estudo de instalaÇÃo de sistema fotovoltaico em...
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ESTUDO DE INSTALAÇÃO DE SISTEMA
FOTOVOLTAICO EM EDIFICAÇÕES DE PEQUENO
PORTE
Guilherme Wiering de Resende Sousa
Projeto de Graduação apresentado ao
Curso de Engenharia Civil da Escola
Politécnica, Universidade Federal do Rio
de Janeiro, como parte dos requisitos
necessários à obtenção do título de
Engenheiro.
Orientador: Profº. Eduardo Linhares Qualharini
RIO DE JANEIRO
Março de 2018
ii
UM ESTUDO DE INSTALAÇÃO DE SISTEMA FOTOVOLTAICO EM
EDIFICAÇÕES DE PEQUENO PORTE
Guilherme Wiering de Resende Sousa
PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DO CURSO
DE ENGENHARIA CIVIL DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE
FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS
NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO CIVIL.
Examinada por:
______________________________________________
Prof. Eduardo Linhares Qualharini (orientador).
______________________________________________
Prof. Elaine Garrido Vazquez
______________________________________________
Prof. Osvaldo Ribeiro da Cruz Filho
RIO DE JANEIRO
Março de 2018
iii
Wiering de Resende Sousa, Guilherme
Estudo de instalação de sistema fotovoltaico em edificação
de pequeno porte. / Guilherme Wiering de Resende Sousa. –
Rio de Janeiro: UFRJ/Escola Politécnica, 2018.
XIII, 74 p, : il. ; 29,7 cm.
Orientador: Jorge dos Santos
Projeto de Graduação – UFRJ / Escola Politécnica /
Curso de Engenharia Civil, 2018
Referências Bibliográficas: p. 70 - 74
1. Introdução 2. Células e módulos fotovoltaicos 3.
Componentes do sistema fotovoltaico 4. Etapas
preliminares de projeto de um sistema fotovoltaico 5.
Instalação de sistemas fotovoltaicos e recomendações
de segurança 6. Exemplo prático de viabilidade técnica
e econômica 7. Considerações finais
I. Linhares Qualharini; Eduardo; II. Universidade
Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica, Curso
de Engenharia Civil. III. Estudo de instalação de
sistema fotovoltaico em edificação de pequeno porte.
iv
AGRADECIMENTOS
Agradeço a minha família, que sempre foi a fundação e o alicerce onde minha
vida pode se erguer e ser construída, sem ela nunca teria chegado a lugar nenhum e não
seria a pessoa que sou hoje. A minha mãe Mônica, que apesar das dificuldades de ser
uma mãe solteira conseguiu sempre me prover de tudo que necessitava e da melhor
educação possível. Aos meus avós Lucia e Guido, que me amam mais do que tudo e
sempre estiveram muito perto para ajudar na minha criação e me amar. A minha tia
Adriane, que me trata e me ama como seu próprio filho, e é sempre um ombro amigo
nas horas de dificuldade.
Aos de infância cuja amizade eterna me proporciona momentos de alegria e
companheirismo mesmo que as distâncias sejam cada dias maiores, e que sempre
aguardo ansioso para nossos encontros.
A minha namorada Nacha, que durante minha graduação sempre esteve comigo
com apoio e carinho.
Aos meus colegas, que caminharam comigo durante essa longa jornada,
passando pelos mesmos percalços e superando-os ao meu lado, tornando-nos amigos
que levarei para a vida toda.
Ao NPPG, onde pude crescer profissionalmente e aprender muito, junto com a
ajuda de novos amigos.
Ao Rio de Janeiro, a cidade mais bonita do mundo, que mesmo com seus
problemas é impossível não ama-la ou não chama-la de lar.
v
Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/ UFRJ como parte
dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Civil.
UM ESTUDO DE INSTALAÇÃO DE SISTEMA FOTOVOLTAICO EM
EDIFICAÇÃO DE PEQUENO PORTE
Guilherme Wiering de Resende Sousa
Março/2018
Orientador: Eduardo Linhares Qualharini
Curso: Engenharia Civil
A visibilidade e a aplicação das fontes alternativas e renováveis de energia cresceram
demasiadamente nas últimas duas décadas, e o Brasil começa a caminhar na
implementação de fontes alternativas de energia na sua matriz energética, especialmente
a solar fotovoltaica. A implantação de sistemas fotovoltaicos residenciais proporciona
geração e consumo local, ajuda a diminuir o carregamento da rede, aumenta a
confiabilidade do sistema, reduz as perdas com transmissão e distribuição de energia,
diminui o custo da energia e reduz o impacto ambiental. Este trabalho tem como
objetivo apresentar elementos necessários para o dimensionamento e instalação de
sistemas fotovoltaicos conectados à rede de baixa tensão, voltados para aplicação
residencial, visando complementar a qualificação do pessoal técnico atuante na área de
instalações de sistemas fotovoltaicos a partir da apresentação de bibliografia pertinente
ao tema, principalmente a partir de publicações renomadas no assunto. O trabalho
também apresenta um exemplo prático de viabilidade técnica e econômica de
implementação de um sistema fotovoltaico conectado à rede em um edifício residencial
que indica que mesmo sistemas de pequeno porte estão se tornando cada vez mais
viáveis.
Palavras-chave: Sistema fotovoltaico conectado à rede, instalação, implementação,
viabilidade.
vi
Abstract of Monograph present to Poli/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements
for degree of Civil Engineer.
A STUDY OF INSTALLATION OF PHOTOVOLTAIC SYSTEM IN SMALL
BUILDING
Guilherme Wiering de Resende Sousa
March/2018
Advisor: Eduardo Linhares Qualharini
Course: Civil Engineering
The visibility and application of alternative and renewable energy sources have
increased way too much over the last two decades, and Brazil is starting to walk into the
implementation of alternative sources of energy in its energy matrix, specially the solar
photovoltaic. The implantation of photovoltaic systems for houses provides generation
and local consumption, it helps soften the grid loading, increases the reliability on the
system, reduces losses with transmission and distribution of energy, decreases energy
cost, and reduces the environmental impact. This project aims to present technical
concepts of sizing and installation of low voltage photovoltaic systems connected to
grid, geared towards residential application, aiming to complement the qualification of
technical staff working (acting) in the area of installations of photovoltaic systems, as
from the presentation of bibliography that is relevant to the theme, mainly as from
renowned publications regarding the subject. The project also presents a study on
technical and economic feasibility on how to implement a photovoltaic system
connected to a grid at a residential building, which indicates that even small size
systems have become more and more feasible.
Keywords: Photovoltaic systems connected to the grid, installation, implementation,
feasibility.
vii
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ..................................................................................................................... 1
1.1 A IMPORTÂNCIA DO TEMA EM ESTUDO ........................................................................ 1
1.2 OBJETIVOS ........................................................................................................................... 2
1.3 JUSTIFICATIVA DA ESCOLHA .......................................................................................... 2
1.4 METODOLOGIA ................................................................................................................... 3
1.5 ESTRUTURA DA MONOGRAFIA ........................................................................................ 3
2. CÉLULAS E MÓDULOS FOTOVOLTAICOS ................................................................... 5
2.1 ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA ................................................................................... 5
2.2 CÉLULAS E MÓDULOS FOTOVOLTAICOS DE SILÍCIO CRISTALINO ........................... 7
2.3 FILMES FINOS ................................................................................................................... 10
2.3.1 Amorfo (a-Si) ...................................................................................................................... 10
2.3.2 Telureto de cádmio (CdTe)................................................................................................. 11
2.3.3 Disseleneto de cobre,gálio e índio (CIS e CIGS) ................................................................ 11
2.3.4 Orgânicas (OPV)................................................................................................................. 12
2.4 PARA CONCENTRAÇÃO (CPV) ........................................................................................ 12
2.5 NORMAS PARA MÓDULOS FOTOVOLTAICOS .............................................................. 13
2.6 APLICAÇÃO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS .............................................................. 14
2.6.1 Sistemas fotovoltaicos isolados (SFI) ................................................................................. 14
2.6.2 Sistemas fotovoltaicos conectados à rede (SFCR).............................................................. 15
2.6.3 Sistemas híbridos (SFH) ..................................................................................................... 15
3. COMPONENTES DO SISTEMA FOTOVOLTÁICO ....................................................... 16
3.1 MÓDULOS FOTOVOLTAICOS .......................................................................................... 16
3.1.1 Associação série e paralelo de módulos fotovoltaicos ........................................................ 16
3.1.2 Efeito da temperatura ........................................................................................................ 17
3.1.3 Efeito da irradiância ........................................................................................................... 18
3.1.4 Efeito sombreamento .......................................................................................................... 19
3.2 FUSÍVEIS DE PROTEÇÃO DA SÉRIE FOTOVOLTAICA ................................................. 19
3.3 DISJUNTORES .................................................................................................................... 19
3.4 DISPOSITIVO DE PROTEÇÃO CONTRA SURTOS (DPS) ................................................ 20
3.5 INVERSOR .......................................................................................................................... 21
viii
3.6 SISTEMA DE ATERRAMENTO ......................................................................................... 21
3.7 MEDIDOR BIDIRECIONAL ............................................................................................... 21
4. ETAPAS PRELIMINARES DE PROJETO DE UM SISTEMA FOTOVOLTAICO ....... 22
4.1 AVALIAÇÃO DO RECURSO SOLAR ................................................................................ 22
4.2 LOCALIZAÇÃO .................................................................................................................. 23
4.2.1 Orientação e inclinação do gerador fotovoltaico ............................................................... 24
4.3 ESCOLHA DA CONFIGURAÇÃO ...................................................................................... 26
4.4 LEVANTAMENTO DA DEMANDA E DO CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA ........... 26
4.5 DIMENSIONAMENTO DO GERADOR FOTOVOLTAICO ................................................ 27
4.6 DIMENSIONAMENTO DO INVERSOR ............................................................................. 29
4.7 FERRAMENTAS COMPUTACIONAIS PARA PROJETO DE SISTEMAS
FOTOVOLTAICOS...................................................................................................................... 29
4.7.1 HOMER .............................................................................................................................. 30
4.7.2 HYBRID2 ............................................................................................................................ 31
4.7.3 RETSCREEN ...................................................................................................................... 31
4.7.4 PV- DESIGN PRO .............................................................................................................. 32
4.7.5 PV-SOL ............................................................................................................................... 32
4.7.6 PVSYST .............................................................................................................................. 32
4.7.7 SOLEM ............................................................................................................................... 33
4.7.8 PVSIZE ............................................................................................................................... 33
5. INSTALAÇÃO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS E RECOMENDAÇÕES DE
SEGURANÇA ............................................................................................................................. 35
5.1 RECOMENDAÇÕES GERAIS SOBRE SEGURANÇA ........................................................ 37
5.2 MÓDULOS FOTOVOLTAICOS .......................................................................................... 41
5.2.1 Recomendações sobre segurança no manuseio e instalação de módulos fotovoltaicos ..... 41
5.2.2 Montagem da estrutura de suporte dos módulos ............................................................... 42
5.3 INSTALAÇÃO DOS COMPONENTES DE CONDICIONAMENTO DE POTÊNCIA .......... 48
5.4 INSTALAÇÃO DOS COMPONENTES DE PROTEÇÃO..................................................... 50
5.5 ATERRAMENTO ................................................................................................................ 52
5.6 INSTALAÇÃO DOS COMPONENTES DE SUPERVISÃO E CONTROLE, E AQUISIÇÃO E
ARMAZENAMENTO DE DADOS .............................................................................................. 53
5.7 INSTALAÇÃO DE OUTROS COMPONENTES, CABOS, CONEXÕES E ACESSÓRIOS .. 53
5.8 COMISSIONAMENTO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS ............................................... 54
ix
6. EXEMPLO PRÁTICO DE VIABILIDADE TÉCNICA E ECONÔMICA ........................ 59
6.1 INTRODUÇÃO .................................................................................................................... 59
6.2 LOCALIZAÇÃO .................................................................................................................. 59
6.3 CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA ............................................................................... 61
6.4 EQUIPAMENTOS E ORÇAMENTO ................................................................................... 62
6.5 ANÁLISE NO RETSCREEN ................................................................................................ 64
6.6 COMPARAÇÃO COM RENDA FIXA ................................................................................. 67
7. CONSIDERAÇÕES FINAIS .............................................................................................. 68
7.1 CONCLUSÕES .................................................................................................................... 68
7.2 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ................................................................... 69
BIBLIOGRAFIA ........................................................................................................................ 70
APÊNDICE I ............................................................................................................................... 75
APÊNDICE II ............................................................................................................................. 76
APÊNDICE III ............................................................................................................................ 77
APÊNDICE IV ............................................................................................................................ 78
ANEXO 1 .................................................................................................................................... 79
ANEXO 2 .................................................................................................................................... 80
ANEXO 3 .................................................................................................................................... 81
ANEXO 4 .................................................................................................................................... 82
ANEXO 5 .................................................................................................................................... 83
x
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Evolução da capacidade de potência instalada fotovoltaica no mundo. ........... 1
Figura 2: Relação da produção, consumo e perdas (variação de estoque, perdas do
sistema e ajustes) da energia elétrica no Brasil. ............................................................... 3
Figura 3: Desenvolvimento das células fotovoltaicas. ..................................................... 6
Figura 4: Eficiência das melhores células fotovoltaicas fabricadas em laboratório até
2012. ................................................................................................................................. 6
Figura 5: Célula fotovoltaica de silício cristalino. ............................................................ 7
Figura 6: Célula policristalina. ......................................................................................... 8
Figura 7: Células m-Si coloridas. ..................................................................................... 8
Figura 8: Esquema dos componentes de um módulo fotovoltaico com células de silício
cristalino. .......................................................................................................................... 9
Figura 9: Degradação máxima de módulos, de acordo com 3 diferentes formas de
garantia ........................................................................................................................... 10
Figura 10: Célula Fotovoltaica Amorfo (a-Si). .............................................................. 11
Figura 11: Célula Fotovoltaica de Telureto e Cádmio (CdTe). ...................................... 11
Figura 12: Célula Fotovoltaica de Disseleneto de Cobre e Índio.. ................................. 12
Figura 13: Célula fotovoltaica orgânica. ........................................................................ 12
Figura 14: Células fotovoltaicas de concentração média e alta ...................................... 13
Figura 15: Normas e regulamentos sobre módulos fotovoltaicos.. ................................ 13
Figura 16: Configuração básica de um SFI.. .................................................................. 14
Figura 17: Configuração de um Sistema Fotovoltaico conectado à rede. ...................... 15
Figura 18: Representação elétrica de módulo fotovoltaico. ........................................... 16
Figura 19: Curva I-V para associações de módulos fotovoltaicos em série. .................. 17
Figura 20: Curva I-V para associações de módulos fotovoltaicos em paralelo. ............ 17
Figura 21: Curva I-V de um módulo fotovoltaico sob efeito de temperatura. ............... 18
Figura 22: Curva I-V um módulo fotovoltaico sob efeito de irradiância.. ..................... 19
Figura 23: Disjuntor bipolar de 16ª da marca Steck. ...................................................... 20
Figura 24: DPS da marca Steck. ..................................................................................... 21
Figura 25: Exemplo de perfis de radiação solar diária com valores equivalentes de HSP
........................................................................................................................................ 23
xi
Figura 26: Orientação da face dos módulos fotovoltaicos para o norte verdadeiro em um
dado local no hemisfério Sul .......................................................................................... 24
Figura 27: Ângulo de inclinação dos módulos fotovoltaicos ......................................... 26
Figura 28: Exemplos de cargas mecânicas impostas por três módulos FV distintos ..... 28
Figura 29: Principais características dos programas pesquisados e suas respectivas
páginas na internet .......................................................................................................... 34
Figura 30: Níveis de tensão considerados para conexão de micro e minicentrais
geradoras ......................................................................................................................... 36
Figura 31: Requisitos mínimos em função da potência instalada. ................................. 36
Figura 32: Normas nacionais recomendadas para consulta. ........................................... 39
Figura 33: Normas internacionais recomendadas para consulta.. .................................. 39
Figura 34: Exemplo de placa de advertência de risco de choque elétrico. ..................... 41
Figura 35: Exemplo de placa de advertência de acesso restrito.. ................................... 41
Figura 36: Exemplo de placa de advertência de risco de choque elétrico devido à
geração própria de sistemas conectados à rede. ............................................................. 41
Figura 37: Exemplo de uma estrutura de sustentação de módulos fotovoltaicos. .......... 43
Figura 38: Formas usuais de instalação de módulos fotovoltaicos ................................ 43
Figura 39: Vantagens e desvantagens das diferentes formas de instalação .................... 44
Figura 40: Sistema fotovoltaico residencial instalado em localidade isolada do Rio
Grande do Sul ................................................................................................................. 45
Figura 41: Detalhe de sistema de fixação em parede de residência. .............................. 45
Figura 42: Principais tipos de fundações utilizadas........................................................ 46
Figura 43: Fixação da estrutura no solo com fundação tipo bloco de cimento .............. 47
Figura 44: Fixação da estrutura diretamente no solo. ..................................................... 48
Figura 45: Exemplos de controladores de carga e inversores instalados na parede da sala
de controle. ..................................................................................................................... 48
Figura 46: Exemplo de controladores de carga e inversor instalados dentro de uma caixa
........................................................................................................................................ 49
Figura 47: Componentes de Proteção (chaves, disjuntores e DPS).. .............................. 50
Figura 48: Fusíveis de proteção. ..................................................................................... 51
Figura 49: Exemplo de uma chave fusível NH disponível comercialmente. ................. 51
Figura 50: Localização do Edifício Lugano. .................................................................. 60
xii
Figura 51: Área útil para instalação, em vermelho. ........................................................ 60
Figura 52: Foto do terraço. ............................................................................................. 61
Figura 53: Foto do terraço. ............................................................................................. 61
Figura 54: Preço de mercado do Canadian Solar CS6U-325P. ...................................... 62
Figura 55: Inversor Fronius Primo 6.0-1. ....................................................................... 63
Figura 56: String Box ecoPolys. ..................................................................................... 63
Figura 57: Cabo Solar Nexans Energyflex. .................................................................... 63
Figura 58: Estrutura Painel Solar Romagnole Centrium Energy. .................................. 64
Figura 59: Entrada de parâmetros energéticos no software RETSCreen. ...................... 66
Figura 60: Fluxo de caixa gerado pelo software RETScreen. ........................................ 67
xiii
GLOSSÁRIO
ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas.
