre foi problema para geradores eólicos. A fabricante apresenta uma turbina com sistema híbrido, com inovadores sistemas eólico conforme figura 7.
Figura 7 – sistema híbrido
Fonte: elco.eng.br
Segundo a Gentle Breeze (2013), o sistema híbrido é uma fonte de energia limpa e renovável, e assume um papel importante na economia de energia elétrica em residências, uma vez que, depende unicamente de fontes inesgotáveis. Esse sistema é capaz de gerar energia mesmo em dia chuvosos com ausência de irradiação solar, ou à noite, pois o sistema eólico produzirá energia na mesma grandeza. As células fotovoltaicas combinadas com a turbina eólica transformarão uma grande parcela de outras formas de energias (vento e irradiação solar), em energia elétrica, armazenando em baterias ou sendo consumida diretamente. As hélices da turbina são projetadas para funcionarem em qualquer direção do vento sem a necessidade de pá direcional, além disso, esse modelo não produz ruído, o que sempre foi um grande incômodo nas hélices das turbinas convencionais. A instalação é simples e o conjunto tem vida útil de no mínimo vinte e cinco anos, segundo o fabricante, desde que respeitados os devidos cuidados com manutenção. A energia produzida pelo sistema trabalha em 12 V DC. Para aproveitar essa energia em aparelhos que operam em AC, o sistema utiliza uma unidade de controle que além de inverter irá controlar a carga gerada para não danificar as baterias conforme figura 8.
Figura 8 – sistema com controlador e inversor de carga
Fonte: http://minhacasasolar.com.br/offgrid.jpg
Conforme a resolução ANEEL número 482/2012, o consumidor pode instalar em suas residências, geradores de energia elétrica de pequeno porte, e o excesso de energia produzido pode ser vendido à COPEL que a mesma converterá em créditos de energia válidos por 36 meses, que poderão ser abatidos na própria residência cliente da COPEL ou em outra unidade em nome do titular da unidade geradora. O cliente que produz energia em excesso em sua residência pode solicitar a COPEL a aderência ao sistema de compensação de energia elétrica, formalizando sua intenção de integração ao sistema de acesso da mesma. Para que seja possível a integração com a rede, é preciso seguir todas as exigências requeridas pela companhia. A própria companhia substituirá o medidor convencional, por um que medirá tanto o consumo, como a energia que será injetada na rede.
Segundo a fabricante de painéis solares fotovoltaicos, AVproject (2013), um painel modelo AVP-150p tem capacidade de gerar uma economia de 18,75KWh por mês, conforme figura 9:
Figura 9 – geração de energia
Fonte: http://www.minhacasasolar.com.br/Tabela_AVP150p.png
De acordo com a empresa Enersud (2013), que é a primeira do Brasil a produzir mini turbinas eólicas em escala comercial, uma mini turbina residencial pode gerar a uma velocidade de 12 metros por segundo, uma potência de 6KWh, a empresa também apresenta a turbina eólica de eixo vertical, que mesmo com ventos lentos pode abastecer uma casa que tenha em média um consumo de 300 kwh por mês.
Segundo MARTINS (1993), MARQUES JÚNIOR ET al. (1995), SILVA ET AL (1997) e LEITE (2006), em Ponta Grossa_PR o vento tem velocidades entre 3,02 e 4,02m/s, ou seja, o vento é suficiente para gerar uma potencia de 300W/s, conforme figura 10.
Figura 10 – curva de fator de potencia
Fonte: http://www.merkasol.com/WebRoot/StoreLES/Shops/62387086/51B4/BE6B/EB52/1754/D8F6/C0A8/28BC/579E/curva_de_potencia.jpg
Figura 11 – instalações de turbinas eólicas
Fonte: acervo próprio
Cada turbina gerou 7V em AC com cada turbina acionando duas lâmpadas em consumo direto da carga, conforme figura 12:
Figura 12 – acionamento das turbinas
Fonte: acervo próprio
Figura 13 – protótipo do sistema híbrido em funcionamento
Fonte: acervo próprio
4 CONCLUSÃO
Muito além da economia financeira, o sistema híbrido de transformação de energia, traz um importante passo rumo à sustentabilidade energética, uma vez que, não depende de combustíveis fósseis e nem de fontes que trazem impactos ambientais consideráveis ao ecossistema. Esse sistema, com a produção em grande escala, tende cada vez mais a vencer a última barreira que o impede de estar presente em residências populares, o valor do investimento. Uma vez que, o Brasil já começa incentivar financeiramente essa produção de energia, o valor do investimento feito pelo proprietário da residência já começa ser acessível e em longo prazo passa a ser bastante rentável. Produzir sua própria energia é pensar no futuro de uma casa em que moram todos os seres humanos, e com certeza contribuir para uma nova visão modernista do arcaico sistema construtivo atual de nosso país.
REFERÊNCIAS
Manual esquemático da placa AVP72P high efficiency polycrystalline PV modules. Disponível em:< http://www.avproject.it/public/schede/en/POLI_72.pdf> Acesso em: 23 set. 2013.
Manual esquemático turbina eólica Verne 555. Disponível em: < http://enersud.com.br/?page_id=147 > Acesso em: 20 set. 2013.
JUCÁ, Sandro; CARVALHO, Paulo. Métodos de dimensionamento de sistemas fotovoltaicos: Aplicações em dessalinização. 1a ed. São Paulo: CC, 2013.
Agência Nacional de Energia Elétrica. Resolução número 482/2012
Funcionamento placa solar. Disponível: < http://mpptsolar.com > Acesso em: 19 set. 2013.
Manual do instalador. Energia fotovoltaica. GREENPRO 2004. Disponível em: < www.ebah.com > Acesso em: 20 set. 2013.
Manual de instalação turbina eólica. Gentle Breeze. Sinfonia Technology 2013. Disponível em < www.elco.eng.br > Acesso em: 01 set. 2013.
Centro Brasileiro de Energia Elétrica. Mapas Eólicos. 2011. Disponível em: < http://www.brasil.gov.br/infraestrutura/2011/12/energia-eolica-apresenta-altas-taxas-de-crescimento > Acesso em: 02 set. 2013.
MAXWELL, James Clerk. The scientific papers of James Clerk Maxwell. Volume 2. Dover Phoenix Editions, 2003.
LEITE, Maysa de Lima ET al. Avaliação da velocidade média e direção predominante do vento em Ponta Grossa – PR. Rev.Bras. Agrometeorologia, v.14, n.2, p157-167, 2006.
MARQUES JÚNIOR, S. ET al. Análise de dados de vento para a região de Botucatu – SP utilizando a distribuição beta. Revista brasileira de agrometeorologia, Santa Maria, v 3, p, 129-132,1995.
MARTINS, D. Comportamento dos ventos na região de Botucatu – SP. In: Congresso Brasileiro de Engenharia Agrícola, 22, 1993.
SILVA, J. B. ET al. Estudo da velocidade e direção dos ventos em Pelotas, RS. Revista brasileira de agrometeorologia, Santa Maria, v.5, n. 2, p, 227-235, 1997.
