Livro Edificios Solares Fotovoltaicos

EDIF CIOS SOLARES I

FOTOVOLTAICOS

Ricardo Rther

EDIF CIOS SOLARES IO Potencial da Gerao Solar Fotovoltaica Integrada a Edificaes Urbanas e Interligada Rede Eltrica Pblica no Brasil

FOTOVOLTAICOS

Florianpolis 2004

Copyright 2004 UFSC / LABSOLAR Todos os direitos reservados pela Editora UFSC / LABSOLAR, 2004 1 edio - 2004 proibida a reproduo total ou parcial por quaisquer meios sem autorizao por escrito da editora.

Capa e Projeto Grfico Amanda Maykot Reviso Alexandre de Albuquerque Montenegro Impresso no Brasil

R974e

Rther, Ricardo Edifcios solares fotovoltaicos : o potencial da gerao solar fotovoltaica integrada a edificaes urbanas e interligada rede eltrica pblica no Brasil / Ricardo Rther. Florianpolis : LABSOLAR, 2004. 114 p. : il. Inclui bibliografia ISBN 85-87583-04-2 1. Converso fotovoltaica de energia. 2. Energia eltrica Edifcios. 3. Energia solar. 4. Recursos energticos Brasil. 5. Energia renovvel. 6. Gerao descentralizada. I.Ttulo. CDU:621.47Catalogao na publicao por: Onlia Silva Guimares CRB-14/071

Editora UFSC / LABSOLAR Laboratrio de Energia Solar Universidade Federal de Santa Catarina Depto. de Engenharia Mecnica Bloco A - 3 andar Campus universitrio Trindade 88040-900 Florianpolis - SC - Brasil Tel: (48) 331-9379 http://www.labsolar.ufsc.br [email protected]

ndice

Prefcio 1. Introduo 2. Sistemas solares fotovoltaicos no entorno construdo 3. Componentes de um sistema solar fotovoltaico integrado a uma edificao urbana e interligado rede eltrica 4. Legislao em vigor e normas ABNT 5. Mdulo solar fotovoltaico 5.1. Tecnologias fotovoltaicas comercialmente disponveis5.1.1. Silcio cristalino (c-Si) 5.1.2. Silcio amorfo hidrogenado (a-Si) 5.1.3. Telureto de cdmio (CdTe) 5.1.4. Disseleneto de cobre (glio) e ndio (CIS e CIGS)

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6. Rendimento do gerador fotovoltaico 7. Sistema inversor ou conversor CC CA 7.1. Eficincia 7.2. Segurana (fenmeno islanding) 7.3. Qualidade da energia gerada 7.4. Compatibilidade com o arranjo fotovoltaico 7.5. Outras caractersticas 8. Aterramento

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Edifcios Solares Fotovoltaicos

9. Segurana das instalaes 10. Conexo eltrica dos mdulos solares fotovoltaicos 11. Conexo eltrica do gerador fotovoltaico rede convencional 11.1. Medidores de energia 11.2. Instalao eltrica 12. Custos 13. Vantagens para o sistema eltrico 13.1. Fator Efetivo de Capacidade de Carga (FECC) de sistemas solares fotovoltaicos 14. Edifcios solares fotovoltaicos no Brasil 15. Exemplos de outros edifcios solares fotovoltaicos 15.1. Instalaes residenciais 15.2. Instalaes comerciais 15.3. Instalaes industriais 16. Atlas Solarimtrico do Brasil e Atlas Fotovoltaico do Brasil 17. Potencial da energia solar fotovoltaica no Brasil 18. Concluses Agradecimentos Referncias bibliogrficas Anexo I: Resoluo ANEEL 112, de 18 de maio de 1999 Anexo II: Mapas sazonais do Atlas Solarimtrico do Brasil Anexo III: Sites da Internet com informaes adicionais relativas aos Edificios Solares Fotovoltaicos e outras Fontes Renovveis de Energias. ndice .

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Prefcio

Atravs do efeito fotovoltaico, clulas solares convertem diretamente a energia do sol em energia eltrica de forma esttica, silenciosa, no-poluente e renovvel. Este livro descreve uma das mais recentes e promissoras aplicaes da tecnologia fotovoltaica: a integrao de painis solares ao entorno construdo, de forma descentralizada e com interligao da instalao geradora rede eltrica. Uma caracterstica fundamental de sistemas fotovoltaicos instalados no meio urbano principalmente a possibilidade de interligao rede eltrica pblica, dispensando assim os bancos de baterias necessrios em sistemas do tipo autnomo e os elevados custos e manuteno decorrentes. Na configurao mais comum, estes sistemas so instalados de tal maneira que, quando o gerador solar fornece mais energia do que a necessria para o atendimento da instalao consumidora, o excesso injetado na rede eltrica: a instalao consumidora acumula um crdito energtico (o relgio contador tpico bidirecional e neste caso anda para trs). Por outro lado, quando o sistema solar gera menos energia do que a demandada pela instalao consumidora, o dficit suprido pela rede eltrica. Perdas por transmisso e distribuio, comuns ao sistema tradicional de gerao centralizada, so assim minimizados. Outra vantagem destes sistemas o fato de representarem usinas descentralizadas que no ocupam rea extra, pois esto integradas ao envelope da edificao. O livro descreve os tipos de mdulos fotovoltaicos comercialmente disponveis, os circuitos eltricos e os dispositivos de medio e proteo envolvidos em tais instalaes, alm de apresentar exemplos de sistemas deste tipo no Brasil e no mundo.. Prefcio .