ANEEL - Agência Nacional de Energia Elétrica.
AsBEA - Associação Brasileira de Escritório de Arquitetura.
a-Si – Amorphous Silicon (Silício Amorfo)
c.a. - Corrente Alternada
c.c. - Corrente Contínua
CdS - Sulfeto de Cádmio
CdTe - Telureto de Cádmio
CdTe - Telureto de Cádmio
CPV - Concentrated Photovoltaics (Fotovoltaica com Concentração)
CPV - Concentrated Photovoltaics (Fotovoltaica com Concentração)
c-Si - Crystalline Silicon (Silício Cristalino)
CSI - Current Source Inverter (Inversor de Fonte de Corrente)
DPS - Dispositivo de Proteção Contra Surtos
EPE - Empresa de Pesquisa Energética
EVA - Acetato de Etil-Vinila
FF - Fator de Forma
FV - Fotovoltaico
Homer - Hybrid Optimization Model for Electric Renewable
HSP - Horas de Sol Pleno
MPPT - Maximum Power Point Tracking (na terminologia brasileira: Seguidor do Ponto
de Potência Máxima - SPPM)
m-Si - Mono-crystalline Silicon (Silício Monocristalino)
NBR - Norma Brasileira
NOCT - Nominal Operating Cell Temperature (Temperatura Nominal de Operação da
Célula)
NR - Norma Regulamentadora
O&M - Operação e Manutenção
OPV - Organic Photovoltaics (Fotovoltaica Orgânica)
PRODIST- Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica da Aneel
p-Si - Poli-crystalline Silicon (Silício Policristalino, ou Multicristalino)
PVC - Polyvinyl Chloride (Cloreto de Polivinila)
RN - Resolução Normativa
SFCR - Sistema Fotovoltaico Conectado à Rede
SFD - Sistema Fotovoltaico Domiciliar
SFH - Sistema Fotovoltaico Híbrido
SFI - Sistema Fotovoltaico Isolado
SFIE - Sistema Fotovoltaico Integrado a Edificação
SFV - Sistema Fotovoltaico
SPDA - Sistema de Proteção Contra Descargas Atmosféricas
SPPM - Seguidor do Ponto de Potência Máxima
STC - Standard Test Conditions (Condições Padrão de Ensaio)
SWERA - Solar and Wind Energy Resource Assessment (Levantamento de Recursos
Energéticos Solar e Eólico)
TD - Taxa de Desempenho (em inglês, Performance Ratio – PR)
TF - Tarifa de Fornecimento
TIR - Taxa Interna de Retorno
UFRGS - Universidade Federal do Rio Grande do Sul
VSI - Voltage Source Inverter (Inversor de Fonte de Tensão)
Wp - Watt-pico
1
1. INTRODUÇÃO
1.1 A IMPORTÂNCIA DO TEMA EM ESTUDO
A visibilidade e a aplicação das fontes alternativas e renováveis de energia cresceram
demasiadamente nas últimas duas décadas, no caso em particular da geração fotovoltaica,
segundo o Solar Power Europe (2015) o mundo no ano 2000 apresentava somente 1,28 GW
de capacidade de potência instalada, já em 2014 atingiu a marca de 178,391 GW e com
perspectivas para evoluir entre 396 e 540 GW até 2019. A Europa domina a geração
fotovoltaica com 49,8 % da capacidade mundial e destacamos o crescimento acentuado da
China, que já possui 15,7% da geração fotovoltaica mundial. O crescimento da capacidade
instalada é apresentado na Figura 1. (SOLAR POWER EUROPE, 2015)
Figura 1: Evolução da capacidade de potência instalada fotovoltaica no mundo. Fonte: Solar Power
Europe, 2015
O Brasil começa a caminhar na implementação de fontes alternativas de energia na sua
matriz energética. A geração é predominantemente composta por máquinas rotativas e a
principal fonte é a geração hídrica, com 65,2% (EPE, 2015), que se depara com a
sazonalidade das chuvas necessárias para manter os níveis dos reservatórios. As dificuldades
ambientais, sociais e a saturação territorial para geração hídrica limitam seu crescimento,
apesar de ser uma fonte geradora de energia renovável e confiável.
O território de dimensões continentais apresenta alto potencial para geração Solar e
Eólica, o cenário brasileiro está favorável para a aplicação de fontes renováveis, o governo
2
regularizou a microgeração (menor ou igual a 75 kW para cogeração qualificada) e
minigeração (maior que 75 kW e menor ou igual 3 MW para fontes hídricas ou menor que 5
MW para cogeração qualificada) através da Resolução Normativa nº 482/2012 aprovada pela
Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), que disponibiliza o Procedimentos de
Distribuição de Energia Elétrica (PRODIST), apresentando todos os requisitos necessários
para ter acesso ao sistema de distribuição de energia elétrica e ao sistema de compensação de
energia.
A possibilidade de trocar energia com a rede e obter créditos de energia, que podem
ser consumidos em até 60 meses, podendo reduzir consideravelmente a conta de energia, além
da redução das dificuldades fiscais estimulam atualmente a implementação de fontes
renováveis na matriz energética nacional, principalmente de geração fotovoltaica e eólica.
1.2 OBJETIVOS
Este trabalho tem como objetivo apresentar elementos necessários para o
dimensionamento e instalação de sistemas fotovoltaicos conectados à rede (SFCRs) de baixa
tensão, voltados para aplicação residencial.
Visa, também, complementar a qualificação do pessoal técnico atuante na área de
instalações de SFVs, além de outros interessados, no sentido de abranger seus conceitos
básicos, conhecimentos das tecnologias e procedimentos de instalação e elaboração de
projetos.
1.3 JUSTIFICATIVA DA ESCOLHA
Visando a manutenção da crescente demanda por energia elétrica, cujo consumo final em
2014 foi de 531,08 TWh (EPE, 2015) e com previsão de consumo de 693,47 TWh em 2024
(EPE, 2015), indicado na Figura 2, e a constante busca pela renovação da matriz energética,
foram apresentados neste trabalho conceitos de dimensionamento e instalação de sistemas
fotovoltaicos (SF) conectados à rede. O alto potencial solar em grande parte do Brasil, os
incentivos governamentais, a diversificação e descentralização da matriz energética, o
comprometimento com o desenvolvimento sustentável e a diminuição da emissão de gases
poluentes para a atmosfera são as principais vertentes que motivam aplicar SFs como fonte
alternativa de energia. Os SFs apresentam qualidades ímpares, são não poluentes, compactos,
requerem baixa manutenção, são confiáveis e de alta durabilidade. A implementação de SFs
3
residenciais proporciona geração e consumo local, ajuda a suavizar o carregamento da rede,
aumenta a confiabilidade do sistema, reduz as perdas com transmissão e distribuição de
energia, diminui o custo da energia, reduz o impacto ambiental, etc.
Figura 2: Relação da produção, consumo e perdas (variação de estoque, perdas do sistema e ajustes) da
energia elétrica no Brasil. Fonte EPE, 2015.
1.4 METODOLOGIA
Para a consolidação de todo conteúdo, foi utilizada bibliografia pertinente ao tema,
principalmente a partir de publicações renomadas no assunto, como o Manual de Engenharia
para Sistemas Fotovoltáicos publicado pelo Cepel/Cresesb, tal como acesso às normas da
ANEEL, consultas a reportagens, artigos e documentos de referência, tais como os atlas de
potencial brasileiro de energia solar e eólica.
1.5 ESTRUTURA DA MONOGRAFIA
No primeiro capítulo observa-se a introdução da monografia, contendo o tema de
estudo com sua devida importância descrita, os objetivos deste trabalho, a justificativa da
escolha do tema, a metodologia utilizada para a confecção do trabalho e a estrutura da
monografia.
4
No segundo capítulo apresentam-se de forma sucinta os conceitos básicos sobre
células e módulos fotovoltaicos, como as principais tecnologias e configurações de sistemas
(isolado, conectado à rede e híbrido).
No terceiro capítulo é explicitado os componentes e equipamentos de sistemas
fotovoltaicos conectados á rede, assim como suas características principais e funções.
No quarto capítulo é descrito as etapas de projeto de sistemas fotovoltaicos conectados
à rede de baixa tensão, como disponibilidade de área e recurso solar, demanda a ser atendida,
dimensionamento, projeto elétrico, básico e executivo, assim como a indicação de algumas
ferramentas computacionais que visam facilitar todo esse processo.
No quinto capítulo são apresentados os principais processos de instalação dos
componentes de um sistema fotovoltaico, módulos, suportes, inversores, componentes de
controle e proteção e cabos, conjuntamente com o comissionamento e algumas indicações
para sua manutenção.
No sexto capítulo é apresentado um estudo de caso de um projeto preliminar para um
sistema fotovoltaico conectado à rede na cobertura de um edifício no Leblon, auxiliado pelo
programa de dimensionamento RETScreen, bem como sua viabilidade.
No sétimo capítulo são apresentadas as considerações finais acerca das questões
levantadas e discutidas nesta monografia.
Por fim são indicadas as referências bibliográficas, os apêndices e os anexos.
5
2. CÉLULAS E MÓDULOS FOTOVOLTAICOS
2.1 ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
A energia solar fotovoltaica é a energia obtida através da conversão direta da luz em
eletricidade (Efeito Fotovoltaico), sendo a célula fotovoltaica, um dispositivo fabricado com
material semicondutor, a unidade fundamental desse processo de conversão.
Segundo Programa Altener (2004) as principais tecnologias aplicadas na produção de
células e módulos fotovoltaicos são classificadas em três gerações. A primeira geração é
dividida em duas cadeias produtivas: silício monocristalino (m-Si) e silício policristalino (p-
Si), que representam mais de 85% do mercado, por ser considerada uma tecnologia
consolidada e confiável, e por possuir a melhor eficiência comercialmente disponível.
A segunda geração, comercialmente denominada de filmes finos, é dividida em três
cadeias produtivas: silício amorfo (a-Si), disseleneto de cobre e índio (CIS) ou disseleneto de
cobre, índio e gálio (CIGS) e telureto de cádmio (CdTe). Esta geração apresenta menor
eficiência do que a primeira e tem uma modesta participação do mercado, competindo com a
tecnologia de silício cristalino (c-Si). Existem dificuldades associadas à disponibilidade dos
materiais, vida útil, rendimento das células e, no caso do cádmio, sua toxicidade, que retardam
a sua utilização em maior escala.
A terceira geração, ainda em fase de Pesquisa e Desenvolvimento (P&D), testes e
produção em pequena escala, é dividida em três cadeias produtivas: célula fotovoltaica
multijunção e célula fotovoltaica para concentração (CPV – Concentrated Photovoltaics),
células sensibilizadas por corante (DSSC – Dye-Sensitized Solar Cell) e células orgânicas ou
poliméricas (OPV – Organic Photovoltaics). A tecnologia CPV, por exemplo, demonstrou ter
um potencial para produção de módulos com altas eficiências, embora o seu custo ainda não
seja competitivo com as tecnologias que atualmente dominam o mercado.
A Figura 3 apresenta a evolução da eficiência das células fotovoltaicas verificada no
período de 1990 a 2010, mostrando a melhor eficiência obtida para células de pequena área
(0,5 a 5,0 cm2) fabricadas em laboratório, usando diferentes tecnologias. Na Figura 3, a
eficiência da célula a-Si MJ (multijunção com silício amorfo) refere-se ao valor já
estabilizado após exposição prolongada à luz.
6
Figura 3: Desenvolvimento das células fotovoltaicas. Fonte: Adaptada de GREEN et al., 2011.
