metodologia de aplicaÇÃo eficiente de energia solar...
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METODOLOGIA DE APLICAÇÃO EFICIENTE DE ENERGIA
SOLAR EM RESIDÊNCIAS
Ricardo Duque Estrada Ferreira
Projeto de Graduação apresentado ao
Curso de Engenharia Elétrica da Escola
Politécnica, Universidade Federal do Rio
de Janeiro, como parte dos requisitos
necessários à obtenção do título de
Engenheiro Eletricista.
Orientador: Jorge Luiz do Nascimento
RIO DE JANEIRO
Abril de 2016
METODOLOGIA DE APLICAÇÃO EFICIENTE DE ENERGIA
SOLAR EM RESIDÊNCIAS
Ricardo Duque Estrada Ferreira
PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO CURSO DE
ENGENHARIA ELÉTRICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE
FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS
PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHAIRO ELETRICISTA.
Examinado por:
_____________________________________
Prof. Jorge Luiz do Nascimento, Dr. Eng.
_____________________________________
Prof. João Pedro Lopes Salvador, M. Sc.
_____________________________________
Prof. Júlio César de Carvalho Ferreira, M. Sc.
RIO DE JANEIRO
Abril de 2016
iii
Ferreira, Ricardo Duque Estrada.
Metodologia de Aplicação Eficiente de Energia Solar em
Residências/ Ricardo Duque Estrada Ferreira – Rio de Janeiro:
UFRJ/Escola Politécnica, 2016.
XIV, 126p.; il.: 29,7cm.
Orientador: Jorge Luiz do Nascimento
Projeto de Graduação – UFRJ/Escola Politécnica/Curso de
Engenharia Elétrica, 2016.
Referências Bibliográficas: p. 114-116
1. Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede. 2. Geração
Fotovoltaica Residencial. 3. Eficiência Energética. 4. Métodos de
Dimensionamento. 5. Metodologias de Aplicação de Energia Solar em
Residências. I. Nascimento, Jorge Luiz do. II. Universidade Federal do Rio
de Janeiro, Escola Politécnica, Curso de Engenharia Elétrica. III. Título
iv
AGRADECIMENTOS
Primeiramente eu gostaria de agradecer à força maior que rege esse universo por
tornar possível a realização de um grande sonho, me formar um engenheiro eletricista
pela UFRJ.
À minha querida mãe Laura, por confiar em mim, por ser minha inspiração e
incondicionalmente ter me incentivado a conquistar esse objetivo, acompanhando cada
etapa dessa caminhada.
Ao meu pai Paulo, por ter confiado em mim, sempre ter me dado garra para vencer
etapas que pareciam insuperáveis, pelo gosto de buscar o conhecimento e o
empreendedorismo.
Aos meus irmãos Pedro e Fernanda que acreditaram junto comigo que um dia eu
seria um engenheiro eletricista da UFRJ, obrigado por todo apoio.
À minha avó Glória, por ser puramente minha fonte inspiração em todos os
sentidos da vida.
À Carolina, por ter sido um dos meus pilares durante toda essa caminhada, por ter
sido meu porto seguro, me apoiando e me fortalecendo todos os dias.
Ao meu querido mestre Jorge Luiz do Nascimento, que sempre teve paciência,
compaixão e disponibilidade para seus alunos. Seu caráter e humildade foram
fundamentais para o desenvolvimento deste projeto.
Ao mestre Sebastião, que sempre fez questão de transmitir incansavelmente todo
seu conhecimento nas aulas de Máquinas e Proteção.
Agradeço a todos que me ajudaram de alguma forma, com conhecimento ou
outros tipos de apoio para vencer essa guerra chamada engenharia elétrica.
v
Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/UFRJ como parte
dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Eletricista.
METODOLOGIA DE APLICAÇÃO EFICIENTE DE ENERGIA SOLAR EM
RESIDÊNCIAS
Ricardo Duque Estrada Ferreira
Abril 2016
Orientador: Jorge Luiz do Nascimento, Dr. Eng.
Curso: Engenharia Elétrica
Este projeto de graduação tem por objetivo apresentar o estudo da implementação
de sistemas fotovoltaicos em residências com ênfase em sistemas conectados à rede.
Visando apresentar métodos de dimensionamento de geração fotovoltaica de duas formas
diferentes integrados à medidas de eficiência energética.
Ao longo deste trabalho será apresentada uma proposta de eficiência energética
no consumo residencial juntamente com implementação da geração fotovoltaica. Tal
proposta será baseada a partir da escolha do local, do recurso solar disponível, da área
disponível para a implantação dos módulos fotovoltaicos, do consumo residencial e de
todas as considerações técnicas pertinentes. Dessa forma, podemos otimizar o consumo
de energia elétrica e integrar a geração fotovoltaica nas residências.
Palavras-chave: Sistema Fotovoltaico Conectado à Rede, Geração Fotovoltaica
Residencial, Eficiência Energética, Métodos de dimensionamento de Geração
Fotovoltaica, Metodologias de Aplicação de Energia Solar em Residências.
vi
Abstract of the Undergraduate Project, presented to POLI/UFRJ as a partial
fulfillment of the necessary requirements to obtain the degree of Electrical Engineer.
METHODOLOGY APPLICATION EFFICIENT SOLAR ENERGY IN RESIDENCES
Ricardo Duque Estrada Ferreira
April 2016
Tutor: Jorge Luiz do Nascimento, Dr. Eng.
Course: Electrical Engineering
This project graduation aims to present the study of Photovoltaic Systems
implementation in residence with an emphasis on Connected Systems Network (on-grid).
It presents photovoltaic generation sizing methods of different bibliographies integrated
to efficient consumption.
Throughout this work it will be presented a proposal for eficiente residential
consumption along with photovoltaic generation. This proposal will be based on the
choice of location of photovoltaic generation, the area available for the implementation
of photovoltaic modules, residential consumption and all relevant technical
considerations. This way we can optimize the electrical energy consumption and integrate
photovoltaic generation in residences.
Keyword: Photovoltaic systems on-grid, Photovoltaic generation sizing methods,
efficient consumption.
vii
SUMÁRIO
AGRADECIMENTOS ............................................................................................................................ iv
SUMÁRIO .......................................................................................................................................... vii
LISTA DE FIGURAS .............................................................................................................................. xi
LISTA DE TABELAS ............................................................................................................................ xiii
LISTA DE SIGLAS ............................................................................................................................... xiv
1. INTRODUÇÃO ............................................................................................................................... 1
1.1. CONTEXTO .................................................................................................................................... 1
1.2. MOTIVAÇÃO E RELEVÂNCIA .............................................................................................................. 3
1.3. OBJETIVO...................................................................................................................................... 4
1.4. ESTRUTURA DO TRABALHO ............................................................................................................... 4
2. ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA .................................................................................................. 6
2.1. ENERGIA SOLAR ............................................................................................................................. 6
2.1.1. No Mundo ............................................................................................................................. 6
2.1.2. No Brasil................................................................................................................................ 8
2.2. RECURSO SOLAR ............................................................................................................................ 9
2.2.1. Radiação Solar ...................................................................................................................... 9
2.2.1.1. Radiação Global Horizontal ..................................................................................................... 10
2.2.1.2. Radiação Direta Normal .......................................................................................................... 10
2.2.2. Deslocamento Solar e Declinação Solar .............................................................................. 10
2.2.2.1. Ângulo Zenital ......................................................................................................................... 11
2.2.2.2. Altura ou Elevação Solar ......................................................................................................... 12
2.2.2.3. Ângulo Azimutal do Sol ........................................................................................................... 12
2.2.2.4. Ângulo Azimutal da Superfície ................................................................................................ 12
2.2.2.5. Inclinação da Superfície de Captação ...................................................................................... 13
2.2.2.6. Ângulo de Incidência ............................................................................................................... 13
2.2.2.7. Ângulo Horário do Sol ou Hora Angular .................................................................................. 13
2.2.3. Programas Computacionais ................................................................................................ 14
2.3. EFEITO FOTOVOLTAICO .................................................................................................................. 14
2.4. CÉLULAS FOTOVOLTAICAS .............................................................................................................. 16
2.4.1. Cristalinos (c-Si) .................................................................................................................. 16
2.4.1.1. Monocristalinos (m-Si) ............................................................................................................ 16
2.4.1.2. Policristalinos (m-Si) ................................................................................................................ 17
2.4.2. Filmes Finos ........................................................................................................................ 17
2.4.2.1. Amorfo (a-Si) ........................................................................................................................... 17
2.4.2.2. Telureto de Cádmio (CdTe) ..................................................................................................... 18
2.4.2.3. Disseleneto de Cobre, Gálio e Índio (CIS e CIGS) ..................................................................... 19
2.4.2.4. Orgânicas (OPV) ...................................................................................................................... 20
viii
2.4.3. Para Concentração (CPV) .................................................................................................... 21
3. COMPONENTES DO SISTEMA FOTOVOLTAICO ............................................................................ 22
3.1. MÓDULOS FOTOVOLTAICOS ........................................................................................................... 22
3.1.1. Simbologia .......................................................................................................................... 22
3.1.2. Características Elétricas ...................................................................................................... 23
3.1.2.1. Tensão de Circuito Aberto ....................................................................................................... 23
3.1.2.2. Corrente de Curto Circuito ...................................................................................................... 23
3.1.2.3. Curva IxV ................................................................................................................................. 24
3.1.2.4. Curva PxV ................................................................................................................................ 25
3.1.3. Conexões e Comportamento............................................................................................... 25
3.1.3.1. Conexão em Série.................................................................................................................... 26
3.1.3.2. Conexão em Paralelo............................................................................................................... 27
3.1.3.3. Conexão Mista......................................................................................................................... 28
3.1.4. Influências Externas ............................................................................................................ 29
3.1.4.1. Irradiância ............................................................................................................................... 29
3.1.4.2. Temperatura ........................................................................................................................... 30
3.1.5. Sombreamento ................................................................................................................... 31
3.1.6. Diodo de Desvio (By-pass)................................................................................................... 32
3.1.7. Diodo de Bloqueio ............................................................................................................... 32
3.2. BATERIAS .................................................................................................................................... 33
3.3. CONTROLADORES DE CARGA ........................................................................................................... 34
3.4. INVERSORES ................................................................................................................................ 35
3.4.1. Inversores para Sistemas Fotovoltaicos Isolados ................................................................ 35
3.4.2. Inversores para Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede .............................................. 35
3.5. SEGUIDOR DO PONTO DE POTÊNCIA MÁXIMA (SPPM) ....................................................................... 36
3.6. PROTEÇÃO .................................................................................................................................. 36
4. APLICAÇÃO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS ................................................................................ 37
4.1. SISTEMAS PUROS ......................................................................................................................... 37
4.2. SISTEMAS HÍBRIDOS ...................................................................................................................... 37
4.3. SISTEMAS FOTOVOLTAICOS ISOLADOS (SFI) ....................................................................................... 38
4.4. SISTEMAS FOTOVOLTAICOS CONECTADOS À REDE (SFCR) .................................................................... 39
5. EFICIÊNCIA ENERGÉTICA ............................................................................................................. 40
5.1. EFICIÊNCIA ENERGÉTICA NO BRASIL .................................................................................................. 40
5.2. CARACTERÍSTICAS DO CONSUMO NO BRASIL ...................................................................................... 46
5.3. TECNOLOGIAS PARA EFICIÊNCIA ENERGÉTICA ..................................................................................... 48
5.3.1. Iluminação .......................................................................................................................... 48
5.3.2. Ar Condicionado.................................................................................................................. 49
ix
5.3.3. Aquecimento de Água......................................................................................................... 49
5.4. MÉTODOS DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA .............................................................................................. 50
5.4.1. Hábitos Inteligentes ............................................................................................................ 50
5.4.2. Iluminação .......................................................................................................................... 50
5.4.3. Equipamentos Eficientes ..................................................................................................... 50
5.4.4. Aquecimento de Água......................................................................................................... 50
5.4.5. Ar Condicionado.................................................................................................................. 51
5.4.6. Refrigeradores .................................................................................................................... 51
5.5. PROPOSTA I DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA ............................................................................................ 51
5.6. PROPOSTA II DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA ........................................................................................... 52
6. METODOLOGIA DE APLICAÇÃO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS EM RESIDÊNCIAS ...................... 53
6.1. MÉTODO GERAL PARA IMPLANTAÇÃO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS RESIDENCIAIS .................................. 53