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1. Introduo

Diariamente incide sobre a superfcie da terra mais energia vinda do sol do que a demanda total de todos os habitantes de nosso planeta em todo um ano1. Dentre as diversas aplicaes da energia solar, a gerao direta de eletricidade atravs do efeito fotovoltaico2 se apresenta como uma das mais elegantes formas de gerar potncia eltrica. Desde o surgimento das primeiras clulas solares fotovoltaicas, de elevado custo e utilizadas na gerao de energia eltrica para os satlites que orbitam nosso planeta, as tecnologias de produo evoluram a tal ponto que se tornou economicamente vivel em muitos casos a sua utilizao em aplicaes terrestres, no fornecimento de energia eltrica a locais at onde a rede eltrica pblica no foi estendida. Tais sistemas, ditos remotos ou autnomos (figura 1a), necessitam quase sempre de um meio de acumulao da energia1 O Sol pode ser considerado como um reator a fuso nuclear operando a cerca de 100.000.000oC, a uma distncia mdia da terra de cerca de 150.000.000km. solar: A constante solar No topo da atmosfera a radiao solar reduzida a 1353W/m2; esta constante chamada constante solar (Gextraterrestre ou GAM0). Ao atravessar a atmosfera, a radiao solar sofre atenuao por absoro por O3 (UV), H2O (IR) e CO2 (IR) e espalhamento pelo Ar, vapor dgua e poeira. Assim, a intensidade de radiao que chega superfcie da terra ao meio-dia da ordem de 1000W/m2, tambm denominada 1 SOL. terra: O fluxo solar e a demanda energtica da terra O fluxo solar, energia radiante ou potncia instantnea total que incide sobre a terra da ordem de 1,75 x 1017 W (raio da terra = 6,4 x 106m; rea da seo reta da terra = 1,3 x 1014m2; GAM0 = 1,353W/m2). Por outro lado, a demanda energtica mundial da ordem de 3,4 x 106Wh/ano. Assim, podemos calcular o tempo necessrio para que incida sobre a terra uma quantidade de energia solar equivalente demanda energtica mundial anual: t = (3,4 x 1016 x 60) / 1,75 x 1017 = ~ 12 minutos !!!! 2 Quando os ftons contidos na energia do sol incidem sobre um material semicondutor (e.g. silcio) com determinadas caractersticas eltricas (juno eltrica p-n ou p-i-n), a energia de uma frao destes ftons pode excitar eltrons no semicondutor, que por sua vez podero dar origem a uma corrente eltrica. Para um maior detalhamento sobre os fundamentos do efeito fotovoltaico, ver por exemplo, Hovell, 1975; Neville, 1978; Green, 1982.

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gerada, normalmente um banco de baterias, para suprir a demanda em perodos quando a gerao solar insuficiente ou noite. Mais recentemente, sistemas solares fotovoltaicos vm sendo utilizados de forma interligada rede eltrica pblica, como usinas geradoras em paralelo s grandes centrais geradoras eltricas convencionais. Desta forma fica dispensado o sistema acumulador (baterias), seu elevado custo e manuteno envolvidos, j que a bateria da instalao solar fotovoltaica interligada rede eltrica a prpria rede eltrica, como ser visto em maior detalhe a seguir. Instalaes solares fotovoltaicas interligadas rede eltrica pblica podem apresentar duas configuraes distintas: podem ser instaladas (i) de forma integrada a uma edificao (e.g. no telhado ou fachada de um prdio, como mostra a figura 1b, e portanto junto ao ponto de consumo); ou (ii) de forma centralizada como em uma usina central geradora convencional, neste caso normalmente a certa distncia do ponto de consumo como mostra a figura 1c. Neste ltimo caso existe, como na gerao centralizada convencional, a necessidade dos complexos sistemas de transmisso e distribuio (T&D) tradicionais e dos custos envolvidos. Este livro se concentra nos aspectos tcnicos do primeiro tipo de configurao (figura 1b). Entre as vantagens deste tipo de instalao se pode destacar: (i) no requer rea extra e pode portanto ser utilizada no meio urbano, prximo ao ponto de consumo, o que leva a (ii) eliminar perdas por T&D da energia eltrica como ocorre com usinas geradoras centralizadas, alm de (iii) no requerer instalaes de infra-estrutura adicionais; os painis fotovoltaicos podem ser tambm (iv) considerados como um material de revestimento arquitetnico (reduo de custos), dando edificao uma (v) aparncia esttica inovadora e high tech alm de trazer uma (vi) imagem ecolgica associada ao projeto, j que produz energia limpa e de fonte virtualmente inesgotvel. Desde o incio de sua comercializao, a energia eltrica tem sido fornecida aos consumidores residenciais, comerciais e industriais atravs de usinas geradoras centralizadas e complexos sistemas de T&D. Vrios estudos indicam que at 2010, de 25 a 30% dos novos sistemas de gerao sero distribudos, ou seja, sero conectados diretamente ao sistema de distribuio secundrio [Conti et al. 2003]. Todas as usinas geradoras convencionais tm problemas inerentes, tais como poluio (e.g. usinas termeltricas a leo ou carvo), dependncia de fornecimento de combustvel (e.g. leo, carvo, urnio) ou oposio do pblico quanto sua construo e operao (e.g. usinas nucleares, trmicas a carvo e tambm. Introduo .


hidreltricas). Alm disto, usinas geradoras centralizadas deixam um grande nmero de consumidores vulnerveis a blackouts eltricos. A energia solar fotovoltaica distribuda elimina vrios destes problemas. Sistemas fotovoltaicos integrados a edificaes urbanas e interligados rede eltrica pblica, como ilustrado pela figura 1b, so a mais recente tendncia nesta rea e se justificam porque tanto o recurso energtico solar como a demanda energtica em edificaes urbanas tm carter distribudo. Neste livro so abordados estes aspectos e tambm as caractersticas tcnicas peculiares de circuitos de instalaes eltricas deste tipo.

Figura 1: Exemplos de sistemas solares fotovoltaicos do tipo (a) isolado ou autnomo, (b) descentralizado, integrado edificao urbana e interligado rede eltrica convencional e (c) centralizado, interligado rede eltrica convencional.

. Introduo .

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2. Sistemas solares fotovoltaicos no entorno construdo

No Brasil, mais de 40% da energia eltrica consumida utilizada por edificaes residenciais, comerciais e pblicas; sendo o setor residencial responsvel por 23% do total do consumo nacional e os setores comercial e pblico responsveis por 11% e 8% respectivamente [Geller, 1994] [Lamberts et al., 1997]. Em capitais como por exemplo o Rio de Janeiro, em edifcios comerciais e pblicos, o ar condicionado responsvel por 50% do consumo de energia eltrica no vero, chegando a 70% para edifcios envidraados [Lomardo, 1988][Toledo, 1995][Lamberts et al. 1997]. Painis solares fotovoltaicos so projetados e fabricados para serem utilizados em ambiente externo, sob sol, chuva e outros agentes climticos, devendo operar satisfatoriamente nestas condies por perodos de 30 anos ou mais. Assim sendo, so apropriados integrao ao envoltrio de edificaes. Sistemas solares fotovoltaicos integrados ao envelope da construo podem ter a dupla funo de gerar eletricidade e funcionar como elemento arquitetnico na cobertura de telhados, paredes, fachadas ou janelas. Para tanto a indstria fotovoltaica vem desenvolvendo uma srie de produtos dirigidos aplicao ao entorno construdo, tendo recentemente lanado comercialmente mdulos fotovoltaicos de ao inoxidvel (sob a forma de um rolo flexvel, revestido por resina plstica, com superfcie posterior autocolante) e de vidro sem moldura, que podem ser instalados diretamente como material de revestimento de fachadas ou telhados, e at mesmo telhas de vidro onde os painis fotovoltaicos esto diretamente integrados, como mostram as figuras 2 a 4 a seguir. Algumas destas aplicaes so exemplificadas ao longo deste livro.