A Figura 4 mostra, para diferentes tecnologias e materiais, a eficiência das melhores
células fotovoltaicas.
Figura 4: Eficiência das melhores células fotovoltaicas fabricadas em laboratório até 2012. Fonte: GREEN et al.,
2013.
A maior eficiência, de 37,7%, foi alcançada com células multijunção, devido a maior
combinação de materiais permite que esse tipo de célula consiga absorver um espectro maior
7
de luz solar. As células fotovoltaicas de Si obtiveram eficiência de 25%, sendo que o limite
teórico para células de uma única junção é da ordem de 30% (GREEN et al., 2013).
Um desafio paralelo para a indústria é o desenvolvimento de acessórios e
equipamentos complementares para sistemas fotovoltaicos, com qualidade e vida útil
comparáveis às dos módulos (fabricantes de módulos de silício cristalino garantem os seus
produtos por 25 anos). Sistemas de armazenamento de energia e de condicionamento de
potência têm sofrido grandes avanços no sentido de aperfeiçoamento e redução de custos,
embora ainda não tenham atingido o grau de desenvolvimento desejado.
2.2 CÉLULAS E MÓDULOS FOTOVOLTAICOS DE SILÍCIO CRISTALINO
Em 2011 as células de c-Si correspondiam a 87,9% do mercado mundial. Para sua
fabricação pode ser utilizada a mesma matéria prima da indústria eletrônica (chips) o
chamado silício grau eletrônico (Si-gE), com uma pureza de 99,9999999%, também
denominada 9N (nove noves), ou então o silício grau solar (Si-gS), com 99,9999% (6N), de
menor custo. (EPE, 2012)
Na Figura 5 é apresentada uma célula fotovoltaica típica
Figura 5: Célula fotovoltaica de silício cristalino. Fonte: PROGRAMA ALTENER, 2004.
O silício usado na fabricação das células fotovoltaicas pode ser monocristalino (m-Si)
ou policristalino (p-Si). Diferentemente do silício monocristalino, o policristalino é composto
de pequenos cristais, de dimensão na ordem de centímetros, formados devido ao diferente
método de fabricação. A eficiência das células fotovoltaicas de p-Si é reduzida ligeiramente
em relação as de m-Si, devido a presença de interfaces entre os seus vários cristais. (CEPEL,
2014)
8
Figura 6: Célula policristalina. Fonte: PROGRAMA ALTENER, 2004.
A espessura das células fotovoltaicas é um fator de otimização, células muito especas
ou muito finas perdem eficiência. As lâminas de silício usadas atualmente têm espessura da
ordem de 0,2 mm, mas o objetivo das pesquisas em andamento para 2020 é obter lâminas de
até 0,12 mm de espessura, a fim de reduzir os custos de fabricação. (CEPEL, 2014)
Alguns fabricantes vêm disponibilizando comercialmente células fotovoltaicas de c-Si
coloridas para módulos destinados à integração arquitetônica (SFIE – Sistema Fotovoltaico
Integrado à Edificação). As cores são obtidas por diferentes composições e/ou espessuras na
camada antirreflexiva (AR) das células, o que altera sua eficiência.
Figura 7: Células m-Si coloridas. Fonte: PROGRAMA ALTENER, 2004.
As células fotovoltaicas são associadas eletricamente e encapsuladas para formar o
módulo fotovoltaico, que pode ser constituído por um conjunto de 36 a 216 células
fotovoltaicas, que dependendo dos parâmetros elétricos (tensão, corrente e potência) e da
aplicação do módulo, são associadas em série e/ou paralelo. Depois de soldadas, as células
são encapsuladas, a fim de protegê-las das intempéries e proporcionar resistência mecânica ao
módulo fotovoltaico.
O encapsulamento é organizado em camadas, respectivamente, de um filme isolante,
acetato de etil vinila (EVA, do inglês Ethylene-vinyl acetate) estabilizado para a radiação
ultravioleta, células fotovoltaicas, EVA estabilizado e vidro temperado de alta transparência.
9
Após este processo, coloca-se uma moldura de alumínio anodizado e a caixa de conexões
elétricas e o módulo fotovoltaico está finalizado. A Figura 8 mostra um esquema dos
componentes de um módulo fotovoltaico com células de c-Si.
Figura 8: Esquema dos componentes de um módulo fotovoltaico com células de silício cristalino. Fonte: CEPEL,
2014.
2.2.1 Garantias de Módulos Fotovoltaicos de c-Si
Geralmente os módulos Fotovoltaicos de Silício cristalino têm uma garantia contra
defeitos de fabricação de 3 a 5 anos, e garantia de rendimento mínimo durante 25 anos.
Assim, em caso de defeitos ou desempenho insuficiente, cobertos pelo termo de garantia, os
módulos fotovoltaicos devem ser substituídos pelo fabricante. (CEPEL, 2014)
A diminuição da potência de módulos fotovoltaicos de c-Si é entre 0,5% e 1,0% por
ano. Tipicamente é garantida uma potência de pico (Wp) mínima de 90 % da potência
nominal para o período dos 10 a 12 primeiros anos de operação e de 80 % por um período de
20 a 25 anos (G1 na Figura 9). Mas existem outras formas, como fabricantes que garantem
por 5 anos pelo menos 95% da potência nominal, durante 12 anos pelo menos 90%, durante
18 anos pelo menos 85% e durante 25 anos pelo menos 80% (G2 na Figura 9).
Em mais outra forma de garantia, existem fabricantes que garantem uma degradação
de rendimento anual linear de 0,7-0,8%/ano durante 25 anos (G3 na Figura 9). Estas
diferentes formas de garantias são praticadas no exterior, não necessariamente no Brasil, e
seus resultados, em termos de produção de energia, podem ser diferentes, conforme mostra a
Figura . (CEPEL, 2014)
10
Figura 9: Degradação máxima de módulos, de acordo com 3 diferentes formas de garantia; G1: 90% 12 anos e
80% 25 anos; G2: 95% - 5 anos, 90% - 12 anos, 85% - 18 anos e 80% 25 anos; G3: 3% no primeiro ano e0,7%
por ano até 25 anos. Fonte: CEPEL, 2014.
De qualquer forma, é importante saber que o mercado fotovoltaico é muito dinâmico e
que há constante evolução técnica e muita renovação de fabricantes, de forma que tais
garantias tornam-se bastante questionáveis. Na verdade, constata-se que atualmente existem
muito poucos (se algum) fabricantes de módulos que estão há mais de 20 anos no mercado.
2.3 FILMES FINOS
O desenvolvimento da tecnologia de filmes finos na fabricação de células solares está
cada vez mais em destaque. A possibilidade do material semicondutor ser aplicado em uma
fina camada de substrato, sem restrição de forma, com a flexibilidade do substrato, e seu
processo de fabricação requerer temperaturas mais baixas que o silício cristalino,aumenta o
seu potencial considerando a redução do custo da produção, menor consumo de energia e
material.(SWERA, 2006)
2.3.1 AMORFO (A-SI)
A célula de silício amorfo não apresenta uma estrutura cristalina e possui um alto grau
de desordem dos cristais. Seu processo de fabricação requer menor quantidade de material e
pode ser empregado em substratos rígidos ou flexíveis, ampliando sua forma de aplicação. O
uso do silício amorfo apresenta algumas vantagens em relação às células cristalinas, podem
ser flexíveis, leves e semitransparentes, tem baixo custo por metro quadrado, porém possui
baixa eficiência, da ordem de 5% a 9%. A Figura 10 apresenta a célula amorfa (a-Si).
11
Figura 10: Célula Fotovoltaica Amorfo (a-Si). Fonte: RÜTHER, 2004.
2.3.2 TELURETO DE CÁDMIO (CDTE)
As células fotovoltaicos de CdTe são fabricadas normalmente em um substrato
flexível, o contato frontal é revestido com uma finíssima camada de Sulfeto de Cádmio (CdS)
que é um semicondutor do tipo-N, depois com uma camada de Telureto de Cádmio (CdTe),
que é do tipo-P. Esse procedimento pode ser feito por uma espécie de impressão em tela em
camadas finíssimas e seu rendimento é da ordem de 8% a 11%. Apesar do baixo custo, a
principal barreira para a fabricação de módulos fotovoltaicos utilizando o CdTe é a alta
toxicidade e baixa abundância do Cádmio (PROGRAMA ALTENER, 2004). A Figura 11
apresenta uma célula filme fino de CdTe.
Figura 11: Célula Fotovoltaica de Telureto e Cádmio (CdTe). Fonte: ASPE, 2013.
2.3.3 DISSELENETO DE COBRE,GÁLIO E ÍNDIO (CIS E CIGS)
Outra tecnologia de filmes finos são os compostos baseados no Disseleneto de Cobre e
Índio e Disseleneto de Cobre, Gálio e Índio. É comumente utilizado o óxido de Zinco dopado
com alumínio, que é do tipo-N. A camada do tipo-P de CIS ou CIGS pode ser fabricada pela
vaporização simultânea dos elementos (cobre, índio, gálio e/ou selênio).Os módulos
12
fotovoltaicos de CIS/CIGS são os mais eficientes entre as tecnologias de película fina,
variando entre 8% a12%, porém os elementos são tóxicos ou raros (RUTHER, 2004). A
Figura12 apresenta a célula fotovoltaica CIGS.
Figura 12: Célula Fotovoltaica de Disseleneto de Cobre e Índio. Fonte: RUTHER, 2004.
2.3.4 ORGÂNICAS (OPV)
Uma célula solar orgânica é um tipo de célula solar de polímero que utiliza a
eletrônica orgânica que lida com polímeros orgânicos condutores. Utilizam processo
industrial de impressão de células fotovoltaicas em substrato leve, flexível e transparente. A
eficiência das células orgânicas variam. A Figura 13 apresenta a célula fotovoltaica orgânica.
Figura 13: Célula fotovoltaica orgânica. Fonte: ASPE, 2013.
2.4 PARA CONCENTRAÇÃO (CPV)
Os sistemas fotovoltaicos de concentração (CPV) utilizam espelhos ou lentes para
concentrar a radiação solar incidente nas células fotovoltaicas. As tecnologias podem ser de
baixa ou alta concentração. O propósito das células de concentração é aumentar irradiância
13
solar na célula a fim de obter elevada eficiência dos sistemas e diminuição da área de células
utilizadas. A Figura 14 apresenta módulos fotovoltaicos de média e alta concentração.
Figura 14: Células fotovoltaicas de concentração média e alta. Fonte: WS Energia, 2017.
2.5 NORMAS PARA MÓDULOS FOTOVOLTAICOS
A Figura 15 lista as normas nacionais e internacionais sobre módulos fotovoltaicos
que são recomendadas para consulta, bem como o regulamento do Inmetro. (CEPEL, 2014)
Figura 15: Normas e regulamentos sobre módulos fotovoltaicos. Fonte: CEPEL, 2014.
14
2.6 APLICAÇÃO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS
A Resolução Normativa nº 482 de 2012 (ANEEL, 212b) visa incentivar a
implementação de fontes alternativas de energia na matriz energética nacional e estabelece as
condições gerais para o acesso de microgeração distribuída (menor ou igual a 75 kW e que
utilize cogeração qualificada ou fontes renováveis de energia) e minigeração distribuída
(superior a 75 kW e menor ou igual a 3 MW para fontes hídricas ou menor ou igual a 5 MW
para cogeração qualificada ou fontes renováveis de energia) aos sistemas de distribuição de
energia elétrica assim como o sistema de compensação de energia, medida no qual a energia
ativa injetada na rede pela unidade geradora é cedida gratuitamente à distribuidora local e
posteriormente compensada com o consumo da mesma unidade consumidora ou outra
unidade de mesma titularidade.
De acordo com a ABNT NBR 11704:2008 os sistemas fotovoltaicos podem ser
classificados quanto à interligação com o sistema público de fornecimento de energia,
podendo este ser isolados ou conectados à rede, e quanto à configuração do sistema, podendo
este ser puro ou híbrido.
2.6.1 SISTEMAS FOTOVOLTAICOS ISOLADOS (SFI)
Os sistemas fotovoltaicos isolados são aqueles que não possuem conexão com a rede
pública de fornecimento de energia e possuem sistema de armazenamento de energia. Este
sistema pode suprir energia de forma individual ou em minirrede. A Figura 16 apresenta a
configuração dos SFIs.
Figura 16: Configuração básica de um SFI. Fonte: CEPEL, 2014.
15
2.6.2 SISTEMAS FOTOVOLTAICOS CONECTADOS À REDE (SFCR)
Os sistemas fotovoltaicos conectados à rede são aqueles efetivamente conectados à
rede pública de fornecimento de energia. A potência ativa gerada é injetada diretamente na
rede pública e não necessita de armazenadores de energia. Utilizam-se inversores do tipo
grid-tie de forma a obtermos os mesmos parâmetros de amplitude, frequência e fase
sincronizados com a rede elétrica. Injeta-se a energia excedente produzida na rede de dia e
consumimos a noite no período de não geração. A Figura 17 apresenta a configuração dos
SFCRs.
Figura 17: Configuração de um Sistema Fotovoltaico conectado à rede. Fonte: CEPEL, 2014.
2.6.3 SISTEMAS HÍBRIDOS (SFH)
O Sistema Fotovoltaico Híbrido (SFH) é conectado à rede elétrica e possui
armazenamento de energia através da utilização de baterias. Logo este sistema possui também
um controlador de carga, medidor bidirecional e um inversor híbrido. A principal vantagem
do SFH é o fornecimento ininterrupto de energia. O sistema atua como um SFCR
normalmente e quando há falha de energia elétrica e o gerador fotovoltaico fica inoperante, as
baterias fornecem a energia necessária para o consumo.
Pode ser chamado de sistema híbrido, também, àqueles em que existe mais de um tipo
de geração de energia, como grupo gerador à diesel, aerogeradores e geradores fotovoltaicos.
A complexidade operacional e de manutenção do sistema é uma questão desvantajosa
economicamente para o usuário (CEPEL, 2014).
16
3. COMPONENTES DO SISTEMA FOTOVOLTÁICO
3.1 MÓDULOS FOTOVOLTAICOS
Os módulos fotovoltaicos são unidades formadas por um conjunto de células
fotovoltaicas conectadas eletricamente e encapsuladas com finalidade de gerar energia
elétrica, ao mesmo tempo em que promove a proteção das células.
O número de células conectadas em um módulo e seu arranjo, que pode ser série e/ou
paralelo, depende da tensão de utilização e da corrente elétrica desejada. Os módulos podem
ter diferentes valores de tensão e corrente nominal, dependendo de sua aplicação.
(PROGRAMA ALTENER, 2004)
O símbolo utilizado para representar um módulo fotovoltaico em diagramas e layouts
elétricos é mostrado na figura 18.
Figura 18: Representação elétrica de módulo fotovoltaico. Fonte: SANTANA, 2014.
3.1.1 ASSOCIAÇÃO SÉRIE E PARALELO DE MÓDULOS FOTOVOLTAICOS
A conexão série é feita de maneira simples, ligando se o terminal positivo de um
módulo com o terminal negativo do outro, e assim por diante.