6.1.1. Levantamento do Consumo de Energia Elétrica ................................................................. 54
6.1.2. Levantamento do Espaço Disponível .................................................................................. 54
6.1.3. Levantamento do Recurso Solar ......................................................................................... 54
6.1.4. Dimensionamento do Gerador Fotovoltaico ....................................................................... 55
6.2. MÉTODOS DE CÁLCULO DE GERAÇÃO FOTOVOLTAICA .......................................................................... 55
6.2.1. Método CRESESB ................................................................................................................ 55
6.2.1.1. Levantamento do Consumo de Energia Elétrica ............................................................ 55
6.2.1.2. Dimensionamento do Gerador Fotovoltaico .................................................................. 56
6.2.1.3. Dimensionamento do Inversor ....................................................................................... 57
6.2.1.4. Cabeamento CC .............................................................................................................. 60
6.2.2. Método Alternativo Conservador ....................................................................................... 61
6.2.2.1. Levantamento do Consumo de Energia Elétrica ..................................................................... 61
6.2.2.2. Dimensionamento do Gerador Fotovoltaico ........................................................................... 61
6.2.2.3. Dimensionamento do Inversor ................................................................................................ 65
6.3. CABEAMENTO CC ......................................................................................................................... 66
6.4. CABEAMENTO CA ......................................................................................................................... 67
6.5. PROTEÇÃO .................................................................................................................................. 68
6.5.1. Disjuntores CA ..................................................................................................................... 68
6.5.2. Fusível CC ............................................................................................................................ 69
7. ESTUDO DE CASO ........................................................................................................................ 70
7.1. PLANTA BAIXA ............................................................................................................................. 73
7.2. BALANÇO DE CARGA ..................................................................................................................... 74
7.3. MEMÓRIA DESCRITIVA DO CÁLCULO ................................................................................................ 75
7.4. LEVANTAMENTO DO RECURSO SOLAR ............................................................................................... 81
7.5. APLICAÇÃO DOS MÉTODOS DE DIMENSIONAMENTO FOTOVOLTAICO ...................................................... 83
x
7.5.1. Método CRESESB ................................................................................................................ 83
7.5.1.1. Proposta I de Eficiência Energética ......................................................................................... 83
7.5.1.2. Proposta II de Eficiência Energética ........................................................................................ 89
7.5.2. Método Alternativo Conservador ....................................................................................... 94
7.5.2.1. Proposta I de Eficiência Energética ......................................................................................... 94
7.5.2.2. Proposta II de Eficiência Energética ...................................................................................... 100
7.6. INVESTIMENTO INICIAL ................................................................................................................ 106
7.7. ANÁLISE DOS RESULTADOS ........................................................................................................... 107
8. CONCLUSÃO ............................................................................................................................. 111
9. REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFIA ..................................................................................................... 114
ANEXO I ............................................................................................................................................. 117
ANEXO II ............................................................................................................................................ 118
ANEXO III ........................................................................................................................................... 122
xi
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1.1 - EVOLUÇÃO DA CAPACIDADE DE POTÊNCIA INSTALADA FOTOVOLTAICA NO MUNDO. FONTE [4] ....................... 2
FIGURA 1.2 - RELAÇÃO DA PRODUÇÃO, CONSUMO E PERDAS (VARIAÇÃO DE ESTOQUE, PERDAS DO SISTEMA E AJUSTES) DA
ENERGIA ELÉTRICA NO BRASIL. FONTE [5] ..................................................................................................... 3
FIGURA 2.1 - PANORAMA DA CAPACIDADE INSTALADA DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS NO MUNDO. FONTE [7] ..................... 7
FIGURA 2.2 - IRRADIAÇÃO GLOBAL HORIZONTAL ANUAL E DIÁRIA EM KWH/M². FONTE [20] ........................................... 7
FIGURA 2.3 - IRRADIAÇÃO HORIZONTAL GLOBAL DO MAPA DO BRASIL. FONTE [20] ....................................................... 8
FIGURA 2.4 - REPRESENTAÇÃO DAS RADIAÇÕES DIFUSA, DIRETA E ALBEDO. FONTE [9] .................................................... 9
FIGURA 2.5 - MOVIMENTO DE TRANSLAÇÃO DA TERRA EM TORNO DO SOL. FONTE [21] ............................................... 11
FIGURA 2.6 - ÂNGULOS QUE REPRESENTAM A POSIÇÃO DO SOL EM RELAÇÃO AO PLANO. FONTE [3] ................................ 12
FIGURA 2.7 - ÂNGULOS DA SUPERFÍCIE INCLINADA EM RELAÇÃO A POSIÇÃO DO SOL. FONTE [3] ...................................... 13
FIGURA 2.8 - FUNCIONAMENTO DE UMA CÉLULA FOTOVOLTAICA. ............................................................................. 15
FIGURA 2.9 - CÉLULA FOTOVOLTAICA MONOCRISTALINA (M-SI). FONTE [8] ............................................................... 16
FIGURA 2.10 - CÉLULA FOTOVOLTAICA POLICRISTALINA. FONTE [8] .......................................................................... 17
FIGURA 2.11 - CÉLULA FOTOVOLTAICA AMORFO (A-SI). FONTE [12] ........................................................................ 18
FIGURA 2.12 - – CÉLULA FOTOVOLTAICA DE TELURETO E CÁDMIO (CDTE). FONTE [9] ................................................. 19
FIGURA 2.13 - – CÉLULA FOTOVOLTAICA DE DISSELENETO DE COBRE E ÍNDIO. FONTE [12] ........................................... 19
FIGURA 2.14 - CÉLULA FOTOVOLTAICA ORGÂNICA. FONTE [9] ................................................................................. 20
FIGURA 2.15 - CÉLULAS FOTOVOLTAICAS DE CONCENTRAÇÃO MÉDIA E ALTA. FONTE [22] ............................................. 21
FIGURA 3.1 - SÍMBOLO DO MÓDULO OU ARRANJO FOTOVOLTAICO. ........................................................................... 22
FIGURA 3.2 - GRÁFICO IXV DE UM PAINEL SOLAR CANADIAN SOLAR MODELO CS6X-320P. .......................................... 24
FIGURA 3.3 - GRÁFICO PXV DE UM PAINEL SOLAR CANADIAN SOLAR MODELO CS6X-320P. ......................................... 25
FIGURA 3.4 - GRÁFICO IXV COM A ASSOCIAÇÃO DE MÓDULOS EM SÉRIE. .................................................................... 26
FIGURA 3.5 - GRÁFICO PXV COM A ASSOCIAÇÃO DE MÓDULOS EM SÉRIE. ................................................................... 26
FIGURA 3.6 - GRÁFICO IXV COM A ASSOCIAÇÃO DE MÓDULOS EM PARALELO. ............................................................. 27
FIGURA 3.7 - GRÁFICO PXV COM A ASSOCIAÇÃO DE MÓDULOS EM PARALELO. ............................................................ 27
FIGURA 3.8 - GRÁFICO IXV COM A ASSOCIAÇÃO DE MÓDULOS EM SÉRIE E PARALELO. ................................................... 28
FIGURA 3.9 - GRÁFICO IXV COM A ASSOCIAÇÃO DE MÓDULOS EM SÉRIE E PARALELO. ................................................... 28
FIGURA 3.10 - INFLUÊNCIA DA VARIAÇÃO DE IRRADIÂNCIA NO GRÁFICO IXV DOS MÓDULOS. .......................................... 29
FIGURA 3.11 - - INFLUÊNCIA DA VARIAÇÃO DE IRRADIÂNCIA NO GRÁFICO PXV DOS MÓDULOS. ....................................... 30
FIGURA 3.12 - INFLUÊNCIA DA VARIAÇÃO DA TEMPERATURA NO GRÁFICO IXV DOS MÓDULOS. ....................................... 30
FIGURA 3.13 - INFLUÊNCIA DA VARIAÇÃO DA TEMPERATURA NO GRÁFICO PXV DOS MÓDULOS. ..................................... 31
FIGURA 3.14 - SOMBREAMENTO PARCIAL DE UM ARRANJO 3X3. .............................................................................. 32
FIGURA 3.15 - REPRESENTAÇÃO DO DIODO DE DESVIO E DIODO DE BLOQUEIO. .......................................................... 33
FIGURA 4.1 - CONFIGURAÇÃO DE UM SISTEMA FOTOVOLTAICO ISOLADO. .................................................................. 38
FIGURA 4.2 - CONFIGURAÇÃO DE UM SISTEMA FOTOVOLTAICO CONECTADO À REDE. ................................................... 39
xii
FIGURA 5.1 - ETIQUETAGEM DE UM REFRIGERADOR. FONTE [25] ............................................................................. 41
FIGURA 5.2 - SELO PARA LÂMPADAS FLUORESCENTES COMPACTAS. FONTE [25] .......................................................... 42
FIGURA 5.3 - SELO PARA LÂMPADAS LED. FONTE [26]........................................................................................... 42
FIGURA 5.4 - SELO PROCEL. FONTE [26] ........................................................................................................... 43
FIGURA 5.5 - SELO PROCEL PARA EDIFICAÇÕES. FONTE PROCEL EDIFICA. FONTE [26] ................................................ 44
FIGURA 5.6 - SELO CONPET PARA AQUECEDOR A GÁS. FONTE [27] ......................................................................... 45
FIGURA 5.7 – CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA POR SETOR EM 2014. FONTE [13] ...................................................... 46
FIGURA 5.8 - CONSUMO RESIDENCIAL DE ENERGIA ELÉTRICA POR REGIÃO. FONTE [5] ................................................... 47
FIGURA 5.9 - CARACTERÍSTICAS DO CONSUMO RESIDENCIAL NO BRASIL. FONTE [14] .................................................... 47
FIGURA 6.1 - ROTEIRO DE PROJETO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS. ........................................................................... 53
FIGURA 7.1 - LOCAL DO PROJETO FOTOVOLTAICO. FONTE [30] ................................................................................ 71
FIGURA 7.2 - TRAJETÓRIA DO SOL NAS DIFERENTES ÉPOCAS DO ANO NO HEMISFÉRIO SUL. FONTE [30] ............................ 71
FIGURA 7.3 - VISTA AÉREA DO LOCAL DO PROJETO E ÁREA DISPONÍVEL PARA O PROJETO. FONTE [30] .............................. 72
FIGURA 7.4 - PLANTA BAIXA DA RESIDÊNCIA. ........................................................................................................ 73
FIGURA 7.5 - CARACTERÍSTICAS DO CONSUMO RESIDENCIAL DO PROJETO. .................................................................. 75
FIGURA 7.6 - REDUÇÃO DO CONSUMO DE ENERGIA APÓS AS MEDIDAS DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA. .................................. 80
FIGURA 7.7 - DADOS OBTIDOS PELO SUNDATA. FONTE [3] ..................................................................................... 81
FIGURA 7.8 - DADOS OBTIDOS PELO PVSYST. FONTE [PVSYST] ................................................................................ 81
FIGURA 7.9 - CONFIGURAÇÃO DO ARRANJO DE ACORDO COM AS RESTRIÇÕES DE PROJETO. ............................................ 86
FIGURA 7.10 - CONFIGURAÇÃO DO ARRANJO DE ACORDO COM AS RESTRIÇÕES DE PROJETO. .......................................... 91
FIGURA 7.11 - CONFIGURAÇÃO DO ARRANJO DE ACORDO COM AS RESTRIÇÕES DE PROJETO ........................................... 97
FIGURA 7.12 - CONFIGURAÇÃO DO ARRANJO DE ACORDO COM AS RESTRIÇÕES DE PROJETO. ........................................ 103
FIGURA 7.13 - CUSTO DOS PRINCIPAIS COMPONENTES ESCOLHIDOS NOS PROJETOS DESENVOLVIDOS. ............................ 107
FIGURA 7.14 - RESULTADO DO DIMENSIONAMENTO DA GERAÇÃO PELOS DOIS MÉTODOS EM FUNÇÃO DO CONSUMO. ....... 108
FIGURA 7.15 - DIFERENCIAÇÃO ENTRE CONSUMO E GERAÇÃO. ............................................................................... 109
xiii
LISTA DE TABELAS
TABELA 3.1 - DADOS DO FABRICANTE CANADIAN SOLAR. FONTE [DADOS DO FABRICANTE] ........................................... 23
TABELA 3.2 - TABELA DE INVERSORES PARA SFIS. .................................................................................................. 35
TABELA 3.3 - PROTEÇÕES MÍNIMAS DE ACORDO COM A POTÊNCIA INSTALADA. FONTE [23] ........................................... 36
TABELA 6.1 - TABELA PARA ESTIMATIVA DO CONSUMO MÉDIO MENSAL DE ENERGIA. FONTE [3] ..................................... 55
TABELA 6.2 - DADOS DO INVERSOR FRONIUS 2,5 KW. FONTE [DADOS DO FABRICANTE] ............................................... 58
TABELA 6.3 - - DADOS DO INVERSOR FRONIUS 2,0 KW. FONTE [DADOS DO FABRICANTE] ............................................. 62
TABELA 7.1 – PRINCIPAIS EQUIPAMENTOS UTILIZADOS NA RESIDÊNCIA DO PROJETO. .................................................... 74
TABELA 7.2 - PROPOSTA DE SUBSTITUIÇÃO DE EQUIPAMENTOS E ADEQUAÇÃO DA ILUMINAÇÃO. FONTE [25] .................... 76
TABELA 7.3 - ANÁLISE DO CHUVEIRO ELÉTRICO PRINCIPAL APÓS O AQUECEDOR SOLAR. ................................................. 76
TABELA 7.4 - ANÁLISE DO CHUVEIRO ELÉTRICO DE SERVIÇO APÓS O AQUECEDOR SOLAR................................................. 77
TABELA 7.5 - PROPOSTA I DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA. ............................................................................................ 78
TABELA 7.6 - PROPOSTA II DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA. .......................................................................................... 79
TABELA 7.7 - DADOS DO PAINEL NECESSÁRIOS PARA ESTE MÉTODO. FONTE [PSCAD 4.5] ............................................. 84
TABELA 7.8 - CARACTERÍSTICAS DO INVERSOR ABB PVI5000-TL-OUTD. FONTE [DADOS DO FABRICANTE] .................... 85
TABELA 7.9- CARACTERÍSTICAS DO INVERSOR ABB PVI3.6-TL-OUTD. FONTE [DADOS DO FABRICANTE] ........................ 90
TABELA 7.10 - CARACTERÍSTICAS DO INVERSOR ABB PVI3.0-TL-OUTD. FONTE [DADOS DO FABRICANTE] ................... 101
TABELA 7.11 - CUSTO DOS EQUIPAMENTOS MAIS REPRESENTATIVOS. FONTE [SITE DOS FABRICANTES] ........................... 106
TABELA 7.12 - CONSUMO X GERAÇÃO DOS MÉTODOS. ......................................................................................... 108
TABELA 7.13 - RELAÇÃO DOS MÉTODOS DE GERAÇÃO COM O CONSUMO. ................................................................. 109
xiv
LISTA DE SIGLAS
ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica
CONPET Programa Nacional de Racionalização do uso dos Derivados do
Petróleo e Gás Natural
CRESESB Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio Brito
DPS Dispositivo de Proteção Contra Surtos
EPE Empresa de Pesquisa Energética
HSP Horas de Sol Pleno
IEA International Energy Agency
INMET Instituto Nacional de Meteorologia
INMETRO Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia
LED Diodo Emissor de Luz
MME Ministério de Minas e Energia
PBE Programa Brasileiro de Etiquetagem
PROCEL Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica
PRODIST Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica do Sistema
Elétrico Nacional
SF Sistema Fotovoltaico
SFCR Sistema Fotovoltaico Conectado à Rede
SFI Sistema Fotovoltaico Isolado
SPDA Sistema de Proteção Contra Descargas Atmosféricas
SPPM Seguidor do Ponto de Potência Máxima
STC Standard Test Conditions
THD Distorção Harmônica Total
1
1. INTRODUÇÃO
1.1. Contexto
Durante o século XIX, o petróleo foi a principal matriz energética mundial que
por sua vez tinha sua hegemonia limitada as suas reservas naturais não renováveis. O
petróleo, como combustível fóssil, esbarrava em outro problema, o alto índice de poluição
liberado para a atmosfera através da queima dos seus derivados, cerca de 32.190 Mt de
CO2 foram lançados na atmosfera em 2013 [1]. As consequências das emissões
descontroladas de gases poluentes afetaram ao longo dos anos o planeta Terra cujas
mudanças climáticas e o aquecimento global provocaram diversas alterações no globo
terrestre notadamente sentidas por nós. Devido à grande crise de 1973, causada pela
elevação significativa dos preços do barril de petróleo e a diminuição da produção pelos
detentores da maior parcela de produção de petróleo do mundo, a OPEP - Organização
dos Países Exportadores de Petróleo - impulsionou a busca pela diversificação da matriz
energética mundial e por fontes limpas e renováveis de energia.
Juntamente às crises e às consequências ambientais causadas pela dependência
do petróleo, surge o conceito do desenvolvimento sustentável que visa essencialmente a
preservação do meio ambiente, reduzindo o impacto na natureza e consequente
otimização do uso dos recursos naturais disponíveis, atrelado à geração de energia
renovável e ao consumo eficiente, preservando o planeta e o futuro das próximas
gerações.