. Sistemas solares fotovoltaicos no entorno construdo .


Do ponto de vista da eficincia energtica, estes sistemas podem ser considerados bastante ideais, visto que gerao e consumo de energia tm coincidncia espacial, minimizando assim as perdas por transmisso comuns aos sistemas geradores centrais tradicionais. Dependendo do perfil de consumo pode ocorrer tambm muitas vezes uma coincidncia temporal com a gerao solar, como no caso da demanda por ar-condicionados, em que a coincidncia perfeita (a potncia eltrica demandada por ar-condicionados mxima quando a insolao mxima). Por serem conectados rede eltrica pblica, estas instalaes dispensam os sistemas acumuladores de energia (bancos de baterias) normalmente utilizados em instalaes solares fotovoltaicas do tipo isolada ou autnoma (figura 1a), reduzindo assim consideravelmente o custo total da instalao (da ordem de 30% do custo total do sistema para sistemas com acumulao [Green, 2000]) e dispensando a manuteno e reposio requeridas por um banco de baterias. Alm disto, por poderem contar com a rede eltrica pblica como back up quando a demanda excede a gerao, no h a necessidade de superdimensionamento do sistema para atendimento da demanda energtica sob perodos prolongados de baixa incidncia solar, como o caso em sistemas isolados ou autnomos, onde o dimensionamento do sistema deve levar em considerao o pior caso de oferta solar e a sazonalidade que ocorre na maioria das regies do

Figura 2: Painis solares semitransparentes podem ser integrados a janelas em edificaes urbanas, possibilitando ao mesmo tempo a entrada de luz natural e gerando energia eltrica para o consumo residencial, comercial ou industrial [Sanyo Solar Industries].


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globo, do que decorre que para alguns perodos do ano o sistema autnomo freqentemente estar superdimensionado, o que eleva os custos da instalao. Do ponto de vista de instalaes eltricas e da construo civil, as tecnologias necessrias incorporao de painis solares fotovoltaicos a projetos de construo convencional j so bem estabelecidas (a utilizao de painis de vidro em fachadas e coberturas uma prtica comum no setor da construo). A conexo eltrica dos painis rede e os dispositivos perifricos necessrios interconexo so comercialmente disponveis no mercado, que oferece todos estes perifricos para qualquer tipo de configurao ou porte de instalao. Painis solares fotovoltaicos so inerentemente mais versteis do que outros tipos de coletores solares para aquecimento de ar ou gua (fios e cabos eltricos so inerentemente mais simples de instalar do que uma tubulao). Este fato, aliado ao potencial baixo custo, possibilita o seu uso como um material de construo com a vantagem adicional de ser um gerador eltrico. Painis solares de filmes finos fabricados sobre um substrato de vidro so basicamente o mesmo produto que os painis de vidro revestidos por pelculas que so comumente utilizados na construo civil; existeFigura 3: Mdulos solares como os da figura 2 podem ser laminados em painis de vidro de grandes dimenses (4.2m2 no caso desta figura), onde os mesmos princpios de colocao/fixao/ montagem para os painis de vidro comumente utilizados em aplicaes arquitetnicas, inclusive fachadas verticais, so empregados. Os painis desta figura tm uma transparncia de 12% em mdia, atuando como um filtro neutro, isto , sem alterar as caractersticas cromticas da luz transmitida [Phototronics Solartechnik GmbH].



assim a expectativa a curto prazo de que se produzidos em grande escala os custos venham a declinar de forma acentuada. Pelo conceito de sincronicidade [US-DOE, 1996], em que gerao e consumo ocorrem simultaneamente, a energia eltrica gerada em alguns perodos do dia tem um valor maior para a concessionria eltrica do que em outros perodos em que a demanda no crtica. O mais bvio exemplo disto o caso da demanda de energia por aparelhos de ar-condicionado em perodos de elevada incidncia solar (e portando gerao de energia solar). Por esta razo, instalaes solares fotovoltaicas integradas a prdios comerciais de escritrios e interligadas rede eltrica pblica so um exemplo de aplicao ideal destes sistemas, onde picos de consumo e gerao so muitas vezes coincidentes, aliviando assim o sistema de distribuio da concessionria eltrica. Isto acarreta no somente uma economia de energia, mas tambm o aumento da vida til de transformadores e outros componentes do sistema de distribuio. Contribui tambm para a diminuio do risco de blackouts energticos como os ocorridos recentemente em algumas capitais brasileiras e em diversas metrpoles importantes de outros pases em funo da sobrecarga do sistema de T&D em perodos de calor intenso. Desta forma, ainda que no sistema eltrico brasileiro o principal pico de consumo tenha incio por volta do pr do sol, vrios ramais das concessionrias eltricas tm picos coincidentes com a mxima oferta solar, aumentando assim o valor da energia gerada nestes perodos. A modularidade de sistemas solares fotovoltaicos permite que sejam instalados de forma distribuda para dar reforo rede em pontos selecionados, estratgia que vem sendo utilizada com sucesso em muitos pases e que ser abordada na seo 13.1. Quanto aos tipos de montagem destes geradores, em caso de telhado inclinado ou horizontal, o sistema pode ser montado sobre o telhado existente, ou o sistema pode ser integrado (mdulo/ telha), no caso de uma construo nova ou substituio total da cobertura. No caso de uma fachada, o gerador fotovoltaico pode ser utilizado como elemento de revestimento, ou como elemento de sombreamento e os custos de instalao destes painis so comparveis aos custos de instalao de uma fachada de vidro comum. As figuras 11, 18-20, 22-24, 26-33, 35-44 demonstram vrias destas aplicaes.