Nesta associação as tensões dos módulos se somam e a corrente não é afetada. Os
módulos devem ser idênticos, pois se conectando um módulo diferente, com corrente menor,
todo sistema será limitado pelo módulo de menor corrente, diminuindo a eficiência do arranjo
fotovoltaico (PINHO e GALDINO, 2014). A figura 19 mostra o aumento da tensão de acordo
com a associação série.
17
Figura 19: Curva I-V para associações de módulos fotovoltaicos em série. Fonte: CEPEL, 2014.
A conexão em paralelo é feita ligando-se os terminais positivos dos módulos entre si,
assim como os terminais negativos. Neste caso as correntes individuais dos módulos se
somam e a tensão não se altera. A figura 20 mostra o aumento da corrente de acordo com a
associação em paralelo.
Figura 20: Curva I-V para associações de módulos fotovoltaicos em paralelo. Fonte: CEPEL, 2014.
3.1.2 EFEITO DA TEMPERATURA
O aumento da temperatura ambiente proporciona uma queda na tensão gerada pelos
módulos fotovoltaicos enquanto que a corrente sofre um incremento muito pequeno que não
18
compensa a perda pela diminuição da tensão. A figura 21 ilustra o efeito da temperatura sobre
a tensão de um módulo fotovoltaico.
Figura 21: Curva I-V de um módulo fotovoltaico sob efeito de temperatura. Fonte: CEPEL, 2014.
Coeficientes de variação dos parâmetros tensão, corrente e potência pela variação da
temperatura são encontrados nas folhas de dados técnicos fornecidas pelos fabricantes dos
módulos. Sabendo se a temperatura do módulo e o coeficiente, pode se calcular os valores dos
parâmetros em determinada temperatura (CEPEL, 2014).
3.1.3 EFEITO DA IRRADIÂNCIA
A corrente elétrica do sistema fotovoltaico aumenta à medida que a irradiância solar
aumenta. A tensão do módulo não se altera significativamente. A figura 21 mostra o efeito da
irradiância na corrente gerada por um módulo fotovoltaico.
19
Figura 22: Curva I-V um módulo fotovoltaico sob efeito de irradiância. Fonte: CEPEL, 2014.
3.1.4 EFEITO SOMBREAMENTO
Segundo Pinho e Galdino (2014), o conceito de sombreamento traduz
fundamentalmente que no caso da diminuição de radiação em um conjunto de células
fotovoltaicas ligadas em série, acarretará em uma redução na corrente, essa redução será
propagada para as demais células mesmo que nelas tenha sido mantida a radiação. Contudo
este efeito, além da diminuição de potência no gerador, provoca o risco de danos ao material
da célula, com uma intensa produção de calor no local da placa com sombreamento, podendo
inclusive quebrar o vidro ou algum outro dano. Este fenômeno é conhecido como “Ponto
quente” ou “Hotspot”.
3.2 FUSÍVEIS DE PROTEÇÃO DA SÉRIE FOTOVOLTAICA
Têm como função a proteção do fluxo de corrente de um conjunto série com tensão
maior para um com tensão menor. (PROGRAMA ALTENER, 2004).
Os fusíveis devem ser para corrente contínua e apresentar alta durabilidade, apropriado
para operações em sistemas fotovoltaicos. Eles são instalados nas saídas de cada série tanto no
polo positivo quando no polo negativo.
3.3 DISJUNTORES
Os disjuntores são dispositivos utilizados para proteção contra curto circuito ou
sobrecarga. Eles são projetados para suportar uma determinada corrente elétrica, de modo que
caso ocorra um pico de corrente ou mesmo um curto circuito que eleve consideravelmente a
20
corrente acima do limite suportado por esse, o mesmo interrompe o circuito, protegendo todos
os elementos que componham esse circuito. (DGS, 2008)
Estes dispositivos atuam como chaves e podem ser usados manualmente como
seccionadores para eventuais manutenções. A figura 23 mostra um disjuntor bipolar de 16 A,
comum no mercado.
Figura 23: Disjuntor bipolar de 16ª da marca Steck. Fonte: Leroy Merlin, 2018.
3.4 DISPOSITIVO DE PROTEÇÃO CONTRA SURTOS (DPS)
Dispositivos de proteção contra surtos (DPS) são equipamentos desenvolvidos com o
objetivo de proteger o sistema de sobretensões transitórias causadas por surtos elétricos. Estes
distúrbios são normalmente causados por descargas atmosféricas, manobras de rede e
liga/desliga de motores elétricos.
Segundo ABNT (2012), os DPS devem ser instalados nos lados CC e CA do sistema
fotovoltaico que por estarem geralmente em partes externas de edifícios, residências e
construções estão sujeitos a descargas atmosféricas. A instalação elétrica do local deve se
seguir as normas da NBR 5410, para perfeita proteção do sistema fotovoltaico e de toda
instalação elétrica. A figura 24 mostra um DPS que pode ser encontrado no mercado.
21
Figura 24: DPS da marca Steck. Fonte: Steck, 2018.
3.5 INVERSOR
O inversor é o equipamento que realiza a transformação de corrente contínua gerada
pelo arranjo fotovoltaico para corrente alternada. Os inversores conhecidos como Grid-Tie ou
Grid-Conected são para SFCR, já os inversores autônomos ou Stand-alone são feitos para SFI
e existem também os inversores híbridos, para sistemas fotovoltaicos com armazenamento de
energia e conectados à rede. (CEPEL, 2014)
Os inversores para SFCRs, por serem sincronizados com a rede elétrica, possuem uma
exigência maior em relação à qualidade de seus parâmetros do que os inversores autônomos.
3.6 SISTEMA DE ATERRAMENTO
O aterramento do SF é utilizado para a proteção contra surtos e correntes de curto
circuito, que percorrem o caminho de menor impedância para terra a fim de que a energia seja
dissipada. O sistema pode utilizar o mesmo sistema de aterramento das cargas para o
aterramento do lado CC. Recomenda se, também o aterramento das estruturas metálicas dos
módulos fotovoltaicos (ABNT, 2012).
3.7 MEDIDOR BIDIRECIONAL
Em um SFCR, que é a base deste projeto, deve existir um medidor bidirecional que
deve diferenciar a energia elétrica ativa consumida da rede e a energia elétrica ativa injetada
na rede. Segundo a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL, 2016), a distribuidora é
responsável por adquirir e instalar o sistema de medição, sem custos para o acessante no caso
de microgeração distribuída, assim como pela sua operação e manutenção, incluindo os custos
de eventual substituição.
22
4. ETAPAS PRELIMINARES DE PROJETO DE UM SISTEMA FOTOVOLTAICO
O projeto de um sistema fotovoltaico, como definido pelo Programa Altener (2004),
envolve orientação dos módulos, disponibilidade de área, estética, disponibilidade do recurso
solar, demanda a ser atendida e diversos outros fatores. Através do projeto pretende-se
adequar o gerador fotovoltaico às necessidades definidas pela demanda.
É necessário fazer uma separação entre sistemas fotovoltaicos isolados da rede (SFI) e
sistemas fotovoltaicos conectados à rede (SFCR). No primeiro é fundamental estimar esta
demanda energética com precisão já que o sistema gerador visa atender a um determinado
consumo de energia elétrica. Já no segundo caso, o consumo de energia elétrica da instalação
é menos importante, pois pode ser complementado com energia da rede de distribuição.
Como o foco deste trabalho são sistemas conectados as rede (SFCR) de pequeno porte
em baixa tensão (dotados de painel fotovoltaico de algumas centenas de Wp a algumas
dezenas de kWp) para residências, não entrará nos detalhes específicos de projetos de outras
configurações de sistemas, como para sistemas isolados da rede (SFI).
Segundo CEPEL (2014) as principais etapas do projeto de um SFV são as seguintes:
1 - Levantamento adequado do recurso solar disponível no local da aplicação;
2 - Definição da localização e configuração do sistema;
3 - Levantamento adequado de demanda e consumo de energia elétrica;
4 - Dimensionamento do gerador fotovoltaico;
5 - Dimensionamento dos equipamentos de condicionamento de potência que, no caso dos
SFCRs, se restringe ao inversor para interligação com a rede;
6 - Dimensionamento do sistema de armazenamento, usualmente associado aos sistemas
isolados.
4.1 AVALIAÇÃO DO RECURSO SOLAR
Nesta fase do projeto busca-se quantificar a radiação solar global incidente sobre o
painel fotovoltaico. A forma mais comum de apresentação dos dados de radiação é através de
valores médios mensais para a energia acumulada ao longo de um dia.
23
“Como há uma forte linearidade entre a produção de energia e a irradiação solar
horária, este conceito pode ser estendido, gerando uma forma bastante conveniente de se
expressar o valor acumulado de energia solar ao longo de um dia: o número de Horas de Sol
Pleno (HSP). Esta grandeza reflete o número de horas em que a irradiância solar deve
permanecer constante e igual a 1 kW/m²(1.000 W/m²), de forma que a energia resultante seja
equivalente à energia disponibilizada pelo Sol no local em questão, acumulada ao longo de
um dado dia.
A Figura 25 ajuda na compreensão da grandeza Horas de Sol Pleno.
Figura 25: Exemplo de perfis de radiação solar diária com valores equivalentes de HSP. Fonte: PINHO et al,
2008.
4.2 LOCALIZAÇÃO
Um aspecto importante a examinar durante o processo de pré-instalação é a melhor
localização do gerador fotovoltaico. Em geral, não existem restrições quanto ao local de
instalação, pois os módulos são equipamentos desenvolvidos para resistir ao tempo (sol,
chuva, geadas etc.) durante vários anos. A integração com elementos arquitetônicos e a
presença de elementos de sombreamento ou superfícies reflexivas próximas podem afetar a
eficiência de um sistema fotovoltaico.
É recomendado pelo CEPEL (2014) que o mesmo seja instalado apenas em local com
boa incidência de radiação solar e o mais próximo possível das baterias e cargas
24
Para ter uma boa estimativa da radiação incidente no plano do painel, o projetista deve
obter informações sobre os atuais e potenciais elementos de sombreamento e superfícies
reflexivas próximas, inclusive o chão. A refletividade do chão ou outros elementos próximos
também pode contribuir para a radiação global incidente sobre o painel. Por isso, alguns
programas de dimensionamento permitem incorporar um modelamento 3D dos prédios e
objetos vizinhos na simulação do desempenho do sistema, trazendo para o dimensionamento
elementos da posição efetiva dos painéis.
4.2.1 ORIENTAÇÃO E INCLINAÇÃO DO GERADOR FOTOVOLTAICO
Aspectos como inclinação e orientação azimutal do painel passam a ser bastante
relevantes em instalações urbanas, assim como aspectos estéticos, a resistência mecânica do
telhado e do prédio e o efeito dos ventos também são elementos importantes na escolha do
local de instalação do painel fotovoltaico.
Para maximizar a captação de energia ao longo do ano, as duas condições descritas a
seguir devem ser observadas. (CEPEL, 2014)
Orientação
Em geral, para uma operação adequada e eficiente, os módulos devem estar orientados
em direção à linha do equador. Nas instalações localizadas no hemisfério Sul, a face dos
módulos fotovoltaicos deve estar orientada em direção ao Norte Verdadeiro, como indicado
na Figura 26.
Figura 26: Orientação da face dos módulos fotovoltaicos para o norte verdadeiro em um dado local no
hemisfério Sul (ângulo azimutal de superfície igual a 180º). Fonte: CEPEL, 2014.
25
Na maioria dos locais, a direção do Norte Verdadeiro não coincide com a do Norte
Magnético indicado pela bússola, necessitando ser feita, então, a correção do referencial
magnético. Para tal, usa-se a Declinação Magnética do local de instalação, a qual pode ser
obtida facilmente através de mapas e programas computacionais disponibilizados por vários
organismos.
O Observatório Nacional, instituto de pesquisa vinculado ao Ministério da Ciência,
Tecnologia e Inovação, por exemplo, disponibiliza em sua homepage um mapa da declinação
magnética sobre o território brasileiro para download, além de um software para sua
determinação, bastando conhecer as coordenadas geográficas do local.
Inclinação
Para geração máxima de energia ao longo do ano, o ângulo de inclinação do gerador
fotovoltaico (Figura 27) deve ser igual à latitude do local onde o sistema será instalado. No
entanto, pequenas variações na inclinação não resultam em grandes mudanças na energia
gerada anualmente e a inclinação do gerador fotovoltaico pode estar dentro de 10º em torno
da latitude do local (CEPEL, 2014).
Para áreas muito próximas ao equador, com latitudes variando entre –10º e +10º,
aconselha-se uma inclinação mínima de 10º (CEPEL, 2014), para favorecer a autolimpeza dos
módulos pela ação da água da chuva. Em locais com muita poeira é necessário limpar
regularmente a superfície dos módulos, uma vez que a sujeira reduz a captação de luz pelos
módulos, consequentemente reduzindo o seu desempenho. Entretanto, deve-se utilizar apenas
água e um pano de tecido macio para não danificar o vidro ou qualquer outro material de
cobertura do módulo.
26
Figura 27: Ângulo de inclinação dos módulos fotovoltaicos. Fonte: CEPEL, 2014.
4.3 ESCOLHA DA CONFIGURAÇÃO
A escolha baseia-se nas características da carga e na disponibilidade de recursos
energéticos, que levam a escolha da configuração para o sistema, sendo as mais comuns:
sistemas isolados ou conectados à rede, c.a. ou c.c., com ou sem armazenamento etc.
4.4 LEVANTAMENTO DA DEMANDA E DO CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA
A maneira mais tradicional para determinar a demanda de uma unidade consumidora é
somar as energias consumidas por cada equipamento. Isto é geralmente feito em uma planilha,
onde estão listados os equipamentos, sua potência elétrica, o tempo diário de funcionamento e
os dias de utilização por semana, para que se disponha de dados diários de energia consumida,
em Wh/dia. Esta estimativa pode ser realizada em média semanal, obtendo-se um valor médio
de energia elétrica consumida por dia.
Para calcular o consumo médio de energia (kWh) de um equipamento de acordo com o
seu hábito de uso, deve-se procurar a potência do aparelho no catálogo ou manual do
fabricante e a multiplicar pela média de horas diárias de uso e pela média de dias de utilização
desse aparelho.
Outro método também muito utilizado consiste em levantar o consumo médio diário
anual da edificação (Wh/dia) descontado o valor da disponibilidade mínima de energia. Este
dado pode ser calculado pelo histórico de faturas mensais de consumo de energia elétrica.
Esse método é o que foi implementado no exemplo prático deste trabalho.
27
4.5 DIMENSIONAMENTO DO GERADOR FOTOVOLTAICO
No Sistema de Compensação de Energia adotado pelo Brasil (Resolução Normativa
ANEEL 482/2012), quando o SFV gerar mais energia do que a demandada pela instalação
consumidora, a energia excedente é entregue à rede elétrica e o medidor registra essa energia.