A visibilidade e a aplicação das fontes alternativas e renováveis de energia cresceu
demasiadamente nas últimas duas décadas, no caso em particular da geração fotovoltaica,
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 [4]. O crescimento da capacidade instalada é apresentado na Figura
1.1.
2
O Brasil começa a caminhar na implementação de fontes alternativas de energia
na sua matriz energética. Atualmente a geração é predominantemente composta por
máquinas rotativas e a principal fonte é a geração hídrica, com 65,2% [5], 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 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 ANEEL, que disponibiliza o 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.
Figura 1.1 - Evolução da capacidade de potência instalada fotovoltaica no mundo. Fonte [4]
3
1.2. Motivação e Relevância
Visando a manutenção da crescente demanda por energia elétrica, cujo consumo
final em 2014 foi de 531,08 TWh [5] e com previsão de consumo de 693,47 TWh em
2024 [2], indicado na Figura 1.2, e a constante busca pela renovação da matriz energética,
foram propostos neste trabalho métodos de eficiência energética e cálculos de
dimensionamento 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 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.
0
100
200
300
400
500
600
700
2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014
Co
nsu
mo
em
TW
h
Anos
Produção x Consumo
Produção de Energia Elétrica Consumo final de Energia Elétrica
Perdas do sistema
Figura 1.2 - Relação da produção, consumo e perdas (variação de estoque, perdas do sistema e
ajustes) da energia elétrica no Brasil. Fonte [5]
4
1.3. Objetivo
Este trabalho tem como objetivo apresentar e analisar diferentes métodos de
aplicação e dimensionamento de SFs conectados à rede e voltados para aplicação
residencial, integrando a geração fotovoltaica com métodos de eficiência energética visto
pela demanda.
Visa, também, complementar tais conhecimentos 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.
Conscientizar a importância e os benefícios do consumo eficiente, onde consumir
somente o que necessitamos é fundamental para evitar desperdícios de energia e dinheiro.
1.4. Estrutura do Trabalho
O trabalho foi estruturado da seguinte forma:
Capítulo 1 – Neste capítulo apresenta-se a contextualização do consumo e
demanda de energia elétrica no Brasil e no Mundo e a avaliação em particular da geração
fotovoltaica. Da mesma forma, a motivação e relevância na implementação de fontes
alternativas de energia na matriz energética mundial e nacional e por fim o objetivo e a
estrutura do trabalho.
Capítulo 2 – Apresenta os conceitos básicos da literatura sobre energia solar
fotovoltaica, como efeito fotovoltaico, células fotovoltaicas, conexões elétricas,
configurações de módulos, assim como conceitos fundamentais que são necessários para
a concepção do trabalho desenvolvido.
Capítulo 3 – Apresenta os diversos componentes necessários para execução de um
projeto fotovoltaico.
Capítulo 4 – Demonstra as diferentes aplicações de SFs, fazendo referência à
sistemas fotovoltaicos isolados (SFI) e sistemas fotovoltaicos conectados à rede (SFCR).
5
Capítulo 5 – É feita uma análise do consumo de energia elétrica residencial,
especificidades da geração residencial e propõe métodos de eficiência energética de forma
a atuar em conjunto com a implementação da geração fotovoltaica.
Capítulo 6 – Discute métodos de aplicação da geração fotovoltaica em residências
e propõe dois métodos de dimensionamento de projeto de geração fotovoltaica.
Capítulo 7 – Consiste no estudo de caso escolhido, apresentando todo memorial
descritivo de cálculo e apresentação de planta baixa, assim como estimativa de radiação
solar, dimensionamento de painéis, escolha de inversores e dos diversos componentes que
compõem o sistema fotovoltaico e a análise dos resultados.
Capítulo 8 – Por fim são apresentadas as conclusões do trabalho.
6
2. ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
2.1. Energia Solar
Uma característica do desenvolvimento natural e tecnológico da humanidade é a
crescente demanda por energia elétrica.
O Sol nos fornece energia na forma de radiação e é a principal fonte de energia da
Terra. No seu interior núcleos de hidrogênio, por meio de fusão, transformam-se em
núcleos de hélio, neste processo parte da massa é transformada em energia. Somente uma
parcela desta energia atinge a superfície da Terra, porém esta quantidade é grandiosa,
correspondendo aproximadamente a 1,52 x 1018 kWh por ano [9]. Para mostrar o quão
poderosa é a energia solar, o consumo de energia primária no mundo foi de 13541 Mtoe
em 2013 [1], equivalente a 1,57 x 1014 kWh por ano, ou seja 0,0103% da energia que o
sol nos fornece.
A energia solar pode ser a resposta para o fornecimento de energia elétrica no
presente e em um futuro próximo. Diante desta realidade de crescente demanda e a
conscientização do desenvolvimento sustentável, seria ilógico não fazer proveito desta
fonte de energia limpa, inesgotável e gratuita.
2.1.1. No Mundo
A energia solar fotovoltaica em países como Alemanha, China, Japão, Itália e
EUA é bem consolidada e representa uma parcela significativa na matriz energética dos
mesmos. A capacidade instalada de geração fotovoltaica em alguns países do mundo é
apresentada na Figura 2.1.
7
Figura 2.1 - Panorama da capacidade instalada de sistemas fotovoltaicos no mundo. Fonte [7]
Os países que se encontram localizados mais próximos da linha do Equador são
os que recebem maior incidência de radiação solar. Na Figura 2.2 abaixo podemos ver os
países que podem se beneficiar dessa localização dentro do “cinturão”.
Figura 2.2 - Irradiação Global Horizontal anual e diária em kWh/m². Fonte [20]
8
2.1.2. No Brasil
O Brasil é um país privilegiado por estar próximo a linha do Equador e possuir
uma das maiores médias de irradiação solar do mundo. A irradiação global pode variar
de 4,25 kWh/m² até 6,5 kWh/m² por dia [9]. Os valores de irradiação solar incidente em
qualquer parte do território (1500-2500 kWh/m²) são superiores aos da maioria dos países
da Europa, como Alemanha (900-1250 kWh/m²) [6]. A Figura 2.3 mostra o potencial
solar brasileiro.
Figura 2.3 - Irradiação Horizontal Global do mapa do Brasil. Fonte [20]
9
2.2. Recurso Solar
2.2.1. Radiação Solar
A intensidade da radiação solar que atinge a atmosfera depende da distância entre
o Sol e a Terra. Durante o decorrer do ano, pode variar entre 1,47 x 108 e 1,52 x 108 km
resultando em uma distância média de 1,495 x 108 km. Devido a essa variação de
distância, a irradiância na atmosfera da Terra varia entre 1325 W/m² e 1412 W/m². O
valor médio é designado por constante solar 1367 W/m², este parâmetro é utilizado para
aplicações espaciais. Ao atravessar a atmosfera, a radiação sofre atenuação por absorção,
reflexão e espalhamento. Assim o nível de irradiância que atinge a superfície da Terra
tem o valor aproximado de 1000 W/m² ao meio-dia sem nuvens.
Para uma melhor compreensão podemos analisar separadamente cada
componente da radiação. A radiação direta é aquela que atinge a superfície da Terra sem
sofrer qualquer interferência ao atravessar a atmosfera. A radiação difusa é a componente
que se espalha e sofre dispersão ao atravessar a atmosfera. A radiação refletida ou albedo
pode ser interpretado como a radiação refletida pela superfície da Terra, esta pode ser
inclusa na radiação difusa, a Figura 2.4 apresenta todos os fenômenos citados acima.
Figura 2.4 - Representação das radiações difusa, direta e albedo. Fonte [9]
10
2.2.1.1. Radiação Global Horizontal
A soma das componentes da radiação direta e difusa resulta na radiação global
captada de forma horizontal à superfície. A radiação global pode ser captada em um plano
inclinado para melhor aproveitamento da energia solar. A radiação global é utilizada
tradicionalmente nos projetos de fonte de energia térmica para aquecimento de fluidos,
iluminação de ambientes e para a geração de SF.
2.2.1.2. Radiação Direta Normal
É aquela medida na superfície terrestre de forma perpendicular aos raios do Sol,
excluindo as componentes difusas e refletidas (albedo).
2.2.2. Deslocamento Solar e Declinação Solar
Algumas peculiaridades do sistema solar devem ser levados em consideração para
um bom projeto de sistemas fotovoltaicos. Durante o ano ocorrem variações significativas
da incidência da radiação sobre o planeta de acordo com o movimento de rotação e
translação da Terra.
O planeta Terra descreve uma trajetória elíptica em torno do Sol e seu eixo em
relação ao plano normal à elipse tem um inclinação de aproximadamente 23,45°,
denominado Declinação Solar (δ), este ângulo é positivo ao Norte e negativo ao Sul da
linha do Equador, como pode ser visto na Figura 2.5.
11
Figura 2.5 - Movimento de translação da Terra em torno do Sol. Fonte [21]
A inclinação do eixo da Terra provoca variações na duração dos dias ao longo do
ano, podemos observar dias mais longos no hemisfério Sul no solstício de verão e dias
mais curtos no solstício de inverno, já na linha do Equador as variações são pequenas e a
duração dos dias é praticamente igual ao longo do ano. A declinação solar pode ser
calculada utilizando a Equação 2.1 [3].
𝑠𝑒𝑛(𝛿) = −𝑠𝑒𝑛(23,45)𝑐𝑜𝑠 [(
360
365,25) (𝑛 + 10)]
(2.1)
Onde n representa o dia juliano contado de 1 até 365 a partir de primeiro de janeiro.
2.2.2.1. Ângulo Zenital
O ângulo zenital (𝜃𝑍) é formado entre os raios do Sol e a vertical do local (zênite).
12
2.2.2.2. Altura ou Elevação Solar
A altura solar (α) é o ângulo compreendido entre os raios do sol e a projeção dos
mesmo no plano horizontal.
2.2.2.3. Ângulo Azimutal do Sol
O ângulo azimutal do sol (𝛾𝑆) é o ângulo compreendido entre a projeção dos raios
solares no plano horizontal e a direção Norte-Sul, esse deslocamento iniciado em 0° a
partir do Norte, para à direita do Sul é positivo e negativo caso contrário, fazendo com
que o ângulo varie de -180° até 180°. Os ângulos citados são apresentados na Figura 2.6.
Figura 2.6 - Ângulos que representam a posição do Sol em relação ao plano. Fonte [3]
2.2.2.4. Ângulo Azimutal da Superfície
O ângulo azimutal da superfície (𝛾) é o ângulo entre a projeção da normal à
superfície do plano horizontal e a direção Norte-Sul.
13
2.2.2.5. Inclinação da Superfície de Captação
A inclinação da superfície de inclinação (β) é o ângulo entre a inclinação de
captação e o plano horizontal.
2.2.2.6. Ângulo de Incidência
O ângulo de incidência (θ) é o ângulo formado entre os raios solares e a normal à
superfície de captação. Os ângulos citados anteriormente são mostrados na Figura 2.7.
Figura 2.7 - Ângulos da superfície inclinada em relação a posição do sol. Fonte [3]
2.2.2.7. Ângulo Horário do Sol ou Hora Angular
O ângulo horário (w) é o deslocamento angular do meridiano do Sol de nascer e
pôr do Sol (Leste-Oeste) a partir do meridiano local (w < 0 pela manhã, w > 0 à tarde e
w = 0 ao meio dia) e pode ser calculado a partir da Equação 2.2, onde cada hora solar
(𝐻𝑆) equivale a um deslocamento de 15° [3].
𝑤 = (𝐻𝑆 − 12) . 15° (2.2)
14
A partir do ângulo horário (w) podemos calcular o ângulo zenital (𝜃𝑍) sabendo a
latitude do local (ϕ) e a declinação solar (𝛿), utilizando a Equação 2.3 [3].
cos(𝜃𝑍) = 𝑐𝑜𝑠𝛿. 𝑐𝑜𝑠𝑤. 𝑐𝑜𝑠𝜙 + 𝑠𝑒𝑛𝛿. 𝑠𝑒𝑛𝜙 (2.3)
Podemos obter o ângulo de incidência (θ) entre os raios solares e a superfície com
orientação (γ) e inclinação de captação (β) é obtida utilizando a Equação 2.4 [3].
cos(𝜃) = −𝑠𝑒𝑛β. cosγ. sen𝛿. 𝑐𝑜𝑠ϕ
(2.4)
2.2.3. Programas Computacionais
Existem diversos softwares com bases de dados de incidência solar voltados para
a geração fotovoltaica que fornecem diversos parâmetros para auxiliar o engenheiro na
execução do projeto como, coordenadas do local, valores médios de irradiância global
horizontal e inclinada, simulação do dimensionamento da geração fotovoltaica e a
viabilidade econômica do projeto. Podemos citar alguns deles: PVsyst, SAM, PVSol,
Retscan, HOMER, SunData, etc.
2.3. Efeito Fotovoltaico
O processo de conversão da radiação solar em energia elétrica ocorre através da
célula fotovoltaica e é chamado de efeito fotovoltaico. As células fotovoltaicas associadas
constituem os módulos fotovoltaicos e são compostas basicamente por silício em
altíssimo grau de pureza. O silício se apresenta na forma amorfa e cristalina e é o segundo
elemento químico mais abundante da Terra, perdendo somente para o oxigênio.
Para que a célula fotovoltaica desempenhe sua função corretamente, no processo
de fabricação o silício sofre uma dopagem, normalmente com Fósforo e Boro, que é o
15
acréscimo de outros elementos ao material com finalidade de manipular as suas
características elétricas.
O Silício possui 4 elétrons de valência necessitando de mais 4 elétrons para formar
uma ligação covalente, ao inserirmos por exemplo o Fósforo que possui 5 elétrons de
valência, o quinto elétron ficará fracamente ligado ao átomo fazendo com que o material
fique negativamente carregado, neste caso o semicondutor é do tipo N.
Se ao Silício for inserido por exemplo um Boro que possui 3 elétrons de valência,
teremos uma lacuna vazia para completar a ligação covalente fazendo com que o material
fique carregado positivamente, neste caso o semicondutor é do tipo P.
A célula fotovoltaica é formada pela união de uma fina camada do semicondutor
tipo N e uma camada mais espessa do semicondutor tipo P, formando uma junção PN. Os
elétrons livres da camada N migram para as lacunas da camada P quando são excitados
pelos fótons. Na área da junção forma-se um campo elétrico que acelera os elétrons.
Conectando as camadas externas podemos aproveitar a corrente elétrica que se dá pelo
deslocamento de elétrons entre as bandas de condução, como mostrado na Figura 2.8.
Figura 2.8 - Funcionamento de uma célula fotovoltaica.