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Um material de revestimento deve cumprir exigncias fsicas e estruturais (de engenharia); deve apresentar versatilidade em termos de tamanhos, formas e construo/montagem e, alm disso, deve ter uma boa aparncia esttica aliada a um alto padro de qualidade e durabilidade. Dentre os painis fotovoltaicos comercialmente disponveis no mercado atualmente, existe uma grande variedade que atende a todos estes requisitos. Este livro demonstra sistemas solares fotovoltaicos como geradores de potncia eltrica integrados ao ambiente urbano. Os benefcios - tanto econmicos quanto ecolgicos - da aplicao da energia solar fotovoltaica no entorno construdo no esto, no entanto, completamente estabelecidos. Existe a necessidade de demonstrar que a integrao de instalaes solares fotovoltaicas ao entorno construdo muito mais que simplesmente uma boa idia; ela pode tambm trazer grandes benefcios ao usurio, ao sistema eltrico nacional e sociedade.

Figura 4: Mdulos solares fotovoltaicos fabricados diretamente sobre telhas de vidro curvas, que substituem telhas convencionais num sistema residencial descentralizado que produz energia eltrica junto ao ponto de consumo e sem ocupar rea adicional [Sanyo Solar Industries].



3. Componentes de um sistema solar fotovoltaico integrado a uma edificao urbana e interligado rede eltricaUma instalao solar fotovoltaica integrada a uma edificao e conectada rede eltrica composta por vrios itens, incluindo painis solares, sistema de fixao ao envoltrio da construo, sistema conversor CC-CA (inversor), diodos de bypass e diodos de bloqueio, fusveis e disjuntores, cabos eltricos, terminais, protees contra sobretenses e descargas atmosfricas e caixas de conexo. Os mdulos solares apresentam normalmente tenses de circuito aberto em torno de 20V, apropriadas para a carga de baterias de 12V em sistemas autnomos, visto que esta era tradicionalmente a aplicao mais comum. Com o crescente interesse por instalaes conectadas rede eltrica - onde as tenses de 110 ou 220V so utilizadas - a indstria vem lanando no mercado mdulos com tenses de circuito aberto mais elevadas (e.g. 95V). Em qualquer caso, para atingir a potncia instalada de projeto, normalmente so utilizadas combinaes srie/paralelo de vrios mdulos, para que se obtenham as tenses e correntes desejadas. Muitas vezes se torna necessrio proteger os cabos contra sobrecorrentes, o que se faz pela utilizao de fusveis. Quando vrios mdulos so conectados em srie em um string, e vrios strings so conectados em paralelo para que a potncia de projeto seja atingida, comum a utilizao de diodos de bloqueio para evitar a circulao de corrente reversa por um string. Diodos de bypass so normalmente utilizados em strings onde a tenso de circuito aberto seja superior a 30V, com o objetivo de isolar um string e evitar que atue como uma carga caso haja. Componentes de um sistema solar fotovoltaico integrado a uma edificao urbana e interligado rede eltrica .

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sombreamento parcial. Os cabos utilizados nestes sistemas so normalmente resistentes radiao ultravioleta e tm duplo isolamento. Eles devem suportar as temperaturas elevadas, muitas vezes at 50oC acima da temperatura ambiente, que so atingidas na regio posterior dos mdulos. O sistema inversor responsvel pela converso da energia gerada pelos mdulos fotovoltaicos - que geram energia eltrica em corrente contnua (CC) e em tenso normalmente distinta da tenso de rede local - em corrente alternada (CA) e em tenso e freqncia de rede, com baixo teor de harmnicos e onda de forma senoidal. As protees contra sobretenses e descargas atmosfricas se destinam a isolar o sistema de transientes de tenso indesejveis. Apesar de os mdulos fotovoltaicos modernos apresentarem uma elevada tolerncia a picos de tenso (6kV), componentes eletrnicos como o sistema inversor, por exemplo, necessitam de proteo contra estes surtos de tenso. Estes componentes de proteo esto normalmente instalados nas caixas de conexo. O sistema de fixao edificao, que compreende a estrutura onde sero montados os painis fotovoltaicos, deve suportar todas as cargas mecnicas e ventos, bem como as expanses/ contraes trmicas, com vida til equivalente esperada para o arranjo fotovoltaico (~30 anos). Os painis fotovoltaicos e o sistema inversor sero analisados em maior detalhe ao longo deste livro.

. Componentes de um sistema solar fotovoltaico integrado a uma edificao urbana e interligado rede eltrica .


4. Legislao em vigor e normas ABNT

O sistema eltrico brasileiro se encaminha para a condio de mercado livre, com a introduo da figura do produtor independente de energia e tambm do consumidor livre. A legislao que rege a produo, transmisso e distribuio de energia eltrica no Brasil no previa ainda os sistemas solares fotovoltaicos integrados a edificaes urbanas e interligados rede eltrica convencional como os descritos neste livro. O contexto tcnico-poltico em que tais sistemas se inserem ainda tema em debate em todo o mundo e mais recentemente inclusive no Brasil [IEE-USP, 1998; Oliveira e Zilles, 2002]. A Agncia Nacional de Energia Eltrica ANEEL, rgo pblico responsvel por regular o mercado de energia eltrica, enquadra tais sistemas no contexto da legislao energtica brasileira em funo de algumas leis como segue: a lei 8.631/93 dispe sobre os nveis tarifrios e a extino da remunerao garantida; a lei 8.987/95 dispe sobre o regime de concesso e permisso de servio pblico; a lei 9.074/95 estabelece normas para outorga e prorrogao de concesses e permisses; o decreto 2.003/96 regulamenta a produo de energia eltrica de Produtores Independentes de Energia (PIEs) e Auto Produtores (APs), e o decreto 2.655/98 regulamenta o Mercado Atacadista de Energia eltrica (MAE) e define regras de organizao do Operador Nacional do Sistema eltrico (ONS). A resoluo 112/ 1999, de 18 de maio de 1999, reproduzida no Anexo I, estabelece os requisitos necessrios obteno de registro ou autorizao para a implantao, ampliao ou repotenciao de centrais geradoras de fontes alternativas de energia, incluindo as centrais geradoras fotovoltaicas. Neste contexto as instalaes solares fotovoltaicas integradas a edificaes urbanas e interligadas rede eltrica pblica. Legislao em vigor e normas ABNT .