O contrário ocorre quando a edificação consome mais energia do que a gerada pelo sistema
FV, fazendo com que, neste caso, o medidor registre o fluxo em seu sentido convencional. No
fim do mês se o consumidor gerou mais energia elétrica que a consumida, a distribuidora
disponibilizará um crédito energético referente ao excedente, que será compensado nas faturas
subsequentes, em um prazo de até 36 meses. Caso existam postos tarifários (bandeiras
tarifárias), o crédito da energia ativa injetada levará em conta a tarifa de energia do horário de
injeção. Em virtude deste sistema de compensação de energia, pode não ser interessante que o
sistema FV gere, ao longo do ano, mais energia do que a consumida pela unidade
consumidora-geradora.
Ressalta-se que no caso em que a energia gerada é maior que a consumida, a
distribuidora cobrará, no mínimo, o valor referente ao custo de disponibilidade para o
consumidor do grupo B (baixa tensão).
A potência de um microgerador que compõe um SFCR pode ser calculada pela
Equação 4 (CEPEL, 2014), onde se pode escolher uma fração da demanda de energia elétrica
consumida que se pretende suprir com o SFCR.
(1)
Onde:
PFV (Wp) - Potência de pico do painel FV;
E (Wh/dia) - Consumo diário médio anual da edificação ou fração deste;
HSPMA (h) - Média diária anual das HSP incidente no plano do painel FV;
TD (adimensional) - Taxa de desempenho.
O desempenho de um SFV é tipicamente medido pela Taxa de Desempenho (PR -
Performance Ratio), que é definida como a relação entre o desempenho real do sistema sobre
o desempenho máximo teórico possível. Sendo que o desempenho real do sistema pode ser
28
afetado por perdas de queda de tensão devido à resistência de conectores e cabeamento,
sujeira na superfície do painel, sombreamento, eficiência do inversor, carregamento do
inversor, descasamento (mismatch) entre módulos de mesmo modelo (diferenças entre as suas
potências máximas), temperatura operacional, dentre outras. Para SFCRs residenciais, bem
ventilados e não sombreados, uma TD entre 70 e 80 % pode ser obtida nas condições de
radiação solar encontradas no Brasil. (PINHO et al. 2008)
Após o dimensionamento do gerador FV, deve-se avaliar qual tecnologia melhor
atende ao projeto, levando-se em conta o custo da energia gerada pelo sistema, as vantagens
arquitetônicas e elétricas de cada tecnologia, a credibilidade da empresa, a garantia dos
módulos (20 a 25 anos), parâmetros elétricos e eficiência.
Como descrito por DGS (2008), o gerador FV impõe uma carga mecânica na cobertura
à qual está fixado, sendo esta carga o somatório do peso de todos os componentes do gerador
FV. A Figura 28 mostra a carga que três tipos distintos de módulos FV impõem a uma
cobertura. Recomenda-se que a verificação de uma cobertura que irá receber um SFCR seja
realizada por um engenheiro civil habilitado em análise estrutural.
Figura 28: Exemplos de cargas mecânicas impostas por três módulos FV distintos Fonte: DGS, 2008.
29
4.6 DIMENSIONAMENTO DO INVERSOR
O dimensionamento de um inversor depende da potência do gerador FV e tecnologia e
características elétricas do módulo escolhido para compor o gerador. A seleção por um
fabricante de inversores deve levar em consideração a credibilidade da empresa no que diz
respeito à garantia do equipamento (tipicamente cinco a dez anos), assim como sua
capacidade produzida acumulada e assistência técnica no território brasileiro.
O Fator de Dimensionamento de Inversores (FDI) representa a relação entre a potência
nominal c.a. do inversor e a potência de pico do gerador FV. A potência do gerador FV e do
inversor devem ser ajustadas de modo que o FDI do inversor tenha a melhor relação
custo/benefício. A literatura mostra que os valores inferiores de FDI recomendados por
fabricantes e instaladores situam-se na faixa de 0,75 a 0,85, enquanto que o limite superior é
de 1,05 (CEPEL, 2014).
A tensão de entrada do inversor é a soma das tensões dos módulos associados em
série. Como a tensão possui forte dependência da temperatura, as condições extremas de
inverno e verão deverão ser utilizadas no dimensionamento. A máxima tensão de entrada
nunca deve ser ultrapassada, sendo este um dos maiores riscos de se danificar o equipamento.
(CEPEL, 2014).
Observar ainda se o fabricante indica o número máximo de séries fotovoltaicas em
paralelo que pode ser utilizada.
4.7 FERRAMENTAS COMPUTACIONAIS PARA PROJETO DE SISTEMAS
FOTOVOLTAICOS
As ferramentas computacionais disponíveis podem ser divididas segundo Programa
Altener (2004) em diversas classes, e para cada uma dessas classes existe uma ampla oferta de
programas livres ou proprietários, que podem ser escolhidas em função das particularidades
do projeto. Os softwares de projeto de sistemas fotovoltaicos podem ser aplicados para:
a) Análise de viabilidade: Dão uma indicação da viabilidade técnica e econômica do
projeto.
b) Dimensionamento: Auxiliam na escolha dos componentes e configuração do sistema,
indicam a melhor orientação dos painéis, dentre outras funções.
30
c) Simulação de operação: A partir da definição da configuração e equipamentos
escolhidos, permite a simulação da operação do sistema, dando ideia de variações
sazonais, por exemplo.
d) Localização: Permitam a análise da incidência da radiação solar e sombreamento sobre o
gerador fotovoltaico.
e) Monitoramento e controle: Os programas de monitoramento e controle permitem a
análise das informações provenientes da planta monitorada e a aplicação de eventuais
ações preventivas, corretivas ou de otimização da operação.
f) Curvas de Carga: Programas auxiliares podem ser utilizados para uma composição da
curva de carga.
g) Cabeamento: Em função das características das correntes, dos condutores, dos circuitos
elétricos e do nível admissível de perdas, esses programas auxiliam na escolha da seção
milimétrica dos condutores.
h) Dados meteorológicos: Esses programas podem auxiliar na escolha da orientação do
painel.
Existem inúmeras ferramentas específicas para dimensionamento e/ou simulação de
sistemas fotovoltaicos disponíveis no mercado e em instituições de ensino e pesquisa que
ajudam a automatizar o processo de cálculo, tornando-os mais precisos e, dessa forma,
auxiliar o projetista.
A seguir são descritas sucintamente algumas ferramentas computacionais utilizadas
para elaboração de projetos fotovoltaicos.
4.7.1 HOMER
Lilienthal et al (1995) caracteriza o programa Hybrid Optimization Model for Electric
Renewable (Homer) desenvolvido nos EUA, no National Renewable Energy Laboratory
(NREL), com a capacidade de simular sistemas conectados à rede, isolados ou híbridos,
combinando diferentes tipos de geração: eólica, biogás, microturbinas, células a combustível,
etc. O Homer é muito utilizado por projetistas no Brasil para simulações de sistemas isolados
pois apresenta uma interface amigável com o usuário.
O Homer possui descrições de modelos simplificados de sistemas, realiza cálculos em
base de tempo horária para centenas de configurações, apresentando-os de acordo com o
31
custo. Permite a otimização de parâmetros técnicos específicos, assim como resultados
detalhados de cada configuração. Entre os resultados, o Homer apresenta gráficos de estado
de carga das baterias, tensão, energia produzida e consumida etc. ao longo do tempo de
simulação.
O programa inclui os dados climatológicos de 239 localidades nos EUA, podendo-se
também inserir os valores médios mensais de irradiância obtidos de outras fontes.
4.7.2 HYBRID2
Manwell ei al (2006) cita como a função principal deste programa é a simulação
detalhada de sistemas isolados híbridos, com um refinado sistema e diversas opções de
propriedades.
A simulação pode ser feita em base horária ou minuto a minuto. Possui uma base de
dados que contém 150 tipos de geradores eólicos, módulos fotovoltaicos, baterias e geradores
a diesel.
Suas principais desvantagens são: interface pouco amigável, dificuldade na
modelagem dos equipamentos, instabilidade do programa em função dos dados de entrada, e;
não há equipe de suporte do programa.
4.7.3 RETSCREEN
O RetScreen é um programa de análise para projetos de energias renováveis
desenvolvido como planilha de cálculo no programa Excel da Microsoft, pelo Minister of
Natural Resources do Canadá. É um aplicativo de dimensionamento de sistemas. Este
programa engloba as áreas: fotovoltaica, eólica, pequenas centrais hidrelétricas, aquecimento
solar de ar e água, biomassa e bombas geotérmicas, como descrito por Thevenard (2000).
O software RETScreen é utilizado para a realização de estudos preliminares. Na área
fotovoltaica, pode determinar para os três tipos básicos de aplicações (sistemas conectados à
rede, sistemas isolados e bombeamento de água) os custos de produção de energia e redução
de gases emitidos. Configurações de sistemas híbridos simples também podem ser avaliadas.
Possui base de dados de radiação para mais de 1.000 localidades no mundo, assim como
dados de irradiância para localidades remotas, através de informação de satélites. ,
32
Este será o programa utilizado posteriormente no estudo de caso.
4.7.4 PV- DESIGN PRO
O programa PV- Design Pro foi desenvolvido pela empresa Maui Solar Energy
Software Corporation; permite a simulação de sistemas fotovoltaicos isolados, sistemas
conectados à rede e sistemas para bombeamento. Contém uma base de dados de radiação solar
abrangendo mais de 2.000 lugares no mundo inteiro. Apresenta base de dados com
informação sobre inversores, baterias e módulos. (PVD PRO, 2000)
4.7.5 PV-SOL
O programa PV-Sol Pro, desenvolvido pela empresa Di Valentin Energy Software, é
utilizado para a análise e simulação de sistemas isolados e conectados à rede. Permite estudar
a configuração de vários geradores e possui uma ampla base de dados de módulos, baterias,
inversores e grupos geradores. Permite também a criação de diferentes perfis de carga e
possui um gerador de sombras. (VALENTIN, 2018)
4.7.6 PVSYST
O PVSyst foi desenvolvido inicialmente pela Universidade de Genebra (Suíça) e é
comercializado atualmente pela companhia PVSyst SA. Permite ao usuário trabalhar em
diferentes níveis de complexidade, desde um estágio inicial de representação até um detalhado
sistema de simulação. Apresenta também uma ferramenta adicional, tridimensional, que leva
em conta objetos que possam projetar sombras. (MERMOUD, 2012)
O programa possui uma base de dados de irradiação de 22 localidades na Suíça e de
200 localidades do resto do mundo. Possui uma ampla base de dados de módulos e inversores.
O programa apresenta as perdas do sistema fotovoltaico e a sua taxa de desempenho. É
especialmente utilizado para SFCRs.
Se o usuário adicionar o custo de cada componente à base de dados existente, o
programa pode projetar os custos de produção de energia em adição a uma série de
parâmetros técnicos, fornecidos no fim da simulação.
33
4.7.7 SOLEM
SolEm é um programa que permite simular sistemas fotovoltaicos com base de tempo
horária, baseado numa planilha Excel, e permite uma análise detalhada de SFCRs. Como
emprega um código aberto, o usuário pode adaptá-lo às suas necessidades. Possui um editor
de sombras para diferentes porcentagens de sombreamento nos vários meses do ano e para
distintos ângulos. Contém uma base de dados para localidades de países europeus e também
inclui uma interface para importar dados de outros programas. (PROGRAMA ALTENER,
2004)
4.7.8 PVSIZE
Desenvolvido na Universidade Federal do Rio Grande do Sul, é um programa de
simulação de SFIs, com base horária, cuja versão mais recente permite inserir envelhecimento
das baterias ao longo dos anos, e apresenta gráficos de estado de carga das baterias e tensão
ao longo do tempo, dentre outros resultados. (DIAS, 2006)
A Figura 29 mostra o endereço eletrônico para a localização na internet dos programas
citados.
Legenda:
S/I- Sem informação.
Idioma: I: Inglês, A: Alemão, E: Espanhol, F: Francês, J: Japonês, P: Português.
Intervalo de tempo: A: ano, M: mês, S: semana, D: dia, H: hora.
Foco do programa: SFI: sistema fotovoltaico isolado, SFCR: sistema fotovoltaico conectado à rede, SFH:
sistema híbrido, SBFV: sistemas de bombeamento fotovoltaico, ST: sistemas térmicos em geral, SFV: sistemas
fotovoltaicos em geral.
Base de dados de componentes: M: módulos fotovoltaicos, G: irradiância e temperatura, B: bateria, I: inversor
FV,CC: controlador de carga, C: consumo, E: gerador eólico, D: gerador diesel, CS: coletores solares, BM:
biomassa,A: gerador hidráulico, EA: energia auxiliar.
34
Figura 29: Principais características dos programas pesquisados e suas respectivas páginas na internet. Fonte:
CEPEL, (2014).
35
5. INSTALAÇÃO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS E RECOMENDAÇÕES DE
SEGURANÇA
Segundo (CEPEL, 2014) as principais falhas em sistemas fotovoltaicos (SFCR)
ocorrem por problemas na instalação e erros de projeto. Isso indica que para um bom
resultado não são suficientes apenas um bom dimensionamento e a especificação de
equipamentos de qualidade, mas sim, o bom gerenciamento da qualidade do projeto e da
instalação como um todo; por isso é fundamental critérios e especificações bem definidos para
todas as etapas do processo.
A instalação de um SFV pode envolver a integração de vários profissionais como
carpinteiro e pedreiro, para construção ou adaptação da fundação e estrutura de suporte para
os equipamentos, e eletricista, para instalação dos vários componentes do sistema. Estes
devem ser supervisionados por um profissional qualificado em Energia Solar Fotovoltaica,
adequadamente treinado e com comprovada experiência, garantindo que a instalação ocorra
de forma correta e sem riscos, com o devido cumprimento das normas técnicas aplicáveis.
O processo de instalação pode ser dividido nas fases de pré-instalação e instalação. Na
fase de pré-instalação faz-se o dimensionamento e seleção de acessórios (suportes,
cabeamento, terminais etc.), configuração (layout) do local, pré-montagem e estimativas de
tempo. A instalação propriamente dita envolve a montagem e o comissionamento (inspeções e
testes) do SFV, que devem ser realizados no local definitivo, de forma rápida, eficiente e
segura. (PROGRAMA ALTENER, 2004)
A instalação de um sistema conectado à rede deve seguir a norma específica da
concessionária local de distribuição de energia elétrica, que de acordo com o Procedimentos
de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional (PRODIST) deve estar
acessível na página da empresa na internet, em um processo que se inicia pela solicitação de
acesso.
As Figuras 30 e 31, extraídas do PRODIST (2012), dão uma ideia das condicionantes
impostas aos projetos de sistemas conectados à rede. Cabe lembrar que no caso da
microgeração, muitos inversores comerciais já possuem incorporadas algumas das proteções
listadas na Figura 31.
36
Figura 30: Níveis de tensão considerados para conexão de micro e minicentrais geradoras. Fonte: PRODIST,
2012.
Figura 31: Requisitos mínimos em função da potência instalada. Fonte: PRODIST, 2012.