16
2.4. Células Fotovoltaicas
2.4.1. Cristalinos (c-Si)
O Silício Cristalino é o material mais importante para as células solares atuais no
mercado, apresenta processo de fabricação consolidado, alta confiabilidade e robustez. O
custo do módulo apresenta trajetória declinante ao longo dos anos [10], proporcionando
o aumento da implementação da geração fotovoltaicas na matriz energética mundial.
2.4.1.1. Monocristalinos (m-Si)
As células fotovoltaicas monocristalinas (m-Si) possuem eficiência mais elevada
do que as células policristalinas, da ordem de 15% a 20%, porém as técnicas empregadas
na sua produção são complexas e caras. É necessária utilizar silício em altíssimo grau de
pureza (99,9999%), rígido controle de temperatura e uma estrutura única de cristal
perfeita [11], resultando em um custo mais elevado do que o silício policristalino. A
Figura 2.9 apresenta uma célula monocristalina.
Figura 2.9 - Célula Fotovoltaica Monocristalina (m-Si). Fonte [8]
17
2.4.1.2. Policristalinos (m-Si)
As células policristalinas apresentam eficiência menor em relação as células
monocristalinas, com a vantagem de um custo reduzido de produção já que não exige
uma perfeição cristalina. O processo de fabricação é menos rigoroso, formam-se várias
orientações dos cristais formando uma estrutura policristalina. Sua eficiência é da ordem
de 13% a 16%. A Figura 2.10 apresenta uma célula policristalina.
Figura 2.10 - Célula Fotovoltaica Policristalina. Fonte [8]
2.4.2. 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.[6]
2.4.2.1. 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
18
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 2.11 apresenta
a célula amorfa (a-Si).
Figura 2.11 - Célula Fotovoltaica Amorfo (a-Si). Fonte [12]
2.4.2.2. 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 [8]. A Figura 2.12
apresenta uma célula filme fino de CdTe.
19
Figura 2.12 - – Célula Fotovoltaica de Telureto e Cádmio (CdTe). Fonte [9]
2.4.2.3. 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 fotovoltaicos de CIS/CIGS são os mais eficientes entre as
tecnologias de película fina, variando entre 8% a 12%, porém os elementos são tóxicos
ou raros [12]. A Figura 2.13 abaixo apresenta a célula fotovoltaica CIGS.
Figura 2.13 - – Célula Fotovoltaica de Disseleneto de Cobre e Índio. Fonte [12]
20
2.4.2.4. 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 2.14 apresenta a célula fotovoltaica
orgânica.
Figura 2.14 - Célula fotovoltaica orgânica. Fonte [9]
21
2.4.3. 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 a
eficiência dos sistemas e diminuição da área de células utilizadas. A Figura 2.15 apresenta
módulos fotovoltaicos de média e alta concentração.
Figura 2.15 - Células fotovoltaicas de concentração média e alta. Fonte [22]
22
3. COMPONENTES DO SISTEMA FOTOVOLTAICO
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.
3.1.1. Simbologia
Pela norma NBR 10899, os módulos fotovoltaicos são representados pelo símbolo
mostrado na Figura 3.1. O mesmo pode representar uma célula, um arranjo ou somente
um módulo fotovoltaico.
Figura 3.1 - Símbolo do módulo ou arranjo fotovoltaico.
23
3.1.2. Características Elétricas
3.1.2.1. Tensão de Circuito Aberto
Os módulos fotovoltaicos são testados em condições padronizadas (STC – AM
1.5, 1000 W/m² e 25º na superfície da célula) para se obter as características elétricas dos
mesmos. Uma das medidas obtidas é a tensão de circuito-aberto, que aparece nos seus
terminais quando os painéis são submetido às condições padronizadas e sem carga para
alimentar.
3.1.2.2. Corrente de Curto Circuito
Outra medida obtida através de ensaio é a corrente de curto-circuito. Da mesma
forma que o painel apresenta uma tensão de circuito aberto nos seus terminais, é possível
saber a máxima corrente de curto circuito que o painel é capaz de fornecer ao curto-
circuitar seus terminais.
A Tabela 3.1 apresenta alguns dados do fabricante do painel Canadian Solar
CS6X-320P, que se encontra no Anexo 1, que foi modelado no PSCAD 4.5 para análise
das curvas características. O mesmo painel será utilizado posteriormente no estudo de
caso.
Tabela 3.1 - Dados do painel CS6X-320P Canadian Solar. Fonte [Dados do fabricante]
Potência máxima nominal 320 W
Tensão de MPPT 36,8 V
Corrente de MPPT 8,69 A
Tensão de circuito aberto 45,3 V
Corrente de curto circuito 9,26 A
Eficiência do módulo 16,68 %
24
3.1.2.3. Curva IxV
Uma característica interessante dos painéis solares pode ser observado na curva
IxV. Podemos observar que seu funcionamento se assemelha com uma fonte de tensão
CC (fornece tensão constante independente da variação de corrente) e com uma fonte de
corrente CC (fornece corrente constante independente da variação de tensão) dependendo
do seu carregamento. Na Figura 3.2 podemos observar o que foi dito.
Figura 3.2 - Gráfico IxV de um painel solar Canadian Solar modelo CS6X-320P.
25
3.1.2.4. Curva PxV
A análise da curva PxV é fundamental para a análise do comportamento dos
módulos fotovoltaicos, através desta curva podemos definir o ponto de máxima potência
que o painel é capaz de fornecer. Os sistemas fotovoltaicos usam um recurso de
rastreamento SPPM (Seguidor do Ponto de Potência Máxima) para extrair potência da
forma mais eficiente possível. A curva PxV é apresentada na Figura 3.3.
3.1.3. Conexões e Comportamento
Para demonstrar o que acontece com as tensões, correntes e potência dos módulos
fotovoltaicos quando os associamos em conexões série, paralela ou mista, as simulações
se basearam nas condições padrão de teste (STC) citadas anteriormente. Analisamos
através de gráficos obtidos no software PSCAD 4.5 algumas conexões possíveis.
Figura 3.3 - Gráfico PxV de um painel solar Canadian Solar modelo CS6X-320P.
26
3.1.3.1. Conexão em Série
A associação de módulos solares em série permite o aumento da tensão de circuito
aberto e mantém constante a sua capacidade de fornecer corrente, consequentemente
aumentando sua capacidade de fornecer potência, mas com corrente limitada, como
mostrado nas Figuras 3.4 e 3.5.
Figura 3.4 - Gráfico IxV com a associação de módulos em série.
Figura 3.5 - Gráfico PxV com a associação de módulos em série.
27
3.1.3.2. Conexão em Paralelo
A associação de módulos solares em paralelo permite o aumento da corrente de
curto circuito e mantém constante a sua tensão, consequentemente aumenta a capacidade
de fornecer potência porém com tensão limitada, como mostrado nas Figuras 3.6 e 3.7.
Figura 3.6 - Gráfico IxV com a associação de módulos em paralelo.
Figura 3.7 - Gráfico PxV com a associação de módulos em paralelo.
28
3.1.3.3. Conexão Mista
A associação de módulos em série e em paralelo permite conforme desejo de
projeto dimensionar tanto corrente como a tensão fornecida pelos módulos associados.
No arranjo misto aumentamos significativamente a capacidade de fornecer potência, com
tensões e correntes elevadas, este caso é mostrado nas Figuras 3.8 e 3.9.
Figura 3.8 - Gráfico IxV com a associação de módulos em série e paralelo.
Figura 3.9 - Gráfico IxV com a associação de módulos em série e paralelo.
29
3.1.4. Influências Externas
Os painéis solares estão sujeitos às mudanças climáticas diariamente, expostos às
variações de irradiância, temperatura, sombreamento e sujeiras. Para o desenvolvimento
de projeto é interessante estudarmos com mais detalhes o que estas condições causam no
funcionamento e desempenho dos módulos fotovoltaicos.
3.1.4.1. Irradiância
Os módulos fotovoltaicos são submetidos a variação de irradiância durante o dia,
que é a energia incidente por unidade de área. Há uma relação direta entre a irradiância
incidente com a capacidade de fornecer corrente. As curva características IxV e PxV se
alteram com a variação da irradiância. Através da simulação podemos observar na curva
IxV que a redução da irradiância incidente nos módulos provoca a diminuição da
capacidade de fornecer corrente e uma ligeira queda da tensão de circuito aberto, na curva
PxV há um deslocamento vertical para baixo do ponto de máxima potência provocando
a sua redução. As alterações podem ser vistas nas Figuras 3.10 e 3.11.
Figura 3.10 - Influência da variação de irradiância no gráfico IxV.
30
Figura 3.11 - - Influência da variação de irradiância no gráfico PxV.
3.1.4.2. Temperatura
A exposição dos módulos fotovoltaicos ao calor excessivo influencia
negativamente na capacidade de fornecer tensão, ocasionando também em perda de
potência. Através da simulação podemos observar na curva IxV a redução da tensão de
circuito aberto e um ligeiro aumento na corrente de curto-circuito e na curva PxV há o
deslocamento horizontal para esquerda do ponto de máxima potência. As alterações
podem ser vistas nas Figuras 3.12 e 3.13.
Figura 3.12 - Influência da variação da temperatura no gráfico IxV.
31
Figura 3.13 - Influência da variação da temperatura no gráfico PxV.
3.1.5. Sombreamento
O sombreamento é uma questão crítica no desempenho dos módulos
fotovoltaicos. Um gerador fotovoltaico apresenta performance ótima quando iluminado
homogeneamente. Devido à característica construtiva da maioria dos módulos
fotovoltaicos, as células solares individuais são conectadas em série e uma pequena
sombra sobre uma destas células pode reduzir significativamente o rendimento de todo o
arranjo. O fato é que o sombreamento provoca uma menor incidência de radiação em
parte ou sobre todo o módulo, o que faz com que a capacidade de fornecer corrente do
conjunto de células conectadas em série seja limitada pela célula menos favorecida,
restringindo o fornecimento de potência de todo o conjunto.
Uma célula solar parcialmente sombreada pode vir a atuar como uma carga,
levando a um aquecimento excessivo da célula e possivelmente à danificação do módulo.
Este efeito é conhecido como ponto quente (hot spot) e pode ser evitado com a instalação
de diodos de desvios (by-pass).
Outro fator relevante causado pelo sombreamento é o surgimento de mais de um
ponto de máxima potência, ou seja, mais de um ponto onde a derivada da potência em
relação a tensão é igual a zero, apresentado na Figura 3.14.
32
Figura 3.14 - Sombreamento parcial de um arranjo 3x3.
3.1.6. Diodo de Desvio (By-pass)
Uma alternativa para o aumento do desempenho dos sistemas fotovoltaicos é a
instalação de diodos de desvio (by-pass) em antiparalelo com grupos de células que estão
conectadas em série, desta forma cria-se um caminho alternativo para a circulação da
corrente caso ocorra sombreamento parcial ou defeito nos módulos, evitando os pontos
quentes (hot spot). O diodo de desvio tem que ser capaz de conduzir a mesma corrente
das células e pode ser interpretado como um componente de proteção, já que evita os
pontos quentes. O componente pode ser visto na Figura 3.15.
3.1.7. Diodo de Bloqueio
Outro componente indispensável para o funcionamento seguro do sistema é o
diodo de bloqueio, que impede o fluxo de corrente reversa entre módulos ou strings
conectados em paralelo que podem apresentar tensões diferentes causado por um
sombreamento parcial por exemplo. Para cada conjunto série (string) instala-se um diodo
de bloqueio. O diodo de bloqueio deve ser capaz de suportar pelo menos a corrente de
curto-circuito produzida pelo módulo e uma tensão reversa de pelo menos duas vezes a
tensão de circuito aberto de todo arranjo.
33
Os diodos de bloqueio apresentam alto índice de falhas e podem ser substituídos
por fusíveis de fileira que devem ser instalados na saída de cada string, tanto no polo
positivo como no polo negativo. [3] O componente pode ser visto na Figura 3.15.
Figura 3.15 - Representação do Diodo de Desvio e Diodo de Bloqueio.
3.2. Baterias
O uso de dispositivos armazenadores de energia é necessário nos sistemas
fotovoltaicos isolados da rede, possibilitando o consumo de energia elétrica nos períodos
em que não há geração.
As baterias eletroquímicas são as mais usuais em sistemas fotovoltaicos isolados
proporcionando menor custo por Wh. São constituídas por um conjunto de células
eletroquímicas conectadas em série e/ou paralelo que possuem uma tensão característica
armazenando energia na forma de energia química. Uma célula é a combinação de dois
eletrodos (anodo sede a oxidação e o catodo sede a redução) e do eletrólito (meio que
proporciona o transporte de íons entre os eletrodos).
As baterias podem ser recarregáveis (células secundárias), as células secundárias
podem ser carregadas com fonte de tensão ou corrente, ou não recarregáveis (células
34
primárias), que ao descarregar completamente a sua vida útil é encerrada. Dentre os tipos
de baterias recarregáveis, a mais comum em aplicações fotovoltaicas é a bateria de
Chumbo-ácido (Pb-ácido). Existem outras tecnologias como Níquel-Cádmio (NiCd),
Níquel-hidreto metálico (NiMH), íon de Lítio (Li-ion) que apresentam maior eficiência e
vida útil porém são economicamente inviáveis. [3]
3.3. Controladores de Carga
Os controladores de carga são utilizados nos SFI com a finalidade de gerenciar o
fluxo de potência ativa do sistema, ou seja, deve ser capaz de desconectar o banco de
baterias quando estiverem em carga plena e interromper o fornecimento de energia
quando o banco de bateria atingir um nível predeterminado, desta forma também atua
protegendo a bateria contra cargas e descargas severas e excessivas. Seu
dimensionamento depende do tipo de bateria e da operação do sistema, esse componente
é crucial pois caso ocorra falha pode danificar o banco de baterias, o que representa
grande parte do investimento. Os métodos de controle mais utilizados usam como
parâmetro grandezas sobre o estado de carga, tensão e densidade do eletrólito da bateria.
Os controladores mais sofisticados utilizam SPPM (Seguidor do Ponto de
Potência Máxima) que aumentam a eficiência do gerenciamento do fluxo de potência,
porém existem controladores que não utilizam esta técnica de rastreamento.
Ao especificar os controladores de carga, os mesmos devem ser capazes de
suportar as seguintes condições abaixo. [3]
𝐼𝑀𝐴𝑋 𝑑𝑜 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑟𝑜𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 > 1,25 × 𝐼𝑠𝑐 𝑑𝑜 𝑎𝑟𝑟𝑎𝑛𝑗𝑜
𝑆𝑢𝑝𝑜𝑟𝑡𝑎𝑟 𝑎 𝑡𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝑑𝑒 𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎çã𝑜 𝑑𝑜 𝑏𝑎𝑛𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎
35
3.4. Inversores
Os módulos fotovoltaicos são capazes de gerar energia elétrica em corrente
contínua (CC) permitindo alimentar somente cargas que necessitem de corrente contínua,
entretanto a maioria das cargas utilizadas atualmente são alimentadas por corrente
alternada (CA) fazendo necessário o uso de inversores.