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se caracterizam como APs, podendo tambm se caracterizar como PIEs. Na rea de normatizao, a Associao Brasileira de Normas Tcnicas (ABNT), atravs da Comisso de Estudos CE-82.1 (Sistemas de Converso Fotovoltaica de Energia Solar) do Comit Brasileiro de Eletricidade (COBEI) vem se empenhando no sentido de elaborar normas tcnicas referentes aos sistemas fotovoltaicos conectados rede eltrica. A CE-82.1 vem preparando normas referentes a protees contra sobretenses em sistemas fotovoltaicos (projeto de norma ABNT 03:082.01-011) entre outras. Outro documento normativo importante na instalao de sistemas solares fotovoltaicos integrados a edificaes urbanas e interligados rede eltrica a norma ABNT NBR 5410, que normatiza as instalaes eltricas de baixa tenso e que foi recentemente revisada.

. Legislao em vigor e normas ABNT .


5. Mdulo solar fotovoltaico

Em qualquer instalao solar fotovoltaica o mdulo solar fotovoltaico a clula bsica do sistema gerador. A quantidade de mdulos conectados em srie ir determinar a tenso de operao do sistema em CC. A corrente do gerador solar definida pela conexo em paralelo de painis individuais ou de strings (conjunto de mdulos conectados em srie). A potncia instalada, normalmente especificada em CC, dada pela soma da potncia nominal dos mdulos individuais. O mercado de mdulos fotovoltaicos, principalmente para aplicaes como as descritas aqui, vem crescendo acentuadamente nos ltimos anos, com novas tecnologias oferecendo alternativas especialmente desenvolvidas para a integrao ao entorno construdo.

5.1. Tecnologias fotovoltaicas comercialmente disponveisEm termos de aplicaes terrestres, dentre os diversos semicondutores utilizados para a produo de clulas solares fotovoltaicas, destacam-se por ordem decrescente de maturidade e utilizao o silcio cristalino (c-Si); o silcio amorfo hidrogenado (a-Si:H ou simplesmente a-Si); o telureto de cdmio (CdTe) e os compostos relacionados ao disseleneto de cobre (glio) e ndio (CuInSe2 ou CIS e Cu(InGa)Se2 ou CIGS). Neste ltimo grupo aparecem elementos que so ou altamente txicos (Cd, Se, Te), ou muito raros (Te, Se, Ga, In, Cd), ou ambos, o que inicialmente se mostrou um obstculo considervel ao uso mais intensivo destas tecnologias. Com relao toxicidade, convm mencionar que lmpadas fluorescentes (contm mercrio) e telas de computador (contm chumbo) so classificados. Mdulo solar fotovoltaico .

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da mesma maneira, devendo ser descartados de forma apropriada, o que tambm dever ocorrer com painis solares de CdTe, CIS e CIGS. O silcio, por outro lado, o segundo elemento mais abundante na superfcie de nosso planeta (mais de 25 % da crosta terrestre silcio [Hammond, 1992]) e 100 vezes menos txico que qualquer um dos outros elementos citados acima [Shah, 1992]. O c-Si a tecnologia fotovoltaica mais tradicional e a nica dentre as mencionadas acima que faz uso de lminas cristalinas (dimetro ~10cm tipicamente) relativamente espessas (espessura 300400m), o que representa uma maior limitao em termos de reduo de custos de produo. Todas as outras tecnologias esto baseadas em pelculas delgadas (filmes finos, com espessura da ordem de 1m) de material ativo semicondutor e neste aspecto que reside o grande potencial de reduo de custos que estas tecnologias detm. Filmes finos para aplicaes fotovoltaicas, principalmente no entorno construdo, esto sendo desenvolvidos para a gerao de potncia eltrica por apresentarem baixos custos de produo decorrentes das quantidades diminutas de material envolvido, das pequenas quantidades de energia envolvidas em sua produo, do elevado grau de automao dos processos de produo (grande capacidade de produo) e seu baixo custo de capital [Rther & Livingstone, 1993]. Devido ao fato de que a luz solar contm relativamente pouca energia (baixa densidade energtica, da ordem de 1000W/m2 num meio-dia ensolarado) se comparada a outras fontes energticas, painis solares fotovoltaicos devem ter um baixo custo para que possam produzir energia eltrica a preos competitivos. A eficincia do processo de fotossntese, no qual toda a vida em nosso planeta est baseada, da ordem de 0.2% [Borgstrom, 1973] em mdia. Em termos de eficincia de converso fotovoltaica, a tecnologia do c-Si , dentre as tecnologias utilizadas em aplicaes terrestres para gerar potncia eltrica, a que apresenta a maior eficincia (ao redor de 15%) de converso direta da energia do sol em energia eltrica para mdulos disponveis no mercado. As tecnologias de filmes finos, sendo inerentemente menos eficientes e tambm por estarem ainda na infncia de seu desenvolvimento, tm no momento um rendimento ao redor de 7 a 10% para mdulos comercialmente disponveis, o que significa que se necessita de aproximadamente o dobro da rea em mdulos solares de filmes. Mdulo solar fotovoltaico .


finos para obter a mesma potncia instalada com painis de c-Si. Apesar de os painis solares de filmes finos terem j hoje um preo inferior por Wp3 (ou seja $/potncia, ou $/energia) ao dos de c-Si, a rea ocupada para uma determinada potncia instalada deve ser levada em considerao na anlise econmica, quando da opo por uma ou outra tecnologia fotovoltaica. As principais caractersticas de cada uma destas tecnologias ser abordada a seguir. As figuras 5 e 6 mostram exemplos de mdulos fotovoltaicos de c-Si e a-Si. 5.1.1. Silcio cristalino (c-Si) A mais tradicional das tecnologias fotovoltaicas e a que ainda hoje apresenta maior escala de produo a nvel comercial (~80% em 2002 [Maycock, 2003]), o c-Si se consolidou no mercado fotovoltaico por sua extrema robustez e confiabilidade. O custo de produo destes mdulos solares , no entanto, bastante elevado e as possibilidades de reduzi-los j foram praticamente esgotadas, razo pela qual esta tecnologia desconsiderada por muitos analistas como sria competidora com formas convencionais de gerao de potncia em larga escala. O c-Si segue sendo, no entanto, o lder dentre as tecnologias fotovoltaicas para aplicaes terrestres em qualquer escala, principalmente porque nos principais mercados mundiais (Japo e Alemanha) a rea ocupada por um arranjo fotovoltaico uma limitao para as tecnologias fotovoltaicas que apresentam uma menor eficincia de converso. N o caso de clulas fotovoltaicas que utilizam silcio monocristalino (mSi), o monocristal crescido a partir de um banho de silcio fun3

Figura 5: Exemplos de mdulos solares fotovoltaicos de c-Si de vrias potncias comercialmente disponveis [Siemens Solar Industries].