Notas:
(1) Chave seccionadora visível e acessível, que a acessada usa para garantir a desconexão da central geradora
durante manutenção em seu sistema.
(2) Elemento de interrupção automático acionado por proteção, para microgeradores distribuídos e por comando
e/ou proteção, para minigeradores distribuídos.
(3) Não é necessário relé de proteção específico, mas um sistema eletro-eletrônico que detecte tais anomalias e
que produza uma saída capaz de operar na lógica de atuação do elemento de interrupção.
37
(4) Se a norma da distribuidora indicar a necessidade de realização de estudo de curto-circuito caberá à acessada
a responsabilidade pela sua execução.
(5) O acessante deve apresentar certificados (nacionais ou internacionais) ou declaração do fabricante que os
equipamentos foram ensaiados conforme normas técnicas brasileiras, ou, na sua ausência, normas internacionais.
(6) O sistema de medição bidirecional deve, no mínimo, diferenciar a energia elétrica ativa consumida da energia
elétrica ativa injetada na rede.
5.1 RECOMENDAÇÕES GERAIS SOBRE SEGURANÇA
As Figuras 32 e 33 apresentam, respectivamente, as principais normas brasileiras e
internacionais recomendadas para consulta no processo de instalação dos SFVs, de acordo
com a configuração do sistema.
38
39
Figura 32: Normas nacionais recomendadas para consulta. Fonte: (CEPEL, 2014)
Figura 33: Normas internacionais recomendadas para consulta. Fonte: CEPEL, 2014.
40
Deve-se também seguir os procedimentos de instalação e operação contidos nos manuais
técnicos dos equipamentos. A seguir, são apresentadas algumas sugestões (CEPEL, 2014)
gerais de segurança na instalação adequada dos SFVs:
a) Estabelecer e fazer cumprir os procedimentos de segurança de pessoas e dos
equipamentos, conforme as normas técnicas vigentes.
b) Seguir os códigos locais para instalações elétricas, caso existam.
c) Para os SFCR, seguir as normas de conexão dos sistemas à rede elétrica elaboradas pelas
concessionárias locais de distribuição.
d) Restringir o acesso à área de trabalho.
e) Nos ambientes onde os equipamentos forem instalados, afixar placas de advertência
quanto ao perigo de choque elétrico (Figura 34) e restrição de acesso por pessoas não
autorizadas (Figura 35). Para sistemas fotovoltaicos conectados à rede, recomenda-se,
ainda, instalar próximo ao padrão de entrada de energia uma placa de advertência quanto
ao risco de choque elétrico devido à geração própria (Figura 36).
f) Manter permanentemente fechada a porta de acesso aos ambientes onde forem instalados
os controles, equipamentos de condicionamento de potência, instrumentos de medição e
baterias.
g) Realizar o aterramento elétrico das instalações, dos equipamentos e das estruturas
metálicas.
h) Instalar dispositivos de proteção elétrica adequados para equipamentos e para o ser
humano.
i) Cobrir o gerador fotovoltaico com uma manta ou uma cobertura opaca, quando possível,
ao se trabalhar no sistema, para reduzir o risco de um choque elétrico ou curto-circuito.
j) Disponibilizar manuais básicos de segurança, operação e manutenção aos usuários do
sistema.
k) Fixar, em local visível, instruções para desconectar a energia do equipamento antes da
realização de serviços de manutenção, e para sua reconexão após o término desses
serviços.
l) Em microssistemas, disponibilizar na edificação onde ficam os equipamentos de
condicionamento de potência e de controle e baterias, equipamento de proteção individual
(EPI) para manipulação de baterias e extintor de incêndio adequado.
m) Retirar todos os objetos pessoais metálicos antes dos trabalhos em instalações elétricas.
41
Figura 34: Exemplo de placa de advertência de risco de choque elétrico. Fonte: CEPEL, 2014.
Figura 35: Exemplo de placa de advertência de acesso restrito. Fonte: CEPEL, 2014.
Figura 36: Exemplo de placa de advertência de risco de choque elétrico devido à geração própria de sistemas
conectados à rede. Fonte: CEPEL, 2014.
Vale ressaltar que apesar da baixa tensão dos módulos fotovoltaicos, a conexão de
vários em série ou o erro de uma conexão podem apresentar níveis de tensão e corrente
perigosos a saúde humana.
5.2 MÓDULOS FOTOVOLTAICOS
5.2.1 RECOMENDAÇÕES SOBRE SEGURANÇA NO MANUSEIO E
INSTALAÇÃO DE MÓDULOS FOTOVOLTAICOS
A fim de minimizar os riscos potenciais a pessoas e equipamentos sugere-se consultar
os manuais dos módulos fotovoltaicos e as normas apresentadas nas Tabelas 6 e 7 antes do
manuseio e instalação desses módulos.
A seguir, são apresentadas algumas sugestões (CEPEL, 2014) de segurança para o
trabalho apropriado e seguro com os módulos:
42
a) Remover quaisquer joias ou adereços do pescoço, mãos e pulsos antes do trabalho.
b) Vestir roupas e usar equipamentos de proteção adequados ao trabalho e em bom estado de
conservação (camisa, calça, cinto de segurança, capacete, máscara, luvas, calçado, entre
outros).
c) Sempre usar ferramentas adequadas, secas e com cabos isolados, para montar o gerador
fotovoltaico.
d) Utilizar equipamentos de teste e medição de grandezas elétricas (por exemplo, um
multímetro) para conferência da montagem.
e) Não trabalhar sozinho, tendo sempre alguém por perto, que possa auxiliar na atividade e,
principalmente, em caso de acidentes.
f) Durante a realização das conexões elétricas, impedir que a radiação solar incida sobre o
gerador fotovoltaico. Para isso, deve-se cobri-lo com uma manta ou outra cobertura opaca.
g) Descarregar a eletricidade estática do corpo, tocando um condutor aterrado antes de tocar
os terminais dos módulos, especialmente em locais e dias de clima seco.
h) Fazer as conexões elétricas respeitando sempre a polaridade e as instruções do fabricante.
i) Evitar contatos indesejados de pessoas, animais ou outros objetos com o módulo. Apesar
da relativa rigidez de sua estrutura, choques mecânicos podem resultar em danos ao vidro
de proteção e até mesmo às células fotovoltaicas.
j) Instalar uma cerca ao redor do gerador fotovoltaico, caso o local onde ele esteja situado
possa ser facilmente acessado por pessoas não autorizadas ou animais.
5.2.2 MONTAGEM DA ESTRUTURA DE SUPORTE DOS MÓDULOS
A estrutura de suporte dos módulos fotovoltaicos tem como função posicioná-los de
maneira estável, assegurando a ventilação adequada, permitindo dissipar o calor. Isto é
importante porque a eficiência dos módulos diminui com a elevação da temperatura. Deve
ainda garantir o distanciamento entre módulos, conforme indicação do fabricante, para evitar
danos mecânicos aos mesmos (PROGRAMA ALTENER, 2004).
Em qualquer caso, o suporte é uma estrutura concebida especialmente para se adaptar
ao terreno ou à estrutura do prédio, às características dos módulos e à estratégia de ajuste de
inclinação e orientação. Os módulos fotovoltaicos devem ser montados sobre esta estrutura
que deve ser rígida e dar a orientação e o ângulo de inclinação necessários, a fim de assegurar
a máxima captação da luz solar, e dar ao conjunto rigidez mecânica suficiente para suportar o
peso dos módulos e dos ventos fortes. Além disso, a estrutura de suporte deve estar
43
eletricamente aterrada e ser fabricada com materiais menos suscetíveis a corrosão,
especialmente em locais com condições ambientais agressivas. A Figura 37 apresenta um
exemplo de estrutura de suporte para os módulos, sem ajuste azimutal.
Figura 37: Exemplo de uma estrutura de sustentação de módulos fotovoltaicos. Fonte: SOLARWORLD, 2013.
A Figura 38 mostra as formas usuais de instalação dos módulos fotovoltaicos, cujas
vantagens e desvantagens são destacadas na Figura 39.
Figura 38: Formas usuais de instalação de módulos fotovoltaicos: (1) Solo, (2) Poste, (3) Fachada, (4) Telhado.
Fonte: CEPEL, 2014.
44
Figura 39: Vantagens e desvantagens das diferentes formas de instalação. Fonte: PINHO et al., 2008.
Em sistemas residenciais de pequeno porte, os módulos fotovoltaicos são usualmente
instalados sobre o telhado quando a casa possui resistência estrutural adequada. Quando o
telhado não recebe radiação solar suficiente ou não suporta a instalação do painel, este pode
ser instalado na parte superior de um poste, colocado ao lado da casa (RÜTHER, 2004).
Alguns exemplos de fixação de módulos de pequeno porte em residências são
mostrados nas Figuras 40 e 41. O destaque desses suportes deve-se à sua simplicidade (com
consequente redução de gastos com material), leveza, facilidade de instalação e aplicabilidade
aos diversos tipos de construções encontrados no Brasil (alvenaria, madeira, taipa etc.).
45
Figura 40: Sistema fotovoltaico residencial instalado em localidade isolada do Rio Grande do Sul. Fonte:
IDEAAS, 2012.
Figura 41: Detalhe de sistema de fixação em parede de residência. Fonte: IDEAAS, 2012.
Neste tipo de sistema, a fixação se dá através de conjuntos abraçadeira/batente
afixados na parede de forma a comprimi-la (CEPEL, 2014). Outro fator importante é que ele
permite ao usuário um ajuste semestral do posicionamento do módulo, o que pode resultar em
ganhos significativos de energia em localidades situadas próximo à linha do Equador. Para
tanto, basta que o usuário gire o poste (tubo) duas vezes durante o ano, colocando o sistema
na posição adequada.
46
A instalação de geradores fotovoltaicos no solo exige a escolha e o projeto do tipo de
fundação mais adequado. A fundação tem por objetivo manter a orientação adequada da
estrutura de suporte do gerador fotovoltaico com relação ao sol e evitar danos ao conjunto
durante ventos fortes (CEPEL, 2014). Ao se escolher a fundação mais indicada para a
montagem de um gerador, deve-se considerar fatores como o acesso ao local, condições
climáticas extremas, a topografia, as propriedades do solo, o código de obras local e a
disponibilidade de mão de obra, dentre outros fatores (CEPEL, 2014). Os tipos mais comuns
de fundações utilizadas pelos SFVs são apresentados na Figura 42 e descritos em seguida.
Figura 42: Principais tipos de fundações utilizadas. Fonte: CEPEL, 2014.
A fundação tipo laje requer um grande volume de concreto e um terreno relativamente
plano. A laje pode ser feita no local ou podem ser transportadas lajes pré-fabricadas até a
obra. Este tipo de fundação não é compatível com terrenos muito acidentados, devido à
escavação que seria necessária antes de executar a fundação (CEPEL, 2014).
A fundação tipo bloco é mais apropriada para terrenos acidentados e locais remotos,
porque é relativamente leve e transportável e pode ser pré-fabricada nos locais onde se
disponha de cimento e de equipamentos apropriados. É necessária pouca escavação e os
blocos podem ser posicionados com razoável facilidade, minimizando os problemas de
alinhamento. Os blocos devem ser montados com armaduras e todas as cavidades devem ser
completamente preenchidas com concreto ou argamassa (CEPEL, 2014).
47
A fundação tipo viga é um meio termo entre os tipos laje e bloco. É adequada para
terrenos ondulados e proporciona um fácil alinhamento entre os geradores fotovoltaicos
adjacentes. A viga pode ser executada com cimento, peças de madeira ou outros materiais que
possuam o formato adequado para as vigas (CEPEL, 2014).
Não há nenhuma fundação que seja aplicável a todas as situações, uma delas
geralmente será mais adequada a uma aplicação particular.
O peso da fundação, que depende do carregamento esperado para o gerador
fotovoltaico e do tipo de solo, deve ser determinado como parte do projeto. O carregamento
do gerador inclui a força do vento empurrando-o ou arrancando-o dos apoios, além do peso
próprio dos módulos. Deve-se projetar a fundação para suportar o gerador durante a condição
de pior carregamento.
A Figura 43 apresenta a instalação com fixação da estrutura no solo com blocos de
cimento.
Figura 43: Fixação da estrutura no solo com fundação tipo bloco de cimento
Em alguns casos, devido ao elevado custo de obras civis com as fundações e aos
fracos ventos típicos do local, pode-se optar pela instalação com fixação direta da estrutura de
suporte no solo, conforme mostra a Figura 44. Os pilares de suporte devem ter uma parte
enterrada no solo cujo comprimento seja adequado à estabilidade da estrutura (CEPEL, 2014).
48
Figura 44: Fixação da estrutura diretamente no solo.
5.3 INSTALAÇÃO DOS COMPONENTES DE CONDICIONAMENTO DE
POTÊNCIA
Os controladores de carga, inversores e conversores podem ser instalados diretamente
nas paredes como exemplos da Figura 48.
Para facilitar a instalação, pode-se fazer a pré-montagem dos componentes de
condicionamento e das proteções em painéis ou em caixas específicas para este fim (Figura
45), que posteriormente são presos a parede ou colocados sobre suportes na edificação.
Figura 45: Exemplos de controladores de carga e inversores instalados na parede da sala de controle.
49
Figura 46: Exemplo de controladores de carga e inversor instalados dentro de uma caixa
Os componentes de condicionamento de potência devem ser instalados em local seco,
sombreado e ventilado, o próximo do gerador fotovoltaico, e que permita acesso fácil para
manutenção, pois umidade e temperatura elevadas reduzem a vida útil dos dispositivos
eletrônicos (ANEEL, 2016). As caixas, quando utilizadas, devem ser lacradas, sem, no
entanto, impossibilitar a ventilação dos equipamentos, conforme indicado pelos fabricantes.
Caso o local da instalação seja propício a altas temperaturas ambientes e alta umidade
relativa do ar deve-se cuidar para que os componentes selecionados sejam resistentes a essas
condições e possuam baixa dissipação de calor. A especificação dos componentes deve
indicar qual a umidade e temperaturas máximas de operação dos equipamentos. Há inversores
onde o circuito eletrônico fica encapsulado e a troca de calor se dá por parede metálica. Em
outros casos, há necessidade de se revestir o circuito eletrônico com resina para evitar
prejuízos pela umidade e pela corrosão. (CEPEL, 2014)
A ventilação adequada é um item muito importante, especialmente nesses locais
quentes. Entretanto não se aconselha a utilização de ventilação forçada (ventiladores), já que
qualquer dispositivo com partes móveis é mais propenso a falhas e requer maior manutenção.
Desta forma, a especificação deve ter um bom projeto para ventilação natural (ventilação
cruzada, por exemplo).
Em ambientes agressivos (próximo ao mar, por exemplo), deve-se instalar os
componentes dentro de caixas resistentes a corrosão e realizar a vedação total, a fim de
reduzir a oxidação dos dispositivos eletrônicos. Ao mesmo tempo, tem de se garantir que a
50
temperatura no interior da caixa permaneça condizente com a temperatura de operação dos
equipamentos. (ABNT, 2004)
Os componentes de condicionamento de potência não devem ser instalados no mesmo
compartimento que as baterias, pois estas podem produzir um ambiente corrosivo (líquidos e
gases) que acompanhado de possíveis centelhas dos dispositivos eletroeletrônicos podem
causar explosões.