Estes equipamentos são conhecidos como conversores CC-CA e permitem
converter corrente contínua em corrente alternada, levando em consideração o controle
da frequência, amplitude e índices de distorção harmônicas do lado CA. Os inversores se
dividem em dois grupos, aqueles utilizados em SFIs e SFCRs.
3.4.1. Inversores para Sistemas Fotovoltaicos Isolados
Os inversores utilizados em SFIs são classificados quanto à sua forma de onda de
saída, sendo os mais usuais apresentados na Tabela 3.2.
Tabela 3.2 - Tabela de inversores para SFIs.
Inversores Forma de Onda de Saída Cargas CA THD
Onda Quadrada Onda Quadrada Cargas resistivas Alto
Senóide Modificada Onda Quadrada semelhante à
uma Senóide Cargas Resistivas e Motores
sem escova Médio
Senóide Pura Senóide Perfeita Alimenta qualquer carga CA Baixo
3.4.2. Inversores para Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede
São conhecidos com inversores grid-tie e são capazes de fornecer uma forma de
onda senoidal pura, utilizam de um sistema de controle para sincronizar com a frequência
da rede. Para a extração da potência máxima os inversores utilizam SPPM, possuem
diversos sistemas de proteção como anti-ilhamento, transformador de acoplamento,
monitoramento de frequência e tensão, etc.
36
3.5. Seguidor do Ponto de Potência Máxima (SPPM)
Os sistemas fotovoltaicos estão sujeitos à variações de irradiância, temperatura,
sombreamento e sujeira diariamente, para aumentar a eficiência do sistema os inversores
utilizam o seguidor do ponto de máxima potência, que é capaz de rastrear o ponto de
máxima potência devido a variação da curva característica, podendo até ocorrer a
existência de dois máximos locais, como visto na Figura 3.14.
3.6. Proteção
Os sistemas fotovoltaicos devem ser aterrados, apesar dos inversores possuírem
diversos dispositivos de proteção, se faz necessária a instalação de outros dispositivos
como disjuntores, fusíveis de fileira, sistema de aterramento, sistema de proteção contra
descargas atmosféricas (SPDA) e dispositivos de proteção contra surtos (DPS). De acordo
com a Norma 482/2012, através do PRODIST módulo 5, o item 5.2.1 nos apresenta as
proteções mínimas em função da potência instalada, apresentado na Tabela 3.3.
Tabela 3.3 - Proteções mínimas de acordo com a potência instalada. Fonte [23]
EQUIPAMENTO
Potência Instalada
Menor ou igual a 75 kW
Maior que 75 kW e menor ou igual
a 500 kW
Maior que 500 kW e menor ou
igual a 5 MW
Elemento de Desconexão sim sim sim
Elemento de Interrupção sim sim sim
Transformador de Acoplamento não sim sim
Proteção de sub e sobretensão sim sim sim
Proteção de sub e sobre frequência
sim sim sim
Proteção contra Desequilíbrio de Corrente
não não sim
Proteção contra desbalanço de Tensão
não não sim
Sobrecorrente Direcional não sim sim
Sobrecorrente com restrição de tensão
não não sim
Relé de Sincronismo sim sim sim
Anti-Ilhamento sim sim sim
Medição Bidirecional 4 Quadrantes 4 Quadrantes
37
4. APLICAÇÃO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS
A Resolução Normativa nº 482 de 2012 [24] 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.
4.1. Sistemas Puros
Sistemas puros são aquele que utilizam somente o gerador fotovoltaico como
fonte geradora de energia elétrica.
4.2. Sistemas Híbridos
Sistemas híbridos são aqueles que resultam da associação de outras fontes
geradoras com o gerador fotovoltaico, resultando em um sistema híbrido com mais de
uma fonte de energia integrada ao sistema.
38
4.3. 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 minirede. A Figura 4.1
apresenta a configuração dos SFIs.
Figura 4.1 - Configuração de um Sistema Fotovoltaico Isolado.
39
4.4. 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. Injetamos a energia excedente produzida na rede de
dia e consumimos a noite no período de não geração. A Figura 4.2 apresenta a
configuração dos SFCRs.
Figura 4.2 - Configuração de um Sistema Fotovoltaico conectado à rede.
40
5. EFICIÊNCIA ENERGÉTICA
O objetivo principal da eficiência energética é promover o uso eficiente e racional
da energia elétrica em todos os setores de consumo evitando principalmente o desperdício
de energia. A eficiência no consumo passa pela eficiência energética dos equipamentos
utilizados e nos hábitos do consumidor final [15]. As ações voltadas à eficiência
energética devem ser uma prática constante do consumidor.
A eficiência energética é considerada uma ferramenta poderosa na implementação
de políticas de energia sustentável. O consumo consciente contribui para satisfazer a
demanda futura de energia, baratear seu custo já que é mais barato conservar do que gerar,
aumentar a segurança do fornecimento de energia e reduzir o impacto ambiental.
5.1. Eficiência Energética no Brasil
O Brasil se adaptou aos acordos e metas internacionais e promoveu medidas de
eficiência energética em todos os setores de consumo adotando diversos programas de
eficiência energética [17], podemos citar alguns deles:
Programa CONSERVE - 1981
O programa visava à promoção da conservação de energia na indústria, na
produção de produtos, em processos mais eficientes e à substituição de energéticos
importados pelos nacionais.
Programa Brasileiro de Etiquetagem – PBE – 1984
O programa é coordenado pelo INMETRO e fornece informações sobre eficiência
energética, ruídos e outros critérios que podem auxiliar na escolha de produtos mais
conscientes pelo consumidores.
41
Através de ensaio em laboratórios certificados, os produtos recebem etiquetas de
cores diferentes que permitem avaliar a eficiência energética do produto, a classificação
vai da mais eficiente (A) até menos eficientes (de C até G dependendo do equipamento).
Para exemplificar o que foi dito vamos apresentar etiquetas de alguns
equipamentos, como nas Figuras 5.1, 5.2 e 5.3.
Figura 5.1 - Etiquetagem de um Refrigerador. Fonte [25]
42
Figura 5.2 - Selo para lâmpadas fluorescentes compactas. Fonte [25]
Figura 5.3 - Selo para lâmpadas LED. Fonte [26]
43
Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica – PROCEL – 1985
O programa é coordenado pelo Ministério de Minas e Energia (MME) e executado
pela Eletrobrás para promover o uso eficiente de energia elétrica e combater o
desperdício. O objetivo é contribuir para aumentar a eficiência dos bens e serviços,
aprimorar os hábitos e os conhecimentos sobre o consumo eficiente. As ações do
PROCEL são por meio do selo PROCEL em equipamentos, promoção do uso eficiente
de energia no setor das construções civil, edifícios, residências, comércio e instituições
públicas. Apoiam também as prefeituras para melhoria da iluminação pública e
sinalização semafórica. Os resultados alcançados pelas medidas adotadas no período de
1986 e 2014, foram uma economia total de 80,6 bilhões de kWh.
Figura 5.4 - Selo PROCEL. Fonte [26]
44
Programa Nacional de Eficiência Energética em Edificações – PROCEL
EDIFICA – 2003
Com a mesma finalidade dos programas instaurados anteriormente, o PROCEL
EDIFICA foi instituído pela Eletrobrás/PROCEL atuando de forma conjunta com o
MME. O programa estimula o uso eficiente dos recursos naturais na construção das
edificações, levando em consideração a conservação e o uso eficiente da água, ventilação
e energia elétrica.
A avaliação da eficiência energética das edificações se baseia em categorias
básicas: envoltória, iluminação, condicionamento de ar e aquecimento de água. De acordo
com o Regulamento Técnico de Qualidade no Nível de Eficiência Energética (RTQ) e o
Regulamento de Avaliação da Conformidade do Nível de Eficiência Energética (RAC)
concedidos pelo INMETRO, calcula-se a pontuação do edifício e sua eficiência.
Figura 5.5 - Selo PROCEL para Edificações. Fonte Procel Edifica. Fonte [26]
45
Programa Nacional de Conservação de Petróleo e Derivados – CONCEPT -
1991
O CONPET coordena tecnicamente a regulamentação da Lei 10.290/2001 –
Política Nacional de Conservação e Uso Racional de Energia para os produtos que
consomem derivados de petróleo ou gás natural. O selo CONPET visa mostrar para o
consumidor os modelos que são mais eficientes. Os equipamentos contemplados pelo selo
são os veículos leves, fogões, fornos a gás, aquecedores de água e gás. Atualmente o selo
é concedido pela Petrobras em parceria com INMETRO.
Figura 5.6 - Selo CONPET para aquecedor a gás. Fonte [27]
Lei da Eficiência Energética - 2001
Corresponde ao principal marco regulatório e propõe uma política nacional de
conservação e uso consciente de energia, visando a otimização dos recursos energéticos
e a preservação do meio ambiente em todos os setores da economia.
46
5.2. Características do Consumo no Brasil
A maior parcela da energia elétrica produzida no Brasil é consumida no setor
industrial, cerca de 39%, seguido pelo setor residencial com 25% do consumo, o que
representou 132,77 TWh em 2014. [13]
Figura 5.7 – Consumo de energia elétrica por setor em 2014. Fonte [13]
Discriminando o consumo residencial por região do Brasil, podemos observar a
concentração do consumo na região Sudeste, naturalmente por ser a região mais populosa
do país.
Analisando com cautela a crescente demanda residencial por energia elétrica,
onde as regiões Sudeste, Sul e Nordeste são as principais consumidoras, por sua vez
também são as regiões mais favoráveis a aplicação de fontes alternativas de energia, no
caso particular da energia fotovoltaica, como visto na Figura 2.3, os índices de irradiação
em todo litoral brasileiro e no interior do Nordeste são satisfatórias. Na Figura 5.8
podemos observar o crescimento da demanda residencial entre 2008 e 2014.
39%
25%
25%
11%
Consumo de Energia Elétrica por Setor no Brasil
Industrial Residencial Comercial e Público Outros
47
Figura 5.8 - Consumo Residencial de energia elétrica por região. Fonte [5]
Para avaliarmos de forma mais precisa as características do consumo residencial
no Brasil, vamos avaliar o uso final da energia elétrica pelos consumidores em 2014 como
apresentado na Figura 5.9. Diante dessas informações podemos direcionar as medidas de
eficiência energética.
Figura 5.9 - Características do consumo residencial no Brasil. Fonte [14]
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014
GW
h
Consumo Residencial por Região
Norte
Nordeste
Sudeste
Sul
Centro-Oeste
Ar condicionado8%
Freezer5%
Geladeira17%
Iluminação14%
Chuveiro Elétrico17%
Máquinas de Lavar Roupas
2%
Televisão14%
Outros23%
Consumo Residencial no Brasil
48
5.3. Tecnologias para Eficiência Energética
5.3.1. Iluminação
Existem diversos recursos tecnológicos de baixo e médio investimento para a
otimização do uso da iluminação, o que representa 14% do consumo residencial. Podemos
citar alguns deles:
Diodo Emissor de Luz (LED)
O LED é um dispositivo semicondutor, provido de uma junção p-n apresentado
no item 2.3, ao ser polarizado corretamente permite a passagem de corrente e consequente
geração de luz, cerca de 40% mais eficientes do que as lâmpadas fluorescentes.
Sensor de Presença
Possibilita ligar a luz na presença de calor ou movimento e desligar após um tempo
predeterminado, outra vantagem é a ausência de interruptores e consequente redução dos
condutores utilizados.
Fotocélulas
O relé fotoelétrico é um equipamento que tem por objetivo ligar e desligar um
circuito. Seu princípio de funcionamento faz com que durante o dia o circuito fique
desligado e durante a noite o circuito fique ligado, proporcionando luz natural de dia e
luz artificial à noite.
Dimmers
São interruptores capazes de regular o fluxo de potência de entrada dos circuitos,
podem controlar o brilho das lâmpadas e controle de temperatura de chuveiros elétricos.
49
5.3.2. Ar Condicionado
O consumo residencial de energia elétrica é de 8% para esses equipamentos sendo
o compressor o principal componente que influencia na eficiência energética. Existe uma
nova tecnologia no mercado chamada Split, que é mais eficientes que os de janela e uma
tecnologia chamada inverter capaz de ajustar a velocidade automaticamente do
compressor, o que evita correntes de partidas elevadas no acionamento de compressores
convencionais onde seu funcionamento é on-off em função da temperatura.
5.3.3. Aquecimento de Água
Uma parcela significativa da energia elétrica consumida nas residências é
direcionada para o aquecimento de água, aproximadamente 17%. Para minimizar o gasto
podemos aproveitar o recurso solar para executar a mesma tarefa. Podemos citar algumas
possibilidades:
Aquecedor Solar
O aquecimento da água é realizado por painéis coletores instalados nos telhados
ou lajes das edificações, a inclinação dos painéis e o direcionamento para o Norte é
recomendada para máxima extração igualmente aos SFs.
Coletor Solar
O aquecimento da água é feita por coletores que possuem fluidos específicos que
captam a energia solar e transformam em energia térmica. Desta forma é possível aquecer
outros fluidos.
50
5.4. Métodos de Eficiência Energética
5.4.1. Hábitos Inteligentes
Utilizar os equipamentos de forma equilibrada evitando o consumo excessivo,
evitar o desperdício e reduzir o tempo de uso dos equipamentos que mais consomem
energia são medidas simples que resultam em economia de energia e dinheiro [16].
5.4.2. Iluminação
No projeto de uma residência, a utilização de soluções que aproveitem a luz
natural na edificação são interessantes e ajudam a economizar energia. Outra medida
possível é optar pela substituição da iluminação por lâmpadas mais econômicas e
eficientes, assim como sistemas automáticos de acionamento quando necessário.
5.4.3. Equipamentos Eficientes
Optar por um equipamento que possua o selo PROCEL de economia de energia,
possibilitando escolher um produto com alta eficiência e classificação A ou B. Garantindo
um produto com eficiência energética mínima e consequente redução do consumo.
5.4.4. Aquecimento de Água
Usar de forma racional o chuveiro elétrico já que é um equipamento de alto
consumo, reduzindo o tempo de banho e utilizando o equipamento na posição “verão” no
dias quentes.
51
5.4.5. Ar Condicionado
A melhor forma de aumentar a eficiência energética dos condicionadores de ar é
o correto dimensionamento do equipamento a ser utilizado de acordo com o local do
projeto utilizando um equipamento certificado com selo PROCEL de eficiência garantida,
além de medidas básicas como proteger o aparelho da incidência solar, limpeza periódica
dos filtros, manter o cômodo refrigerado com as portas e janelas fechadas e regular a
temperatura de maneira adequada.