A potncia nominal de uma clula ou mdulo solar fotovoltaico a potncia de pico (ou potncia mxima) obtida sob condies padro de teste (CPT). Da vem o fato de se incluir o sufixo pico (ou p) unidade de potncia utilizada. As unidades comumente usadas so: watt-pico (Wp) e quilowatt-pico (kWp). As CPT para clulas e mdulos fotovoltaicos so: (a) temperatura da juno da clula fotovoltaica = (25 2)C; (b) intensidade de radiao = 1000 W/m2 normal superfcie de ensaio, e (c) espectro solar = AM1,5 (Projeto de Reviso 3:082.01-012/2000 da NBR10899/1988).

. Mdulo solar fotovoltaico .

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dido de alta pureza (Si = 99,99% a 99,9999%) em reatores sob atmosfera controlada e com velocidades de crescimento do cristal extremamente lentas (da ordem de cm/hora). Levando-se em conta que as temperaturas envolvidas so da ordem de 1400oC, o consumo de energia neste processo extremamente intenso e o chamado energy pay-back time (tempo necessrio para que o mdulo gere energia equivalente utilizada em sua fabricao) superior a dois anos, dependendo dos nveis de radiao solar do local onde os mdulos forem instalados. Etapas complementares ao crescimento do monocristal envolvem usinagem do tarugo; corte de lminas por fios ou serras diamantadas; lapidao, ataque qumico e polimento destas lminas (processos estes todos em que ocorrem considerveis perdas de material, da ordem de 50% do tarugo original); processos de difuso/dopagem, deposio da mscara condutora da eletricidade gerada e finalmente a interconexo de clulas em srie para a obteno do mdulo fotovoltaico, como mostra a figura 5. O silcio policristalino (p-Si) apresenta menor eficincia de converso, com a vantagem de um mais baixo custo de produo, j que a perfeio cristalina menor que no caso do m-Si e o processamento mais simples. O material de partida o mesmo que para o m-Si, que fundido e posteriormente solidificado direcionalmente, o que resulta em um bloco com grande quantidade de gros ou cristais, no contorno dos quais se concentram os defeitos que tornam este material menos eficiente do que o m-Si em termos de converso fotovoltaica. Os processamentos posteriores at se obter um mdulo fotovoltaico so semelhantes aos utilizados no caso do m-Si. Nos ltimos anos o p-Si tem crescido sua participao no mercado fotovoltaico mundial, em detrimento do m-Si, e atualmente mais de 50% da produo mundial utiliza o p-Si [Maycock, 2003]. O p-Si pode ser tambm produzido sob a forma de tiras ou fitas (ribbon technology), a partir de um banho lquido de silcio e neste processo fica dispensado o fatiamento em lminas, uma vez que as tiras de pSi j so produzidas com a espessura final da clula.



5.1.2. Silcio amorfo hidrogenado (a-Si) No incio dos anos 80 o a-Si era visto como a nica tecnologia fotovoltaica em filmes finos (pelculas delgadas) comercialmente vivel. Tendo sido pela primeira vez empregado em clulas solares em meados da dcada de 70, imediatamente despontou como tecnologia ideal para aplicao em calculadoras, relgios e outros produtos onde o consumo eltrico baixo. Por apresentarem uma resposta espectral mais voltada para a regio azul do espectro eletromagntico, tais clulas se mostraram extremamente eficientes sob iluminao artificial (e.g. sob lmpadas fluorescentes e sob radiao difusa como a que predomina em dias com cus encobertos), com eficincia nestes casos superior do c-Si. Os processos de produo de a-Si ocorrem a temperaturas relativamente baixas (< 300C), em processos a plasma, o que possibilita que estes filmes finos sejam depositados sobre substratos de baixo custo, como vidro (figura 6), ao inox (figura 7) e alguns plsticos (figura 8). Desta forma, foram desenvolvidos mdulos solares hoje disponveis no mercado que so flexveis, inquebrveis, leves, semitransparentes, com superfcies curvas (figura 4), que esto ampliando o mercado fotovoltaico por sua maior versatilidade.

Figura 6: Exemplos de mdulos solares fotovoltaicos de a-Si em substrato de vidro e sem moldura comercialmente disponveis. Estes mdulos so desenhados especificamente para aplicaes integradas ao entorno construdo (fachadas, telhados, etc.), onde sua instalao feita de maneira anloga instalao de um painel de vidro comum [Phototronics Solartechnik GmbH].


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Por sua aparncia esttica mais atraente, o a-Si tem encontrado aplicaes arquitetnicas diversas, substituindo materiais de cobertura de telhados e fachadas em instalaes integradas ao ambiente construdo. como material de revestimento que o a-Si leva grande vantagem sobre o c-Si, pois o custo por m2 toma maior importncia do que o custo por Wp e neste aspecto j hoje o a-Si tem custo inferior metade do custo por m2 do c-Si. O energy pay-back time para o a-Si outro atrativo desta tecnologia e consideravelmente menor que o do c-Si. Atualmente est em torno de um ano e se deve principalmente energia utilizada na fabricao do substrato de vidro ou ao inox. A potncia necessria para depositar a pelcula delgada de a-Si sobre um substrato bastante baixa e coincidentemente da mesma ordem de grandeza da energia do sol, 1kW/m2. Ao contrrio de todas as outras tecnologias fotovoltaicas, em que o aumento da temperatura ambiente provoca perdas na performance dos mdulos fotovoltaicos, o a-Si no apresenta reduo na potncia com o aumento da temperatura de operao [Rther & Livingstone, 1993; Rther et al., 2003; Rther et al., 2004], uma vantagem nas aplicaes em pases de climas quentes como o Brasil. Principalmente quando integrado ao envelope da edificao, onde os mdulos atingem temperaturas elevadas pela falta de ventilao em sua superfcie posterior, a performance do a-Si em termos de energia gerada

Figura 7: Exemplos de mdulos solares fotovoltaicos de a-Si flexveis em substrato de ao inox, produzidos sob a forma de rolos que podem ser colados diretamente sobre telhados metlicos ou de concreto e telhas do tipo shingles [United Solar Ovonic LLC].