No caso dos inversores, a instalação depende primariamente das características do
equipamento, alguns são bem simples, bastando realizar a conexão da carga c.a. e da
alimentação c.c. em seus respectivos terminais, e depois acionar uma chave liga/desliga.
Outros são mais complexos, necessitando executar uma série de ajustes em sua configuração.
(CEPEL, 2014)
5.4 INSTALAÇÃO DOS COMPONENTES DE PROTEÇÃO
Em SFVs os principais componentes utilizados para proteger pessoas e equipamentos
são os disjuntores, as chaves, os fusíveis e os dispositivos de proteção contra surtos (DPS). As
Tabelas 47 e 48 ilustra, alguns modelos desses componentes, além de descrever sua função
geral e as recomendações de instalação.
Figura 47: Componentes de Proteção (chaves, disjuntores e DPS). Fonte: CEPEL, 2014.
51
Os componentes de proteção dos SFVs devem ser selecionados em função dos valores
máximos permitidos de tensão e corrente em cada trecho do circuito (NBR 5410:2004). A
corrente do gerador fotovoltaico é limitada pela corrente de curto-circuito na condição de
maior irradiância. No entanto, para se especificar os componentes instalados entre o gerador e
o controlador de carga ou inversor, utiliza-se normalmente um fator multiplicativo de
segurança de 1,25 (ABNT, 2004).
Figura 48: Fusíveis de proteção. Fonte: CEPEL, 2014.
Chaves e fusíveis podem estar combinados em um único módulo, conforme mostra a
Figura 49.
Figura 49: Exemplo de uma chave fusível NH disponível comercialmente. Fonte: STECK, 2018.
52
A proteção elétrica dos SFVs é composta também pelo sistema de proteção contra
descargas atmosféricas (SPDA), visto que geradores fotovoltaicos são normalmente instalados
em área aberta, sujeita a descargas atmosféricas diretas ou indiretas. Para instalação do SPDA,
deve-se consultar a NBR 5419:2005.
5.5 ATERRAMENTO
A norma ABNT NBR 5410:2004 trata do aterramento de sistemas elétricos de baixa
tensão. O aterramento é a ligação intencional de estruturas ou instalações com a terra, visando
garantir o funcionamento correto da instalação e, principalmente, proporcionar um caminho
preferencial às correntes elétricas indesejáveis de surto, falta ou fuga, de forma a evitar riscos
para as pessoas e os equipamentos. (ABNT, 2004)
O grande desafio no dimensionamento de um sistema de aterramento encontra-se no
fato de que sua eficiência depende das características do solo e do seu grau de umidade. O
parâmetro de interesse para o dimensionamento de um sistema de aterramento é denominado
resistividade do solo, cuja medição não é simples e que devido aos custos elevados fica
inviável determina-los em projetos de pequena escala.
Em SFCRs, é necessário fazer-se o aterramento de proteção dos equipamentos
(conexão da carcaça condutora ao terra) e o aterramento funcional do sistema (conexão do
circuito elétrico ao terra, através do condutor neutro, no lado c.a.). O aterramento do lado c.c.
depende da tecnologia de módulo ou de inversor utilizada. As tecnologias de filme fino
devem ter uma das polaridades aterradas, já as de silício cristalino, em geral, ficam em
flutuação; normalmente inversores sem transformadores não podem ser aterrados. Regra geral
é que se deve sempre consultar o manual do equipamento para verificar o procedimento
recomendado pelo fabricante, sistema TT ou TN. (ANEEL, 2012)
O aterramento dos SFCRs difere dos sistemas isolados pois o aterramento de cada
unidade, individualmente, é interconectado com o aterramento das outras unidades
consumidoras da concessionária, aumentando a eficiência da malha de aterramento. (CEPEL,
2014)
53
5.6 INSTALAÇÃO DOS COMPONENTES DE SUPERVISÃO E CONTROLE, E
AQUISIÇÃO E ARMAZENAMENTO DE DADOS
Os sensores servem para medir as grandezas elétricas (tensão e corrente) e outras
grandezas, tais como a temperatura dos módulos fotovoltaicos e/ou das baterias e a
irradiância.
A instalação dos sensores, atuadores e equipamentos da unidade de gerenciamento
deve seguir os respectivos manuais dos fabricantes. Com relação à unidade de gerenciamento,
recomenda-se abrigá-lo em caixa apropriada, sendo esta alocada próximo dos pontos de
monitoração e/ou controle. (CEPEL, 2014)
A avaliação dos dados pode ser realizada visualmente on-line ou por programa
computacional que trata e calcula os dados de acordo com as grandezas a serem avaliadas.
Quanto maior a complexidade do monitoramento e do controle e a possibilidade dos dados de
forma remota, maior o custo do sistema. Dessa forma a escolha do tipo de sistema de
monitoramento e controle depende da sua necessidade, analisando-se criteriosamente o que
realmente precisa ser monitorado, e da relação custo-benefício. (CEPEL, 2014)
5.7 INSTALAÇÃO DE OUTROS COMPONENTES, CABOS, CONEXÕES E
ACESSÓRIOS
No que se refere à instalação dos medidores de energia dos SFCRs, estes devem ser
abrigados e instalados em caixas apropriadas para tal fim, conforme recomendado pelas
concessionárias em suas normas técnicas específicas para a conexão de geração própria à rede
de baixa tensão.
Todos os componentes de um SFV (módulos, baterias, controladores de carga,
inversores, cargas etc.) devem ser interconectados por meio de condutores elétricos de seção
milimétrica e tipo adequados. O tipo de cabo, incluindo seu isolamento, depende do ambiente
(temperatura, umidade, radiação ultravioleta etc.) a que está submetido e do tipo de instalação
(aérea, subterrânea, em condutos etc.) em que será utilizado. (CEPEL, 2014)
Deve-se utilizar os cabos elétricos de seção milimétrica e qualidade recomendadas
pelo projetista, ou indicadas nos catálogos técnicos dos equipamentos fornecidos pelos
fabricantes.
54
Em toda a instalação, os condutores utilizados devem ter as polaridades positiva e
negativa claramente identificadas, assim como o cabo de aterramento e de fases e neutro.
Deve-se respeitar a convenção de cores dos revestimentos do cabo bipolar, ou seja, vermelha
para o condutor positivo, preta para o condutor negativo e verde para o cabo terra. (ABNT,
2004)
Usualmente, a instalação dos SFVs também requer terminais, fita isolante, eletrodutos,
parafusos, conectores para terminais de bateria (bornes), abraçadeiras, buchas de fixação,
pregos etc., para fixar os diversos elementos do sistema à suas bases e suportes, e para efetuar
as conexões elétricas. Esses acessórios devem ser adequados ao tipo de material usado para as
instalações. Quando houver necessidade, deve-se utilizar conectores apropriados para conexão
de metais diferentes. (CEPEL, 2014)
Nunca utilizar seção milimétricas menores que as indicadas pelos fabricantes dos
equipamentos na conexão dos condutores aos equipamentos e dispositivos elétricos. Todas as
conexões e terminais devem ser bem apertados, para evitar perdas desnecessárias e
sobreaquecimento, provocado por mau contato elétrico e possível curto-circuito. (ABNT,
2004)
Para isolar uniões em clima quente e úmido não se deve utilizar fita isolante, pois a
cola da fita sofre degradação acentuada quando exposta a este tipo de clima. Fitas de
autofusão são mais eficientes. (CEPEL, 2014)
5.8 COMISSIONAMENTO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS
O comissionamento do sistema consiste em verificar se o sistema foi corretamente
instalado, atende às especificações de projeto e às normas cabíveis e está apto para funcionar
com segurança. O comissionamento é um marco importante onde ocorre a transferência de
responsabilidade da obra do instalador ao proprietário/operador do sistema, embora possa
indicar pendências que o instalador deve cumprir em determinado prazo. (CEPEL, 2014)
Para o comissionamento, é necessário que um profissional (ou equipe) especializado
realize inspeções e testes operacionais com instrumentos apropriados. As inspeções devem ser
feitas logo após as instalações e antes da operacionalização do SFV. O local deve ter seu
acesso limitado e os trabalhadores devem usar equipamento adequado de proteção individual.
(CEPEL, 2014)
55
Deve ser elaborado um relatório com os procedimentos de comissionamento, de
acordo com as recomendações dos fabricantes dos equipamentos e com as normas cabíveis,
como apresentado nas Tabelas 6 e 7. Esse relatório deve ser entregue com antecedência ao
contratante/fiscalizador para análise antes da data de início do comissionamento. É
recomendável (CEPEL, 2014) que haja formulários de check list para os procedimentos de
comissionamento.
Devem ser observados, no mínimo, os seguintes pontos durante o comissionamento
(CEPEL, 2014):
Inspeção visual (Todos os dispositivos de seccionamento devem permanecer abertos durante
a verificação).
a) A qualidade e a quantidade de todos os equipamentos e componentes.
b) A presença, a adequação e a localização dos componentes de seccionamento, proteção e
controle.
c) A presença do aterramento elétrico e do SPDA.
d) A presença e a adequação dos cabos elétricos e conexões. Identificação das conexões.
e) A presença de placas de advertência de choque elétrico e restrição de acesso aos
ambientes de instalação dos equipamentos.
f) A presença da etiqueta de identificação dos componentes de proteção e controle.
g) As formas de acondicionamento dos equipamentos e componentes quanto às condições
ambientais (vento, temperatura, umidade etc.).
h) Montagem adequada e com segurança do painel fotovoltaico e da estrutura de suporte. A
orientação e a inclinação do gerador fotovoltaico previstas no projeto. Módulos e
estruturas sem danos aparentes.
i) No caso de montagens sobre telhados, se a estrutura está adequada para o peso e se a
cobertura não foi danificada e não apresenta locais de vazamento.
j) A presença e montagem dos equipamentos de monitoramento, medição e controle.
k) Itens de segurança conforme normas, como, por exemplo, acessibilidade aos locais e
proteções contra choque.
l) Limpeza e organização do local da instalação.
m) A documentação completa do sistema:
- Informações básicas: capacidade do sistema, localização, datas de instalação e
comissionamento, características e capacidades dos equipamentos principais.
56
- Informações do projetista, responsável técnico e proprietário do sistema.
- Diagrama unifilar do sistema.
- Projeto executivo as built.
- Especificações e catálogos dos equipamentos de geração (inclusive características do
arranjo e séries), condicionamento de potência, armazenamento, proteções,
seccionamento, aterramento, monitoramento, controle e medição. Lista de sobressalentes.
- Relatórios de flash test dos módulos.
- Manuais de manutenção e operação dos equipamentos principais, de preferência em
língua portuguesa. Incluindo: plano de manutenção e procedimentos de desligamento
emergencial.
- Garantias dos equipamentos, com informação do início e período de cobertura, contatos
dos fornecedores e representantes.
- Informações sobre os projetos estruturais do sistema.
- Para sistemas com potência instalada superior a 75 kW, deve ser fornecido ainda o
prontuário de instalações elétricas, de acordo com a NR10.
Principais testes operacionais (Os testes operacionais, mecânicos e elétricos, têm como
objetivo garantir que o SFV está apto para entrar em operação com segurança. Os dispositivos
de seccionamento são fechados um a um conforme a medição desejada.)
a) Teste mecânico das conexões elétricas (aterramento, SPDA, circuitos c.c. e c.a.) - consiste
em aplicar uma determinada força controlada aos condutores de modo a tentar desfazer a
conexão. Caso o condutor se solte ou a conexão dê sinais de folga, ela deve ser refeita.
b) Teste de continuidade dos circuitos de aterramento e equipotencialização – consiste em
atestar a continuidade em toda a extensão dos circuitos. Caso ocorra descontinuidade em
algum trecho, o problema deve ser corrigido.
c) Confirmação de polaridade – consiste em confirmar a polaridade do gerador fotovoltaico e
verificar se a mesma está sendo respeitada nas conexões com os demais componentes do
lado c.c.
d) Medição da curva I x V do gerador fotovoltaico – cada série FV deve ser testada com o
traçador portátil de curva I-V, medida preferencialmente com irradiação superior a 800
W/m2 no plano do painel. Os valores obtidos devem ser iguais, com uma tolerância de ±
5%, aos do flash report dos módulos e entre séries, se estas forem formadas por módulos
idênticos. Em sistemas de pequeno porte (centenas de Wp), admite-se uma avaliação
simplificada, feita pelas medidas de Isc e de Voc do painel, e/ou dos módulos individuais.
57
e) Teste de resistência de isolamento do gerador fotovoltaico – consiste em medir a
resistência de isolamento entre os condutores positivo e negativo do gerador fotovoltaico e
a carcaça metálica dos módulos. Os valores mínimo de resistência de isolamento (em MΩ)
são: 0,5 (tensão de teste de 250 V para uma tensão 1,25 x Voc < 120 V; 1,0 (tensão de
teste de 500 V para uma tensão 1,25 x Voc entre 120 e 500 V; e 1,0 (tensão de teste de
1.000 V para uma tensão 1,25 x Voc entre > 500 V).
f) Detecção de pontos quentes nos módulos – consiste em verificar com uma câmera
termográfica se há regiões do módulo em operação com temperatura muito superior ao
restante do módulo). Se isto for verificado, e não houver sombreamento, o módulo deve
ser susbtituído.
g) Confirmação do condutor neutro - consiste em identificar o condutor neutro e verificar se
sua conexão está correspondendo com os demais componentes do lado c.a. No caso de
neutro aterrado, deve se verificar esta condição.
h) Confirmação de parâmetros elétricos do inversor – consiste em verificar se a tensão e a
frequência de operação do inversor estão apropriadas às cargas ou à rede elétrica.
i) Confirmação de parâmetros elétricos do controlador – consiste em verificar se a tensões e
as correntes de operação do controlador estão apropriadas.
j) Teste de funcionamento – consiste no fechamento das chaves, no sentido da geração ao
consumo, e na observação da operação adequada do sistema, a qual pode ser feita através
da verificação do status do controlador de carga, inversor e dispositivos de proteção, e das
medições de valores de tensão e corrente (lados c.c. e c.a.) esperados. O teste de
funcionamento só deve ser feito após sanado algum problema identificado nos testes
anteriores. Os testes de funcionamento também devem incluir a verificação do
desempenho do sistema de monitoramento, medição e controle. As etapas do teste de
funcionamento podem ser mais complexas em função do tamanho e da quantidade de
equipamentos e fontes do sistema e deve ser previamente detalhada nos procedimentos de
comissionamento.
k) Confirmação de que as temperaturas de operação do controlador e inversor estão dentro da
faixa aceitável e especificada no projeto. Se não estiverem, deve-se melhorar a ventilação
dos mesmos, sem prejudicar seu IP ou a proteção contra intempéries e objetos/animais
indesejados.
l) Testes de qualidade de energia – consiste em medir a distorção harmônica de corrente
(total e individual), a injeção de componente contínua e o fator de potência, os quais
devem anteder os padrões exigidos.