5.4.6. Refrigeradores
Adquirir um refrigerador com selo PROCEL de eficiência e que seja de acordo
com sua necessidade, já que quanto maior o refrigerador maior é o seu consumo, abrir o
refrigerador somente quando necessário, não colocar produtos quentes, verificar a
borracha de vedação das portas e realizar manutenção periódica recomendada pelo
fabricante.
5.5. Proposta I de Eficiência Energética
Esta é uma proposta de eficiência energética formulada para este trabalho, sem
custo e baseada nos hábitos inteligentes de consumo, já que há duas alternativas de
redução de consumo, ou seja, a redução da potência dos equipamentos ou o tempo de
utilização dos mesmos, dessa forma é possível adotar as seguintes medidas básicas para
aumentarmos a eficiência energética:
Redução do tempo de banho para 8 minutos por pessoa.
Redução do tempo de uso do ferro elétrico para 20 minutos.
Redução do tempo do secador de cabelo para 5 minutos.
Redução do tempo de uso do ar condicionado para 6 horas.
Evitar o desperdício de luz resultando na redução de 30 minutos de utilização.
52
5.6. Proposta II de Eficiência Energética
Esta proposta também formulada para este trabalho que requer um médio a alto
investimento inicial, porém o retorno em termos de eficiência energética são mais
significativos do que na Proposta I.
Otimização e substituição de lâmpadas fluorescentes pela tecnologia LED de
acordo com Norma 5410 ou 5413, será adotada a mais eficiente.
Retirada de lâmpadas incandescentes.
Redução do tempo de banho para 8 minutos.
Redução do tempo de uso do ferro elétrico para 20 minutos.
Redução do tempo do secador de cabelo para 5 minutos.
Evitar o desperdício de luz resultando na redução de 30 minutos de utilização.
Substituição e adequação de alguns eletrodomésticos por equipamentos mais
eficientes.
Otimização e substituição dos condicionadores de ar e redução do tempo de
uso para 6 horas.
53
6. METODOLOGIA DE APLICAÇÃO DE SISTEMAS
FOTOVOLTAICOS EM RESIDÊNCIAS
6.1. Método Geral para Implantação de Sistemas Fotovoltaicos Residenciais
Para organizar e facilitar as etapas a serem consideradas no cálculo de
dimensionamento do gerador fotovoltaico assim como todos os componentes necessários
para o funcionamento do sistema, é apresentado o passo-a-passo recomendado para a
realização do projeto na Figura 6.1.
Figura 6.1 - Roteiro de projeto de sistemas fotovoltaicos.
54
6.1.1. Levantamento do Consumo de Energia Elétrica
O primeiro passo para dimensionar o sistema fotovoltaico consiste no
levantamento do consumo de energia elétrica da residência. O ideal é apurar a conta de
luz por pelos menos 12 meses e avaliar o seu consumo médio mensal ao longo do ano
porém há outra forma de obter o consumo médio, como será visto no item 6.2.2.1.
6.1.2. Levantamento do Espaço Disponível
A aplicação de sistemas fotovoltaicos normalmente são realizados sobre os
telhados ou terraços das residências, por receber maior incidência de irradiação solar, mas
nada impede que as novas tecnologias possam ser implementadas em janelas de vidro e
telhas com painéis fotovoltaicos integrados ou mesmo no solo, quando há espaço livre. O
local da instalação influencia diretamente no desempenho do sistema já que a incidência
de radiação solar e o sombreamento afetam diretamente a eficiência do sistema.
6.1.3. Levantamento do Recurso Solar
É possível realizar o levantamento do recurso solar através de softwares gratuitos
ou pagos com bases de dados mediante pontos de medição. Os softwares são avançados
permitindo realizar análise de viabilidade econômica, dimensionamento do sistemas,
simulação do projeto, curvas de carga, cabeamento, dados da irradiância, etc.
Podemos citar alguns programas como Homer, PVsyst, SAM, PV-Sol e SunData
(CRESESB).
Como vamos ver no estudo de caso, o método CRESEB fará uso de ferramenta
computacional (PSCAD 4.5) para obtenção de alguns parâmetros do arranjo necessários.
Já no método Alternativo Conservador fará uso de cálculo analítico.
55
6.1.4. Dimensionamento do Gerador Fotovoltaico
O bom dimensionamento do gerador fotovoltaico é fundamental para uma boa
eficiência e na economia dos componentes dos sistemas. Para realizar o cálculo do
dimensionamento do gerador serão apresentados dois métodos diferentes apresentados
nos itens 6.2.1 e 6.2.2.
6.2. Métodos de Cálculo de Geração Fotovoltaica
6.2.1. Método CRESESB
6.2.1.1. Levantamento do Consumo de Energia Elétrica
A estimativa do consumo de energia elétrica pode ser realizada a partir de uma
tabela simples, que lista os equipamentos utilizados com suas respectivas potências (W),
o número médio de horas de utilização por dia (horas) e o número médio de dias de
utilização dos equipamentos por mês (dias). A multiplicação desses 3 fatores nos retorna
o consumo diário de energia elétrica em Wh por mês. A Tabela 6.1 exemplifica como
podemos realizar a estimativa do consumo de energia com valor hipotéticos.
Tabela 6.1 - Tabela para estimativa do consumo médio mensal de energia. Fonte [3]
Carga Potência
Média (W)
Horas de uso
médio por dia
(horas)
Dias de uso
por mês (dias)
Consumo
Mensal
(Wh/mês)
TV 150 6 30 27000
Geladeira 190 24 30 136800
Lâmpada 60 8 30 14400
Ventilador 100 2 10 2000
Ar condicionado 750 8 20 120000
56
Após a estimativa do consumo obtido através da Tabela 6.1 com valores
hipotéticos, obtivemos um total de 300,2 kWh/mês e 10006,6 Wh/dia e podemos
exemplificar os dois métodos aplicando o resultado às respectivas fórmulas. Através do
item 2.2.3 o recurso solar foi obtido com valor de 4,475 kWh/m² por dia.
6.2.1.2. Dimensionamento do Gerador Fotovoltaico
O método de cálculo de dimensionamento de um sistema fotovoltaico proposto
pelo Manual de Engenharia para Sistema Fotovoltaicos do CRESESB [3] é apresentado
a seguir, na Equação (6.1). Recomenda-se o dimensionamento da geração sobre 90% do
consumo da residência, iremos aplicar os valores hipotéticos da Tabela 6.1 para
apresentar a operacionalidade das fórmulas.
𝑃𝐹𝑉(𝑊𝑃) =
(𝐸 𝑇𝐷)⁄
𝐻𝑆𝑃
𝑃𝐹𝑉(𝑊𝑃) =
0,9 𝑥 10006,60,8
4,475= 2515,64 𝑊𝑝
(6.1)
𝑂𝑛𝑑𝑒,
𝑃𝐹𝑉(𝑊𝑃) − 𝑃𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑜 𝑝𝑎𝑖𝑛𝑒𝑙 𝑓𝑜𝑡𝑜𝑣𝑜𝑙𝑡𝑎𝑖𝑐𝑜
𝐸(𝑊ℎ 𝑑𝑖𝑎)⁄ − 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑑𝑖á𝑟𝑖𝑜 𝑚é𝑑𝑖𝑜 𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙 𝑑𝑎 𝑒𝑑𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎çã𝑜
𝐻𝑆𝑃 (ℎ) − 𝑀é𝑑𝑖𝑎 𝑑𝑖á𝑟𝑖𝑎 𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙 𝑑𝑎𝑠 𝐻𝑆𝑃 𝑖𝑛𝑐𝑖𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑛𝑜 𝑝𝑙𝑎𝑛𝑜 𝑑𝑜 𝑝𝑎𝑖𝑛𝑒𝑙
𝑇𝐷 − 𝑇𝑎𝑥𝑎 𝑑𝑒 𝐷𝑒𝑠𝑒𝑚𝑝𝑒𝑛ℎ𝑜 𝑑𝑜 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 (0,7 − 0.8) [𝐼𝐸𝐴 2007]
57
Após escolher a potência do painel solar, corrigimos a potência do arranjo e de acordo
com a Tabela 3.1 temos:
𝑁° 𝑝𝑎𝑖𝑛é𝑖𝑠 =2515,64
320= 7,86 ≅ 8 𝑝𝑎𝑖𝑛é𝑖𝑠
𝑃𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑔𝑖𝑑𝑎 = 8 𝑥 320 = 2560 𝑊𝑃
6.2.1.3. Dimensionamento do Inversor
A potência do inversor deve ter uma relação aproximadamente de 1:1 com a
potência do arranjo fotovoltaico, porém como dificilmente se atinge a potência máxima
do arranjo, nos leva a subdimensionar a potência do inversor. O Fator de
Dimensionamento do inversor é a relação entre potência nominal CA do inversor e a
potência de pico do gerador, o cálculo do inversor é realizado através da Equação (6.2).
𝐹𝐷𝐼 =
𝑃𝑁𝑐𝑎(𝑊)
𝑃𝐹𝑉(𝑊𝑃)
(6.2)
𝑂𝑛𝑑𝑒,
𝐹𝐷𝐼(𝑎𝑑𝑖𝑚𝑒𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙) − 𝐹𝑎𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑑𝑖𝑚𝑒𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑜 𝑖𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜𝑟 ( 0,75 ≤ 𝐹𝐷𝐼 ≤
1,05)
𝑃𝑁𝑐𝑎(𝑊) − 𝑃𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 𝐶𝐴 𝑑𝑜 𝑖𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜𝑟
𝑃𝐹𝑉(𝑊𝑃) − 𝑃𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑜 𝑝𝑎𝑖𝑛𝑒𝑙 𝑓𝑜𝑡𝑜𝑣𝑜𝑙𝑡𝑎𝑖𝑐𝑜
58
Através da potência do arranjo fotovoltaico foi escolhido no catálogo do
INMETRO um inversor Fronius 2,5 kW com as principais características apresentados
na Tabela 6.2 retiradas da folha de dados do fabricante que se encontra no Anexo 2.
Tabela 6.2 - Dados do inversor Fronius 2,5 kW. Fonte [Dados do fabricante]
Potência Complexa CA 2500 VA
Potência CA 2500 W
Vcc max 550 V
Faixa de tensão de MPPT 165-440 V
Corrente CC max 16,6 A
Rendimento 96,1 %
𝐹𝐷𝐼 =2500
2560= 0,976
A tensão CC de entrada do inversor é proveniente da soma dos módulos
associados em série, as influências de temperatura e irradiância devem ser considerados
nesta parte para não danificarmos o inversor. A máxima tensão ocorre em circuito aberto
e em baixas temperaturas (inverno) e o número máximo de painéis em série segue a
equação (6.3). Para exemplificar usaremos os valores da Tabela 6.2 e 7.7.
𝑁º 𝑝𝑎𝑖𝑛é𝑖𝑠 𝑒𝑚 𝑠é𝑟𝑖𝑒 × 𝑉𝑜𝑐𝑇𝑚𝑖𝑛 < 𝑉𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎𝑚𝑎𝑥
𝑁º 𝑝𝑎𝑖𝑛é𝑖𝑠 𝑒𝑚 𝑠é𝑟𝑖𝑒 <550
39,32= 13,98
(6.3)
𝑂𝑛𝑑𝑒,
𝑉𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎𝑚𝑎𝑥(𝑉) − 𝑀á𝑥𝑖𝑚𝑎 𝑡𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝐶𝐶 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑎𝑑𝑚𝑖𝑡𝑖𝑑𝑎 𝑝𝑒𝑙𝑜 𝑖𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜𝑟
𝑉𝑜𝑐𝑇𝑚𝑖𝑛(𝑉) − 𝑇𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑖𝑟𝑐𝑢𝑖𝑡𝑜 𝑎𝑏𝑒𝑟𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑢𝑚 𝑝𝑎𝑖𝑛𝑒𝑙,
𝑜𝑏𝑡𝑖𝑑𝑎 𝑐𝑜𝑚 𝑎 𝑚𝑒𝑛𝑜𝑟 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎çã𝑜
59
A associação em série dos módulos deve levar em consideração a faixa de tensão
operação do rastreador de máxima potência do inversor, para que sua eficiência não fique
comprometida. O número de módulos em série também deve respeitar a Equação (6.4).
𝑉𝑖𝑚𝑖𝑛𝑀𝑃𝑃𝑇
𝑉𝑚𝑝𝑇𝑚𝑎𝑥< 𝑁º 𝑝𝑎𝑖𝑛é𝑖𝑠 𝑒𝑚 𝑠é𝑟𝑖𝑒 <
𝑉𝑖𝑚𝑎𝑥𝑀𝑃𝑃𝑇
𝑉𝑚𝑝𝑇𝑚𝑖𝑛
165
33,12< 𝑁º 𝑝𝑎𝑖𝑛é𝑖𝑠 𝑒𝑚 𝑠é𝑟𝑖𝑒 <
440
39,32
4,98 < 𝑁º 𝑝𝑎𝑖𝑛é𝑖𝑠 𝑒𝑚 𝑠é𝑟𝑖𝑒 < 11,19
(6.4)
𝑂𝑛𝑑𝑒,
𝑉𝑖𝑚𝑖𝑛𝑀𝑃𝑃𝑇(𝑉) − 𝑀í𝑛𝑖𝑚𝑎 𝑡𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝐶𝐶 𝑑𝑒 𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎çã𝑜 𝑑𝑜 𝑀𝑃𝑃𝑇
𝑉𝑖𝑚𝑎𝑥𝑀𝑃𝑃𝑇(𝑉) − 𝑀á𝑥𝑖𝑚𝑎 𝑡𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝐶𝐶 𝑑𝑒 𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎çã𝑜 𝑑𝑜 𝑀𝑃𝑃𝑇
𝑉𝑚𝑝𝑇𝑚𝑖𝑛(𝑉) − 𝑇𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝑑𝑒 𝑝𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 𝑑𝑒 𝑢𝑚 𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜 𝑓𝑜𝑡𝑜𝑣𝑜𝑙𝑡𝑎𝑖𝑐𝑜,
𝑐𝑜𝑚 𝑚í𝑛𝑖𝑚𝑎 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎çã𝑜
𝑉𝑚𝑝𝑇𝑚𝑎𝑥(𝑉) − 𝑇𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝑑𝑒 𝑝𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 𝑑𝑒 𝑢𝑚 𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜 𝑓𝑜𝑡𝑜𝑣𝑜𝑙𝑡𝑎𝑖𝑐𝑜,
𝑐𝑜𝑚 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎çã𝑜
A corrente CC máxima do inversor é obtida através da quantidade de módulos ou
strings conectados em paralelo. Podemos obter através da Equação (6.5).