Figura 8: Exemplos de mdulos solares fotovoltaicos de a-Si flexveis em substrato plstico [Sanyo Solar Industries].



(kWh) por potncia instalada (kWp) tem se mostrado superior das demais tecnologias em operao no Brasil [Rther, 1999; Rther & Dacoregio, 2000; Rther et al., 2004]. 5.1.3. Telureto de cdmio (CdTe) O mais recente competidor do c-Si e a-Si no mercado fotovoltaico para gerao de potncia e nas aplicaes integradas a edificaes o CdTe, tambm na forma de filmes finos. Para aplicaes em calculadoras este material j vem sendo usado h mais de uma dcada, mas, nas assim chamadas aplicaes outdoors, mais recentemente que comeam a ser comercializados mdulos solares de grandes reas. Estes mdulos, normalmente sob a forma de placas de vidro num tom marrom/azul escuro como mostra a figura 9, tambm apresentam um atrativo esttico em comparao ao c-Si. As empresas envolvidas com esta tecnologia vm buscando as aplicaes arquitetnicas como nicho de mercado enquanto desenvolvem seu produto, ampliam volumes de produo e reduzem custos. Assim como no caso do a-Si, os custos de produo do CdTe so atrativamente baixos para produo em grande escala e esta tecnologia tem timas chances de despontar como um srio competidor no mercado fotovoltaico para a gerao de potncia eltrica. A relativamente baixa abundncia dos elementos envolvidos e sua maior toxicidade so aspectos que tm de ser levados em conta, principalmente se esta tecnologia atingir quantidades mais significativas de produo (da ordem de GWp). A maior eficincia de converso da energia solar em energia eltrica em comparao ao a-Si um dos principais atrativos desta tecnologia.

Figura 9: Exemplo de mdulos solares fotovoltaicos de CdTe em substrato de vidro para aplicaes arquitetnicas [National Renewable Energy Laboratory].


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5.1.4. Disseleneto de cobre (glio) e ndio (CIS e CIGS) Outro srio competidor no mercado fotovoltaico tambm em aplicaes integradas a edificaes a famlia dos compostos baseados no disseleneto de cobre e ndio (CuInSe2, ou simplesmente CIS), e disseleneto de cobre, glio e ndio (Cu(InGa)Se 2, ou simplesmente CIGS), principalmente por seu potencial de atingir eficincias relativamente elevadas. Painis solares de CIS e CIGS apresentam, como o a-Si e o CdTe, uma tima aparncia esttica e esto surgindo no mercado com grandes superfcies, encontrando aplicaes arquitetnicas diversas. Assim como no caso do CdTe, a pouca abundncia dos elementos envolvidos e sua toxicidade so aspectos que devem ser considerados se esta tecnologia atingir quantidades significativas de produo. A figura 10 mostra exemplos de mdulos fotovoltaicos de CIGS. Dentre os filmes finos comercialmente disponveis, mdulos de CIGS so os que apresentam o melhor rendimento fotovoltaico, razo pela qual vrias empresas vm investindo nesta tecnologia.

Figura 10: Exemplo de mdulos solares fotovoltaicos de CIGS em substrato de vidro para aplicaes arquitetnicas [Wrth Solar GmbH].



6. Rendimento do gerador fotovoltaico

Vrios parmetros podem afetar o rendimento do conjunto de mdulos solares fotovoltaicos, tambm denominado gerador fotovoltaico. O principal deles o parmetro radiao solar, que depende fundamentalmente da localizao geogrfica da instalao, bem como de sua inclinao e orientao. A temperatura dos painis, o sombreamento parcial, o descasamento entre painis de um mesmo string (que leva a perdas de rendimento conhecidas como module mismatch losses, que ser tratado adiante), as resistncias dos condutores e o estado de limpeza dos painis tambm influenciam a performance do sistema gerador fotovoltaico. Os efeitos da inclinao e orientao dos painis no rendimento do gerador dependem da razo entre a radiao direta e difusa locais, bem como da frao de albedo (reflexo dos arredores), que caracterstica do ambiente que circunda a instalao. Como regra geral, a inclinao tima com relao horizontal para incidncia solar mxima em regime anual dada pela latitude local. A orientao ideal a de uma superfcie voltada para o equador (norte geogrfico para instalaes no hemisfrio sul e sul geogrfico para instalaes no hemisfrio norte). Van der Borg & Wiggelinkhuizen [Van der Borg & Wiggelinkhuizen, 2001] realizaram uma extensa anlise dos efeitos da orientao de sistemas fotovoltaicos integrados a edificaes, quantificando as perdas energticas decorrentes de orientaes e inclinaes no-timas. A inclinao e a orientao exata no so, no entanto, crticas, ao contrrio de uma percepo freqente de que mdulos solares somente podem ser instalados em estruturas voltadas para o norte (sul no hemisfrio norte), de preferncia mveis para poder seguir o sol e que se assemelham mais a um satlite do que a um edifcio (figura 11)! Para uma grande variedade de orientaes possveis, pode-se atingir uma incidncia de mais de 95% da radiao mxima.. Rendimento do gerador fotovoltaico .

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Esta afirmao somente vlida para uma superfcie livre de obstrues. Em situaes onde ocorrerem obstculos fsicos, ou padres climticos dirios ou sazonais anmalos, estes parmetros devem obviamente ser levados em considerao. Alm disto, fachadas voltadas para o leste ou oeste podem ter performance satisfatria mesmo quando instaladas em ngulos inclinados ou na vertical, com rendimentos da ordem de 60% em relao a uma orientao tima, devido ao baixo ngulo do sol no incio e final do dia [Sick & Erge, 1996] [Rther & Kleiss, 1996]. O sombreamento uma questo crtica. Um gerador fotovoltaico apresenta performance tima quando iluminado homogeneamente. Dada a caracterstica construtiva da maioria dos mdulos fotovoltaicos, em que as clulas solares individuais so conectadas em srie, uma pequena sombra sobre uma destas clulas, como a sombra projetada por uma antena, chamin ou poste, pode reduzir acentuadamente o rendimento de todo o sistema. Isto se deve ao fato de que a clula sobre a qual incidir a menor quantidade de radiao que ir determinar a corrente (e portanto a potncia) de operao de todo o conjunto a ela conectado em srie. Sob certas condies, uma clula solar parcialmente sombreada pode vir a atuar como uma carga, o que pode levar a um aquecimento excessivo da clula e possivelmente destruio do mdulo. Este efeito, conhecido como hot spot, pode ser evitado pela instalao de diodos de bypass entre cada clula de um mdulo, o que por outro lado leva a uma perda de rendimento. Mdulos solares de filmes finos, cujas clulas so normalmente tiras longas e estreitas, so menos afetados por este fenmeno do que os mais tradicionais mdulos solares de c-Si.