58
m) Caracterização de produção de energia – consiste em medir e verificar se a produção de
energia do sistema está como esperado. Essa verificação ocorre principalmente quando há
contratos com garantias de disponibilidade mínima de energia, normalmente para sistemas
conectados à rede. São necessárias medição da energia gerada e medição de irradiância, de
temperatura do módulo e da potência nominal do gerador FV, para o cálculo da energia
esperada. A energia gerada deve estar dentro de uma tolerância em relação à energia
esperada para aceitação do sistema. O número de dias necessários para essa verificação
deve ser acordado entre contratado e contratante. Essa verificação pode se estender além
do período de comissionamento.
Após a conclusão do comissionamento, deve ser apresentado o relatório de
comissionamento com pelo menos as seguintes informações (CEPEL, 2014):
a) Período do comissionamento e data do relatório;
b) Participantes e suas assinaturas, principalmente do responsável técnico pelo
comissionamento;
c) Todos os procedimentos e resultados de comissionamento;
d) Listas de problemas encontrados e procedimentos realizados para saná-los;
e) Lista de pendências;
f) Estimativa de possíveis problemas futuros percebidos pelas inspeções do
comissionamento.
59
6. EXEMPLO PRÁTICO DE VIABILIDADE TÉCNICA E ECONÔMICA
6.1 INTRODUÇÃO
O objetivo do projeto é apresentar um exemplo prático de viabilidade técnica e
econômica de um projeto de geração fotovoltaica residencial, bem como de sua execução para
ser realizada por pessoas com conhecimento técnico e outros interessados em desenvolver tais
conhecimentos. Para tanto, foram apresentados: um resumo do conhecimento teórico, um
conjunto de informações sobre componentes e informações sobre dimensionamento e
instalação.
Será usado, para essa análise, o programa RETScreen 4, que é um programa básico
para testes de viabilidade de projetos energéticos. A simulação fornecerá dados para o
dimensionamento como a capacidade do sistema e a área que seria ocupada. Baseado na
capacidade faz-se a previsão dos materiais e equipamentos necessários. Será abordado ainda
sobre o projeto elétrico e regularização junto com a concessionária em questão, assim como a
instalação do sistema e o orçamento desses.
6.2 LOCALIZAÇÃO
A residência onde se pretende implantar o sistema de geração de energia elétrica
através dos painéis fotovoltaicos está localizada na cidade do Rio de Janeiro, cujo endereço é
a Avenida Afrânio de Melo Franco, nº 419, Leblon. A latitude aproximada é de 22° S, e a
incidência de luz solar não é interrompida por sombras durante o dia.
60
Figura 50: Localização do Edifício Lugano. Fonte: Google Maps
O edifício Lugano é um prédio residencial com 13 pavimentos tipo, 2 pavimentos de
uso comum e 2 pavimentos de garagem. Em cada pavimento tipo há 4 apartamentos,
totalizando 52 apartamentos.
Embora a área total do pavimento tipo seja de 537 m², na cobertura a área de uso
comum que poderia ser usada para a implantação dos painéis fotovoltaicos, é de 153 m². Mas
em parte dessa área estão os reservatórios do edifício, deixando assim uma área útil de 50 m².
Figura 51: Área útil para instalação, em vermelho. Fonte: Autor
61
Figura 52: Foto do terraço. Fonte: Autor
Figura 53: Foto do terraço. Fonte: Autor
Devido ao ótimo posicionamento do edifício em relação ao movimento de translação
da Terra ao redor do Sol os painéis fotovoltaicos situarão no ângulo azimutal de 350º Norte.
Devido à presença de instalações prediais de gás de SPDA estima-se uma área útil de
50m², ou seja, o maior sistema possível de se implementar é um com 20 painéis.
6.3 CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA
A partir de pesquisa obteve-se um histórico de consumo de 2 anos no condomínio,
como apresentado nos Anexos 1 e 2, gastos com elevadores, luzes dos pavimentos comuns e
garagem, portões e etc. Esse gasto é divido entre os condôminos e pago através da conta de
condomínio. Com essa série pode-se calcular o consumo médio mensal do condomínio que
foi igual á 4285 kWh, com ou pico de máximo igual a 6560 kWh e mínimo de 3200 kWh.
62
Como o edifício está localizado no município do Rio de Janeiro, a concessionária de
energia elétrica é a Light, e o preço do kWh do mês de Agosto de 2017 é de R$ 0,84752. Será
estipulado que referente às novas Bandeiras Tarifárias, que estipulam um acréscimo ao preço
do kWh dependendo se o custo da energia elétrica aumenta, que durante toda a vida útil do
projeto estará sujeito à bandeira verde, que não há nenhuma cobrança adicional. Com isso o
preço do kWh será menor e assim a viabilidade do projeto será mais desfavorável.
6.4 EQUIPAMENTOS E ORÇAMENTO
Devido à restrição de área este parâmetro delimitará o dimensionamento do sistema.
Para esse projeto foram definidos, mediante a pesquisa prévia de disponibilidade no mercado
brasileiro, os seguintes materiais, com os dados técnicos de cada um presentes nos Anexos 3,
4 e 5:
- Painel solar fotovoltaico Canadian Solar CS6U-325P; de potência máxima 325 W; de
eficiência de 16,72%; e área igual à 1,95 m²; vida útil de 25 anos (com perda de 20% da
potência máxima); com preço estimado por painel de R$ 829,00 (Portal Solar, 2018). A área
disponível pode delimita um sistema fotovoltaico com até 20 painéis, tendo então este
sistema, em arranjo em série, uma potência total de 6500W.
Figura 54: Preço de mercado do Canadian Solar CS6U-325P. Fonte: Portal Solar, 2018
- 1 Inversor Fronius Primo 6.0-1; de potência 6,0kW (abrangendo potências até 8,2kW);
preço estimado de R$ 10190,00.
63
Figura 55: Inversor Fronius Primo 6.0-1. Fonte: Portal Solar, 2018.
- 1 Caixa de proteção String Box ecoSolys PJ063-17 1000V 32ª, composta por dois fusíveis,
disjuntor e DPS; preço estimado de R$ 709,00
Figura 56: String Box ecoPolys. Fonte: Portal Solar, 2018
- 100m (50m de cada cor) de cabeamento Cabo Solar Nexans Energyflex Br 0,6/1kV (1500V
DC); preço estimado em R$ 35,00.
Figura 57: Cabo Solar Nexans Energyflex. Fonte: Portal Solar, 2018
64
- 4 conectores machos e 4 fêmeas Staubli Conector MC4; preço estimado de R$ 90,00.
- 5 Suportes de painéis fotovoltaicos para laje Romagnole Centrium Energy; preço estimado
em R$ 3700,00.
Figura 58: Estrutura Painel Solar Romagnole Centrium Energy. Fonte: Portal Solar, 2018
Segundo Siqueira (2013) o custo do projeto elétrico e da instalação dos equipamentos
de um SFCR deste porte estaria na faixa dos R$ 8000,00. Então teríamos um valor total
aproximado de R$ 40000,00.
6.5 ANÁLISE NO RETSCREEN
O software RETScreen Clean Energy Management (normalmente abreviado para
RETScreen) é um pacote de software de análise de projetos de energia limpa, totalmente livre
de custos, desenvolvido pelo governo do Canadá e que inclui as ferramentas RETScreen
Versão 4 e RETScreen Expert.
Serão definidos os parâmetros selecionados para a análise do programa RETScreen
Expert, software de análise de projetos de energia limpa baseado que ajuda os tomadores de
decisões a determinarem rápida e economicamente a viabilidade técnica e financeira de
projetos potenciais, de eficiência energética e de projetos de cogeração. Esta versão do
programa é paga para se obter todas as suas funcionalidades, mas é permitido seu uso no
modo Visualizador.
O software possui uma base de dados com dados meteorológicos de diversos lugares
do planeta, inclusive do Rio de Janeiro, e de diversos equipamentos e suas especificações
65
técnicas. Além de inúmeras ferramentas para análise de custo, emissão de poluentes,
financeira, risco, entre outras.
Os seguintes parâmetros foram utilizados na análise:
- Tipo de projeto: Produção de eletricidade
- Tecnologia: Fotovoltaica
- Tipo de grid: Rede central e carga interna
- Tipo de analise: Método 1
- Poder calorífico de referencia: Poder Calorifico Inferior (PCI)
- Sistema: fixo com inclinação de 22º e azimute 350º
- Eficiência do inversor: 90% (padrão)
- Perdas de T e D: 15%
- Custos iniciais: R$ 40000,00
- Custo de O & M: R$ 300,00 a.a. (SOARES, 2010)
- Vida do projeto : 25 anos
- Razão da dívida : 0% (pagamento a vista)
- Taxa de inflação: 2,95% a.a. (IBGE, 2018)
- Taxa de juros: 6,90% a.a. (Banco Central, 2018)
- Fator de Emissão de GEE: 0,079 tCO2/MWh
66
Figura 59: Entrada de parâmetros energéticos no software RETSCreen. Fonte: Autor
Com esses parâmetros a análise realizada pelo software RETScreen, que está presente
nos Apêndices 1 e 2, fornece a informação de que esse sistema gerará 6,16 MWh de
eletricidade fornecida a carga. Como esse valor é muito inferior que a demanda de carga do
condomínio não haverá excedentes de energia elétrica, e assim não haverá exportação de
eletricidade para o grid central.
A análise financeira feita pelo programa retorna diversos indicadores de viabilidade
financeira. O tempo de retorno simples e de capital próprio, seriam de 8,1 anos e 7,2 anos,
respectivamente. Indicando que o investimento feito de R$ 40.000,00 teria retorno em 8,8
anos, e que ele geraria lucro para o condomínio a partir de 8,1 anos. Um indicador financeiro
muito usado para se comparar projetos é a TIR (taxa interna de retorno), nesse caso ela é de
14,8%. Pode-se ver também que ao final da vida útil do projeto, de 25 anos, esse investimento
em painéis fotovoltaicos terá rendido aproximadamente R$ 140.000,00 em energia elétrica
economizada, como mostrado na Figura 60.
67
Figura 60: Fluxo de caixa gerado pelo software RETScreen. Fonte: Autor
Essa configuração de painéis fotovoltaicos seria responsável pela redução anual bruta
de emissões de geração de energia elétrica (GEE), de 0,42 tonelada de CO2 por ano.
6.6 COMPARAÇÃO COM RENDA FIXA
Realizados todos os cálculos é possível então analisar, finalmente, a viabilidade do
caso proposto. Como foi apresentado na simulação, feita pelo programa RETSCreen, os
rendimentos anuais do sistemas proposto seria de 14,8%.
Essa taxa de retorno (TIR) deve ser comparada com investimentos conhecidos, para
então concluir sobre sua viabilidade. Se o investimento, em geração de energia elétrica a
partir de painéis fotovoltaicos conectados à rede, tiver rentabilidade menor que os
investimentos de comparação, será preferível aplicar nesses investimentos.
Usualmente usa-se como comparação a renda da poupança e dos investimentos de
renda fixa: Certificado de Depósitos Bancário (CDB), Fundo DI e títulos do Tesouro; que
possuem rendimento previsível e baixo risco. Atualmente a poupança, CDBs, Fundo DI e
Tesouro Direto rendem, ao ano, respectivamente: 4,90%, 6,08%, 6,5% e 5,52%. Comparando
o projeto proposto com todos esses investimentos de baixo risco, conclui-se que ele possui
muito melhor rentabilidade, e dessa forma é um projeto viável economicamente.
68
7. CONSIDERAÇÕES FINAIS
7.1 CONCLUSÕES
Baseado na análise dos capítulos anteriores, os projetos de micro geração de energia
elétrica através de sistemas fotovoltaicos conectados à rede tem se tornado cada vez mais
viável, se considerarmos que a tendência para o futuro é que o custo da energia elétrica cresça
e que os custos da tecnologia e sua implementação caiam. Outro fator que colabora para a
viabilidade de projetos deste tipo é a baixa histórica da taxa Selic, que os torna ainda mais
atraentes frente a investimentos financeiros de baixo risco, que tradicionalmente tem
competido com o investimento em geração de energia descentralizada.
Se este cenário continuar pelos próximos anos a tendência é a multiplicação dos
sistemas fotovoltaicos, em especial os conectados à rede em residências. E com esse
crescimento a demanda por projetos elétricos e de instalação se intensificará, assim como por
profissionais habilitados para realizá-los.
Com isso será de suma importância materiais acadêmicos que visam fomentar,
discutir, difundir e complementar conhecimentos ligados à tecnologia solar fotovoltaica para
pessoal técnico atuante na área de instalações elétricas, além de outros interessados, no
sentido de capacitá-los para que possam avaliar a efetividade da aplicação de instalações
fotovoltaicas, além de buscar incentivar o uso de geração solar fotovoltaica e conscientizar o
cidadão comum sobre a questão energética mundial, desta forma transmitir a importância do
consumo eficiente de energia elétrica por todos os setores, adotando medidas de eficiência
energética que proporcionam uma redução imediata do consumo trazendo benefícios para os
sistemas de geração, para os sistemas de transmissão e para o meio ambiente.
O desenvolvimento do trabalho possibilitou fortalecer e expandir o conhecimento na
área de energia solar fotovoltaica, fundamental para a renovação da matriz energética
nacional, proporcionou também a integração entre diversas áreas do conhecimento,
fundamental para a compreensão de um todo, aumentando a confiança e a capacidade de
aprendizado para enfrentar os desafios que surgirão no decorrer da carreira. Ao mesmo tempo
mostrando que dificuldades que parecem insuperáveis podem ser alcançadas com trabalho e
esforço próprio.
69
7.2 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
De acordo com o que foi estudado e proposto, e devido aos grandes desafios que este
tema ainda pode obter, pode ser considerado para trabalhos futuros:
a) Elaboração de manuais e trabalhos que foquem em outras configurações de
sistemas fotovoltaicos, como o sistema isolado.
b) Trabalhos com enfoque na análise de desempenho e eficiência energética de
sistemas fotovoltaicos.
c) Estudos sobre o dimensionamento, calculo estrutural e instalação de suportes
para painéis fotovoltaicos.
d) Trabalhos que realizem todo o projeto de instalação de um SF, desde o projeto
básico ao executivo.
e) Estudos de caso que utilizem outras ferramentas computacionais.
70
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75
APÊNDICE I
RETSCreen - Local
76
APÊNDICE II
RETSCreen – Modelo Energético
77
APÊNDICE III
78
APÊNDICE IV
79
ANEXO 1
Conta de luz condominial de Maio de 2015
80
ANEXO 2
Conta condominial de Agosto de 2017
81
ANEXO 3
Datasheet do painel Canadian Solar
82
ANEXO 4
Datasheet Inversor Fronius
83
ANEXO 5
Datasheet Stringbox ecoSlolys