𝑁º 𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜𝑠 𝑒𝑚 𝑝𝑎𝑟𝑎𝑙𝑒𝑙𝑜 <
𝐼𝑖𝑚𝑎𝑥
𝐼𝑠𝑐
𝑁º 𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜𝑠 𝑒𝑚 𝑝𝑎𝑟𝑎𝑙𝑒𝑙𝑜 <16,6
10,07= 1,64
(6.5)
60
𝑂𝑛𝑑𝑒,
𝐼𝑖𝑚𝑎𝑥(𝐴) − 𝐶𝑜𝑟𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒 𝐶𝐶 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 𝑎𝑑𝑚𝑖𝑡𝑖𝑑𝑎 𝑝𝑒𝑙𝑜 𝑖𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜𝑟
𝐼𝑠𝑐(𝐴) − 𝐶𝑜𝑟𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑐𝑢𝑟𝑡𝑜 𝑐𝑖𝑟𝑐𝑢𝑖𝑡𝑜 𝑑𝑜 𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜 𝑛𝑎𝑠 𝑆𝑇𝐶
Para realizar a configuração do arranjo fotovoltaico os resultados das Equações
(6.2), (6.3), (6.4) e (6.5) devem ser levados em consideração.
6.2.1.4. Cabeamento CC
O cálculo do cabeamento CC pode ser realizado com o auxílio de tabelas que
levam em consideração a corrente e a queda de tensão máxima permitida pelo projeto,
porém de forma alternativa podemos obter a seção mínima do condutor CC através da
Equação (6.6). No estudo de caso o cabeamento CC e CA serão feito de acordo com as
Equações (6.3) e (6.4).
𝑆(𝑚𝑚2) = 𝜌.
𝑑 . 𝐼
𝛥𝑉
𝑆(𝑚𝑚2) = 0,0178 𝑥((8 × 2) × 1,3) 𝑥 10,07
1> 3,38 𝑚𝑚2
→ 4 𝑚𝑚²
(6.6)
𝑂𝑛𝑑𝑒,
𝜌 (Ω.𝑚𝑚2
𝑚) − 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑜 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑡𝑜𝑟
𝑑 (𝑚) − 𝐷𝑖𝑠𝑡â𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑜 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑡𝑜𝑟, 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑖𝑑𝑒𝑟𝑎𝑛𝑑𝑜 𝑜 𝑡𝑟𝑒𝑐ℎ𝑜 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑡𝑜𝑟𝑛𝑜
𝐼(𝐴) − 𝐶𝑜𝑟𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑞𝑢𝑒 𝑝𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑝𝑒𝑙𝑜 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑡𝑜𝑟
𝛥𝑉(𝑉) − 𝑄𝑢𝑒𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑡𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝑡𝑜𝑙𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑛𝑜 𝑐𝑎𝑏𝑒𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑛𝑜 𝑡𝑟𝑒𝑐ℎ𝑜 𝑎𝑛𝑎𝑙𝑖𝑠𝑎𝑑𝑜
61
6.2.2. Método Alternativo Conservador
Este método foi baseado em duas teses de Mestrado, uma do Instituto Nacional de
Coimbra [19] e outra pelo Instituto Politécnico de Bragança [18], com alterações
sugeridas neste trabalho.
As propostas se baseiam fundamentalmente no cenário brasileiro atual, onde não
há compensação financeira para a potência ativa excedente injetada na rede. Através deste
método nunca vamos gerar 100% do consumo, pois o cálculo do gerador está atrelado à
eficiência dos componentes utilizados, desta forma este método incentiva a utilização de
equipamentos mais eficientes e sua consequente otimização, não há necessidade de
compensar as perdas (Taxa de Desempenho) e nem projetar o gerador a partir de 90% do
consumo como proposto no método CRESESB.
O método leva em consideração os dados do fabricante dos equipamentos
escolhidos e permite o cálculo analítico de parâmetros sem a necessidade de programas
de simulação e de forma conservadora leva em consideração temperaturas extremas de
operação.
6.2.2.1. Levantamento do Consumo de Energia Elétrica
O levantamento da carga é feito da mesma forma que o item 6.2.1.1, que se
aproxima com realidade do consumo médio, já que leva em consideração a potência dos
aparelhos, o número médio de horas de uso por dia e o número médio de dias de uso no
mês.
6.2.2.2. Dimensionamento do Gerador Fotovoltaico
O cálculo da potência de pico do sistema fotovoltaico proposta neste método é
calculada a partir da equação (6.7), o cálculo é feito de forma mais conservadora que no
método anterior, limitando a geração de acordo com a eficiência dos componentes do
62
sistema. Inicialmente adota-se a eficiência igual a 0,9 para escolher os componentes e
repete-se o cálculo (6.8) e (6.7) com os respectivos parâmetros dos modelos escolhidos.
𝑃𝑃𝑃(𝑊𝑝) = 𝜂 ×
𝐸
𝐺
𝑃𝑝𝑝(𝑊𝑝) = 0,9 ×10006,6
4,475= 2012,5 𝑊𝑝
(6.7)
𝑂𝑛𝑑𝑒,
𝑃𝑃𝑃(𝑊𝑝) − 𝑃𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑜 𝑎𝑟𝑟𝑎𝑛𝑗𝑜
𝐸 (𝑊ℎ 𝑑𝑖𝑎) − 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑖𝑎𝑟𝑖𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑒⁄
𝐺 − 𝑛º 𝑑𝑒 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑠𝑜𝑙 𝑝𝑙𝑒𝑛𝑜 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑖𝑑𝑒𝑟𝑎𝑛𝑑𝑜 𝑎 𝑑𝑖𝑟𝑒çã𝑜 𝑒 𝑖𝑛𝑐𝑙𝑖𝑛𝑎çã𝑜
𝜂 − é 𝑜 𝑟𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑜 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 𝑒𝑥𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠𝑜 𝑒𝑚 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑝𝑒𝑟𝑐𝑒𝑛𝑡𝑢𝑎𝑙
Neste momento escolhe-se o painel fotovoltaico e a potência do inversor próximo
a potência do arranjo fotovoltaico (6.7), através da escolha recalcula-se a potência do
arranjo. O inversor Fronius 2,0 kW foi escolhido no catálogo do INMETRO encontrado
no Anexo 3, com os principais dados apresentados na Tabela 6.3.
Para desenvolver este método calcula-se também as Equações (6.11), (6.12) e
(6.13).
Tabela 6.3 - - Dados do inversor Fronius 2,0 kW. Fonte [Dados do fabricante]
Potência Complexa CA 2000 VA
Potência CA 2000 W
Vcc max 420 V
Faixa de tensão de MPPT 120-335 V
Corrente CC max 17,8 A
Rendimento 96 %
63
𝜂𝑃𝑉 =
𝑃𝑀𝑃𝑃𝑇(70°) = 𝑃𝑀𝑃𝑃𝑇(25°) − 45 × (𝑇𝑃 × 𝑃𝑀𝑃𝑃𝑇(25°))
𝑃𝑚á𝑥𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙
𝑇𝑝 = −0,41%/°𝐶
𝑃𝑀𝑃𝑃𝑇(70°) = 320 − 45 × (0,0041 × 320) = 260,96 𝑉
𝜂𝑃𝑉 =260,96
320= 0,8155
(6.8)
𝑂𝑛𝑑𝑒,
𝜂𝑃𝑉
− é 𝑜 𝑟𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑜 𝑝𝑎𝑖𝑛𝑒𝑙 𝑡𝑒𝑛𝑑𝑜 𝑒𝑚 𝑣𝑖𝑠𝑡𝑎 𝑞𝑢𝑒 𝑛ã𝑜 𝑒𝑠𝑡á 𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎𝑛𝑑𝑜 𝑛𝑜 𝑝𝑜𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒
𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 𝑝𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 (80% 𝑑𝑜 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑡í𝑝𝑖𝑐𝑜)
𝜂𝑑𝑖𝑠𝑡 − 𝑟𝑒𝑝𝑟𝑒𝑠𝑒𝑛𝑡𝑎 𝑎𝑠 𝑝𝑒𝑟𝑑𝑎𝑠 𝑛𝑎 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑟𝑖𝑏𝑢𝑖çã𝑜, 𝑠𝑒𝑢 𝑟𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 é 𝑑𝑎 𝑜𝑟𝑑𝑒𝑚 98%
𝜂𝑖𝑛𝑣 − é 𝑜 𝑟𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑜 𝑖𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜𝑟, 𝑑𝑎 𝑜𝑟𝑑𝑒𝑚 𝑑𝑒 90 − 95%
𝜂 = 𝜂𝑃𝑉 × 𝜂𝑑𝑖𝑠𝑡 × 𝜂𝑖𝑛𝑣
𝜂 = 0,8155 × 0,98 × 0,96 = 0,766
(6.9)
𝑃𝑃𝑃 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑔𝑖𝑑𝑎 = 0,766 ×10006,6
4,475= 1712,86 𝑊𝑃
O número de módulos é calculado a partir do quociente entre a potência corrigida
de pico do arranjo e a potência de pico do painel, como na Equação (6.10).
64
𝑁° 𝑑𝑒 𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜𝑠 =
𝑃𝑃𝑃𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑔𝑖𝑑𝑎
𝑃𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑝𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑜 𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜𝑠 𝑒𝑠𝑐𝑜𝑙ℎ𝑖𝑑𝑜
𝑁° 𝑑𝑒 𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜𝑠 =1712,86
320= 5,35 ≅ 6 𝑝𝑎𝑖𝑛é𝑖𝑠
𝑃𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑔𝑖𝑑𝑎 = 6 × 320 = 1920 𝑊𝑃
(6.10)
Cálculo de parâmetros para temperaturas extremas cujos coeficientes podem ser
obtidos na folha de dados do painel, neste caso Tc=0,31%/°C e os dados principais
na Tabela 3.1.
𝑉𝐶𝐴 (−10°𝐶) = 𝑉𝐶𝐴 ( 25°𝐶) + 35 𝑇𝑐(𝑉𝐶𝐴)
𝑉𝐶𝐴 (−10°𝐶) = 45,3 + 35 × (0,0031 × 45,3)) = 50,21 𝑉
(6.11)
𝑉𝑃𝑃𝑀(−10°𝐶) = 𝑉𝑃𝑃𝑀( 25° 𝐶) + 35𝑇𝑐(𝑉𝐶𝐴)
𝑉𝑃𝑃𝑀(−10°𝐶) = 36,8 + 35 × (0,0031 × 36,8)) = 40,8 𝑉
(6.12)
𝑉𝑃𝑃𝑀 ( 70°𝐶) = 𝑉𝑃𝑃𝑀( 25°𝐶) − 45 𝑇𝑐(𝑉𝐶𝐴)
𝑉𝑃𝑃𝑀 ( 70°𝐶) = 36,8 − 45 × (0,0031 × 36,8)) = 31,66 𝑉
(6.13)
𝑂𝑛𝑑𝑒,
𝑉𝐶𝐴 (−10°𝐶) − é 𝑎 𝑡𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑖𝑟𝑐𝑢𝑖𝑡𝑜 𝑎𝑏𝑒𝑟𝑡𝑜 𝑎 − 10°𝐶
𝑉𝐶𝐴 ( 25°𝐶) − é 𝑎 𝑡𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑖𝑟𝑐𝑢𝑖𝑡𝑜 𝑎𝑏𝑒𝑟𝑡𝑜 𝑎 25°𝐶
𝑇𝑐(𝑉𝐶𝐴) − é 𝑜 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑣𝑎𝑟𝑖𝑎çã𝑜 𝑑𝑎 𝑡𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝑒𝑚 𝑓𝑢𝑛çã𝑜 𝑑𝑎 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎
𝑉𝑃𝑃𝑀(−10°𝐶) − é 𝑎 𝑡𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝑑𝑒 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 𝑝𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎 − 10°𝐶
𝑉𝑃𝑃𝑀 ( 70°𝐶) − é 𝑎 𝑡𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝑑𝑒 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 𝑝𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎 70°𝐶
65
6.2.2.3. Dimensionamento do Inversor
Como dito na seção 6.2.1.3 a potência de pico do módulo determina a potência
nominal do inversor, porém na prática raramente se verifica a potência máxima nominal,
por esta razão os inversores são subdimensionado, porém deve-se respeitar as restrições
do equipamento, neste método através da Equação (6.14) e para exemplificar os dados da
Tabela 6.3.
𝑉𝑃𝑃𝑀 min 𝑖𝑛𝑣
𝑉𝑃𝑃𝑀( 70°𝐶)< 𝑁º 𝑑𝑒 𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜𝑠 𝑠é𝑟𝑖𝑒 <
𝑉𝑃𝑃𝑀 max 𝑖𝑛𝑣
𝑉𝑃𝑃𝑀(−10°𝐶)
120
31,66< 𝑁º 𝑑𝑒 𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜𝑠 𝑠é𝑟𝑖𝑒 <
335
40,8
3,79 < 𝑁º 𝑑𝑒 𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜𝑠 𝑠é𝑟𝑖𝑒 < 8,21
(6.14)
Para garantir que o valor máximo de tensão 𝑉𝐶𝐴 de entrada do inversor não seja
excedido, o número máximo de módulos por fileira deve seguir a Equação (6.15).
𝑁º 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑜 𝑑𝑒 𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜𝑠 𝑠é𝑟𝑖𝑒 <
𝑉𝐷𝐶𝑚𝑎𝑥
𝑉𝐶𝐴 (−10°𝐶)
𝑁º 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑜 𝑑𝑒 𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜𝑠 𝑠é𝑟𝑖𝑒 <420
50,21= 8,36
𝑁º 𝑑𝑒 𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜𝑠 𝑠é𝑟𝑖𝑒 = 6
(6.15)
66
𝑁º 𝑑𝑒 𝑓𝑖𝑙𝑒𝑖𝑟𝑎𝑠 =
𝑁º 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜𝑠
𝑁º 𝑑𝑒 𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜𝑠 𝑝𝑜𝑟 𝑓𝑖𝑙𝑒𝑖𝑟𝑎
𝑁º 𝑑𝑒 𝑓𝑖𝑙𝑒𝑖𝑟𝑎𝑠 =6
6= 1
𝑉𝑃𝑃𝑀( 70°𝐶) 𝑑𝑜 𝑎𝑟𝑟𝑎𝑛𝑗𝑜 > 𝑉 𝑚í𝑛𝑖𝑚𝑎 𝑖𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜𝑟
6 × 31,66 = 189,96 𝑉 > 120 𝑉
𝑉𝑃𝑃𝑀(−10°𝐶) 𝑑𝑜 𝑎𝑟𝑟𝑎𝑛𝑗𝑜 < 𝑉 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 𝑖𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜𝑟
6 × 40,8 = 244,8 𝑉 < 335 𝑉
𝑉𝐶𝐴 (−10°𝐶) 𝑑𝑜 𝑎𝑟𝑟𝑎𝑛𝑗𝑜 < 𝑉𝑐𝑐 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 𝑖𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜𝑟
6 × 50,21 = 301,26 𝑉 < 440 𝑉
𝐼𝑃𝑃𝑀 𝑑𝑜 𝑎𝑟𝑟𝑎𝑛𝑗𝑜 < 𝐼𝐶𝐶𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 𝑖𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜𝑟
1 × 9,26 = 9,26 𝐴 < 17,8 𝐴
(6.16)
6.3. Cabeamento CC
O dimensionamento dos cabos CC pode ser feitos pelo auxílio de tabelas, porém
podemos obter a seção mínima através da Equação (6.17). Este método será utilizado em
todos os cálculos do estudo de caso. Para exemplificar o cálculo do comprimento do cabo
CC considera-se a quantidade, o maior comprimento do painel, mais uma folga de 30% e
uma queda de tensão máxima de 1%.