Figura 11: Sistema solar fotovoltaico integrado a uma edificao residencial projetada para otimizar a incidncia solar sobre os mdulos. A edificao gira sobre um eixo vertical e o conjunto de mdulos tem inclinao varivel [Photon 3-98].

. Rendimento do gerador fotovoltaico .


7. Sistema inversor ou conversor CC CA

Mdulos solares fotovoltaicos geram energia em corrente contnua. Assim sendo, se faz necessrio o uso de um equipamento eletrnico conhecido como inversor, ou conversor CC-CA, para que se obtenha tenso em corrente alternada com as caractersticas (freqncia, contedo de harmnicos, forma de onda, etc.) necessrias para satisfazer as condies impostas pela rede eltrica pblica e possibilitar assim a interconexo rede. Os inversores comumente utilizados podem ser de dois tipos: (i) Comutados pela prpria rede eltrica, onde o sinal da rede utilizado para sincronizar o inversor com a rede, ou (ii) Auto-comutados, onde um circuito eletrnico no inversor controla e sincroniza o sinal do inversor ao sinal da rede. No incio da dcada de 90 os sistemas solares fotovoltaicos interligados rede eltrica pblica utilizavam, independentemente de seu porte, inversores unitrios, quase sempre dimensionados para atender potncia instalada total. Atualmente existe uma tendncia na utilizao de vrios inversores idnticos e de menor potncia conectados em paralelo. Recentemente foram lanados os assim chamados mdulos CA, que utilizam microinversores individuais incorporados a cada mdulo. As principais vantagens deste novo conceito de mdulos CA so o mais baixo custo de uma fiao em corrente alternada (e tenso residencial/comercial) e uma ainda maior modularidade, visto que se pode iniciar um sistema fotovoltaico interligado rede com um mdulo CA de 50W por exemplo, e que pode ser ligado diretamente a. Sistema inversor ou conversor CC CA .

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uma tomada comum em uma edificao residencial ou comercial. No caso de inversores de maior porte (inversor centralizado), apesar de a conexo de um nico mdulo de 50W ser tambm possvel, uma maior viabilidade econmica somente atingida para um sistema com potncia instalada de vrias centenas de Watts. Mdulos CA apresentam a desvantagem de uma menor eficincia de converso dos microinversores (da ordem de link Produtos e Servios ( esquerda) > link Livro Fontes No-convencionais de Energia www.labsolar.ufsc.br/evento2000 > link palestras www.labsolar.ufsc.br > link eventos > link Brasil Solar www.solar.ufrgs.br www.scientificsonline.com (venda de pequenos kits fotovoltaicos) www.aondevamos.eng.br www.energiapura.com www.planetasolar.com.br www.heliodinamica.com.br www.cresesb.cepel.br. Anexo III .

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www.pvportal.com www.pvportal.com > link Brazil - direita (indicao de todas as empresas, universidades e institutos de pesquisa que trabalham na rea, no Brasil) www.pvportal.com > link Cheapest - esquerda (indicao dos mdulos fotovoltaicos mais baratos) www.solarbuzz.com www.mrsolar.com

Energia Solar para Aquecimento de guawww.labsolar.ufsc.br www.solar.ufrgs.br www.soletrol.com.br (ver tambm link Centro de Treinamento PRAA DO SOL) www.portalabrava.com.br www.agenciaenergia.com.br www.solares-online.com.br www.cresesb.cepel.br www.green.pucminas.br

Radiao solar no brasil, por regies e perodoswww.labsolar.ufsc.br > link Produtos e Servios ( esquerda) > link Atlas de Irradiao Solar do Brasil www.labsolar.ufsc.br > link Produtos e Servios ( esquerda) > link Livro Fontes No-convencionais de Energia www.solar.ufrgs.br (Softwares RADIASOL e ESPECTRO - download gratuito)

. Anexo III .

111

Programas para clculo da declinao magntica (diferena entre o Norte Geogrfico e o Norte Magntico)www.pangolin.co.nz/almanac.php www.pangolin.co.nz/downloads/alma_su.exe (para verso gratuita por 30 dias) www.on.br (Site do Observatrio Nacional-CNPq- solicitar via e-mail o Programa ELEMAG)

Energia Elicawww.windpower.org www.enercon.com.br www.energiapura.com www.cresesb.cepel.br www.aondevamos.eng.br www.labsolar.ufsc.br/evento2000 > link Palestras www.labsolar.ufsc.br > link Produtos e Servios ( esquerda) > link Livro Fontes No-convencionais de Energia

Mapas de levantamentos de energia elica existente no Brasilwww.cresesb.cepel.br

Biomassawww.labsolar.ufsc.br/evento2000 > link Palestras www.aondevamos.eng.br www.cresesb.cepel.br

. Anexo III .

112

Livros e artigos sobre energias renovveis:www.labsolar.ufsc.br > link Produtos e Servios ( esquerda) > link Livro Fontes No-convencionais de Energia www.labeee.ufsc.br/publicacoes/publicacoes.html www.cresesb.cepel.br www.aondevamos.eng.br www.livrariacultura.com.br www.energynews.efei.br/livros/livros.htm www.periodicos.capes.gov.br

Clipping de notcias sobre energiawww.energynews.efei.br www.canalenergia.com.br

Normas tcnicas:www.abntdigital.com.br

Eficincia Energtica em Edificaeswww.labeee.ufsc.br

Desenvolvimento Sustentvelwww.carbonobrasil.com (com informaes tambm sobre o Mercado de Carbono)

. Anexo III .

113

Ministrio das Minas e Energiawww.mme.gov.br > link programas www.mme.gov.br > link publicaes

. Anexo III .

Esta edio utiliza as fontes Helvetica (45 Light, 55 Roman, 65 Medium, 95 Black e Rounded) e HancockParkLaser, sobre papel Couch Mate 115g/m.

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