𝐴𝐷𝐶 =
2 × 𝐿𝐷𝐶 × 1,25 × 𝐼𝑠𝑐
𝛥𝑉(%) × 𝑉𝑀𝑃𝑃𝑇𝑎𝑟𝑟𝑎𝑛𝑗𝑜 × (1/𝜌 )
𝐿𝐷𝐶 = (6 × 2) × 1,3 = 15,6 𝑚
(6.17)
67
𝐴𝐷𝐶 =2 × 15,6 × 1,25 × 9,26
0,01 × 6 × 31,66 × 56 > 3,4 𝑚𝑚2 → 4 𝑚𝑚²
𝑂𝑛𝑑𝑒,
𝐿𝐷𝐶(𝑚) − 𝑡𝑒𝑐ℎ𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑏𝑒𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝐶𝐶 𝑠𝑒𝑚 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑖𝑑𝑒𝑟𝑎𝑟 𝑜 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑡𝑜𝑟𝑛𝑜
𝐼𝑆𝐶(𝐴) − 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑐𝑢𝑟𝑡𝑜 𝑐𝑖𝑟𝑐𝑢𝑖𝑡𝑜 𝑑𝑜 𝑡𝑟𝑒𝑐ℎ𝑜 𝑎𝑛𝑎𝑙𝑖𝑠𝑎𝑑𝑜
𝛥𝑉(%) − 𝑞𝑢𝑒𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑡𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝑑𝑒𝑠𝑒𝑗𝑎𝑑𝑎
𝜌 (Ω.𝑚𝑚2
𝑚) − 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑜 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑡𝑜𝑟
𝑉𝑀𝑃𝑃𝑇𝑎𝑟𝑟𝑎𝑛𝑗𝑜(𝑉) − 𝑡𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝑑𝑒 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 𝑝𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑜 𝑎𝑟𝑟𝑎𝑛𝑗𝑜
6.4. Cabeamento CA
O dimensionamento dos cabos CA pode ser feitos com auxílio de tabelas, porém
podemos determinar a seção mínima dos cabos através da Equação (6.19). Para isso
vamos relacionar a potência de saída do inversor (VA), um fator de potência unitário e a
tensão da rede para obter a corrente nominal CA, Equação (6.18). Este método será usado
no estudo de caso. Considerando os valores da Tabela 6.3 e um comprimento de 10 metros
para conexão do inversor com o quadro de distribuição.
𝐼𝑁𝐴𝐶=
𝑃𝐶𝐴𝑖𝑛𝑣
𝑉𝑁𝑟𝑒𝑑𝑒 × 𝑐𝑜𝑠𝜃
𝐼𝑁𝐴𝐶=
2000
220 × 1= 9,1 𝐴
(6.18)
𝐴𝐴𝐶 =
2 × 𝐿𝐴𝐶 × 𝐼𝑁𝐶𝐴 × 𝑐𝑜𝑠𝜃
𝛥𝑉(%) × 𝑉𝑁𝑟𝑒𝑑𝑒 × (1/𝜌 )
(6.19)
68
𝐴𝐴𝐶 =2 × 10 × 9,1 × 1
0,01 × 220 × 56> 1,47 𝑚𝑚2 → 2,5 𝑚𝑚²
𝑂𝑛𝑑𝑒,
𝑃𝐶𝐴𝑖𝑛𝑣 (𝑉𝐴) − 𝑃𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑠𝑎í𝑑𝑎 𝑒𝑚 𝑉𝐴 𝑑𝑜 𝑖𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜𝑟
𝑉𝑁𝑟𝑒𝑑𝑒(𝑉) − 𝑇𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝑑𝑎 𝑟𝑒𝑑𝑒 𝑒𝑙é𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎
𝑐𝑜𝑠𝜃 − 𝑓𝑎𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑝𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎
𝐿𝐶𝐴(𝑚) − 𝑡𝑟𝑒𝑐ℎ𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑏𝑒𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝐶𝐴
𝛥𝑉(%) − 𝑞𝑢𝑒𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑡𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝑑𝑒𝑠𝑒𝑗𝑎𝑑𝑎
𝜌 (Ω.𝑚𝑚2
𝑚) − 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑜 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑡𝑜𝑟
6.5. Proteção
A proteção das instalações elétricas são fundamentais para a segurança do sistema
e de seus usuários. Existem diversos tipos de proteção que diante de alguma anormalidade
atuam para garantir a integridade do sistema e a segurança do usuário.
6.5.1. Disjuntores CA
Os disjuntores CA podem ser dimensionados de acordo com a Norma 5410 [28] pela
Equação (6.20).
𝐼𝑁𝑐𝑖𝑟𝑐𝑢𝑖𝑡𝑜< 𝐼𝑑𝑖𝑠𝑗𝑢𝑛𝑡𝑜𝑟 < 𝐼𝑚á𝑥𝑠𝑒çã𝑜
9,1 𝐴 < 𝐼𝑑𝑖𝑠𝑗𝑢𝑛𝑡𝑜𝑟 < 24 𝐴
(6.20)
69
6.5.2. Fusível CC
A proteção deve ser realizada tanto do lado CA quanto do lado CC do sistema,
uma alternativa de proteção é o fusível que pode ser dimensionado a partir da Equação
(6.21).
𝐼𝑓𝑢𝑠í𝑣𝑒𝑙 = 1,25 × 𝐼𝑠𝑐𝑟𝑎𝑚𝑜
𝐼𝑓𝑢𝑠í𝑣𝑒𝑙 = 1,25 × 9,26 = 11,57 𝐴
(6.21)
70
7. ESTUDO DE CASO
O objetivo do projeto é formatar uma metodologia de projeto de geração
fotovoltaica residencial, bem como de sua execução incluindo medidas de eficiência
energética 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 sequências de
cálculos de acordo com dois métodos ligeiramente diferentes. Neste capítulo será
apresentado um estudo de caso, em que se comparam resultados calculados pelas duas
metodologias de projeto fotovoltaico apresentadas associadas a duas propostas de
eficientização energética.
A ideia é aderir às medidas de eficiência energética antecipadamente ao
dimensionamento do gerador fotovoltaico de pequeno/médio porte para qualquer
residência. Desta forma cada projeto deverá levar em consideração a sua localização, o
recurso solar disponível e o local onde os painéis podem ser instalados, evitando
sombreamento e posicionando-os de preferência inclinados com mesmo ângulo da
latitude local (aproximadamente 23° no Estado do Rio de Janeiro) e virados para o Norte
já que nossa localização é no hemisfério Sul.
Os SFs residenciais normalmente seguem a inclinação do telhado da edificação e
não há sombreamento entre os módulos. Neste estudo de caso será apresentado um caso
genérico para uma residência na região Sudeste do Brasil; o método pode ser aplicado
tanto para residências familiares ou edifícios.
A residência está localizada no bairro da Tijuca no Rio de Janeiro, favorecida do
último andar do edifício. As características do telhado e do local são favoráveis a
aplicação de geração fotovoltaica, já que possui uma leve inclinação e estão direcionados
para o Norte, como pode ser visto na Figura 7.1.
71
Figura 7.1 - Local do projeto fotovoltaico. Fonte [30]
Apesar de existir uma edificação mais alta junto ao local do projeto, podemos
analisar o ótimo posicionamento do telhado em relação ao movimento de translação da
Terra ao redor do Sol e as trajetórias de nascer e pôr do sol nas diferentes épocas do ano,
apresentados na Figura 7.2, o que proporciona áreas com baixo sombreamento somente
no verão onde temos dias mais longos, nos levando a desprezar a condição de
sombreamento neste estudo de caso.
Figura 7.2 - Trajetória do Sol nas diferentes épocas do ano no hemisfério Sul. Fonte [30]
N S
O
L
Verão Inverno
72
Para que possamos analisar a real mudança do consumo de energia elétrica vamos
nos basear em equipamentos utilizados atualmente na residência, a partir deste ponto
vamos propor dois métodos de eficiência energética, o primeiro somente pela mudança
nos hábitos de consumo e o segundo adotando as mesmas medidas propostas inicialmente
e a adequação e/ou substituição dos aparelhos domésticos.
Uma forma rápida de obter o consumo mensal médio para o dimensionamento
fotovoltaico é verificar a conta de energia elétrica da residência e analisar pelo menos os
últimos 12 meses para obter o consumo médio mensal, porém neste trabalho vamos
analisar mais profundamente o consumo dos equipamentos domésticos através dos
métodos propostos.
Por fim analisaremos a redução do consumo e projetaremos um sistema
fotovoltaico para suprir aproximadamente 90% da demanda residencial, o que é
recomendado para os sistemas fotovoltaicos no Brasil já que não há compensação
financeira para a energia excedente injetada na rede.
Precisamos saber a área disponível para implementarmos o sistema, esta
informação é fundamental pois pode restringir o número de painéis que o sistema
necessita. O telhado do prédio pertencente ao imóvel dispõe de aproximadamente 50 m²,
como pode ser visto na Figura 7.3.
O estudo de caso visa a eficiência energética dos aparelhos usados no momento
da análise e posteriormente sua adequação, não é o caso de um reestruturação da parte
elétrica e sim de medidas imediatas na redução do consumo.
Figura 7.3 - Vista aérea do local do projeto e área disponível para o projeto. Fonte [30]
73
7.1. Planta Baixa
A planta baixa da residência em estudo é apresentada na Figura 7.3 abaixo, assim
como os equipamentos utilizados pelos moradores, na Tabela 7.1. Os hábitos e horas de
utilização dos principais aparelhos domésticos foram feitos a partir de pesquisa pessoal
com os três moradores da residência.
Figura 7.4 - Planta baixa da residência.
74
7.2. Balanço de Carga
Tabela 7.1 – Principais equipamentos utilizados na residência do projeto.
Cômodos Equipamentos Quantidade Potência (W)
Média horas uso
por dia
N° de dias no
mês
Consumo Wh/mês
Sala TV LCD 42" 1 180 6 24 25920
Receptor de TV 1 18 6 24 2592
DVD 1 12 0,5 4 24
Telefone Fixo 1 5 24 30 3600
Som 1 73 5 30 10950
Roteador 1 6 24 30 4320
Lâmpadas Incandescentes 60W 2 120 8 24 23040
Lâmpadas Fluorescentes 40W 6 240 8 24 46080
Cozinha/ Área de Serviço
Geladeira 403 L 1 96 24 30 69120
Micro Ondas 1 800 0,25 25 5000
Fogão 1 50 1,5 25 1875
Máquina Lavar Roupa 1 540 1 6 3240
Ferro Elétrico 1 1200 1 4 4800
Lâmpadas incandescentes 100W 2 200 8 24 38400
Lâmpadas fluorescentes 40W 4 160 8 24 30720
Quarto Serviço
Ventilador de Teto 1 125 4 4 2000
Lâmpadas fluorescentes 60W 2 120 8 4 3840
Banheiro de
Serviço
Chuveiro Elétrico Serviço 1 4000 0,15 4 2400
Lâmpadas fluorescentes 40W 2 80 8 4 2560
Quarto 1 TV LCD 42” 1 155 4 26 16120
Ar condicionado janela 10000BTU 1 1000 8 15 120000
Ventilador de Teto 1 110 2 10 2200
Lâmpadas fluorescentes 40W 3 120 8 30 28800
Laptop 1 90 8 20 14400
Som pequeno 1 35 2 20 1400
Receptor de TV 1 18 8 30 4320
Vídeo game 1 216 1 8 1728
Quarto 2 Ar condicionado janela 7500 BTU 1 754 8 15 90480
Computador Desktop 1 40 8 20 6400
TV LCD 32" 1 120 6 28 20160
Lâmpadas fluorescentes 40W 3 120 8 30 28800
Banheiro Principal
Chuveiro Elétrico Principal 1 5000 0,6 30 90000
Secador de Cabelo 1 1600 0,2 30 9600
Lâmpadas Fluorescentes 40 W 2 80 1 30 2400
Total 17483 717289
75
O consumo total médio calculado através da Tabela 6.1 é aproximadamente
717,29 kWh por mês, sendo os equipamentos de condicionamento de ar, chuveiro
elétrico, iluminação, geladeira e televisores os principais consumidores.
Figura 7.5 - Características do consumo residencial do projeto.
7.3. Memória Descritiva do Cálculo
Serão aplicados a este consumo de energia elétrica residencial, calculado a partir
da Tabela 6.1, os dois métodos de eficiência energética propostos nos itens 5.6 e 5.7 e em
seguida o dimensionamento do gerador fotovoltaico necessário para suprir até 100% da
demanda, calculado pelos métodos propostos nos itens 6.2.1 e 6.2.2.
Iluminação28%
Chuveiro elétrico13%
Ar condicionado29%
Secador de cabelo
1%
Outros9%
TV´s9%
Geladeira10%
Ferro elétrico1%
Iluminação Chuveiro elétrico Ar condicionado Secador de cabelo
Outros TV´s Geladeira Ferro elétrico
76
A Tabela 7.2 sugere a substituição de alguns equipamentos domésticos, a
adequação da iluminação de acordo com as Norma 5410 e 5413, adotando a mais eficiente
e a implementação de aquecedor solar para aquecimento de água cujas mudanças no
consumo são apresentadas nas Tabelas 7.3 e 7.4.
Tabela 7.2 - Proposta de substituição de equipamentos e adequação da iluminação. Fonte [25]
Aparelho Atual Wh/mês Aparelho mais eficiente Wh/mês
TV LCD 42" 25920 TV LED 42" 17280
Lâmpadas Incandescentes 21600 Lâmpadas LED 3780
Lâmpadas Fluorescentes 43200 Lâmpadas Fluorescentes 21600
Geladeira 403 L 69120 Geladeira 236 L 24800
Lâmpadas incandescentes 36000 Lâmpadas incandescentes 0
Lâmpadas fluorescentes 28800 Lâmpadas fluorescentes 43200
Lâmpadas fluorescentes 2400 Lâmpadas fluorescentes 3600
Ar condicionado7500 BTU 67860 Ar condicionado 7500 BTU 60300
Chuveiro Elétrico 60000 Chuveiro Elétrico 48000
Lâmpadas Fluorescentes 1200 Lâmpadas Fluorescentes 1800
O aquecedor solar que será utilizado na Proposta II de eficiência energética será
calculado da seguinte forma, nos dias de sol (202 dias – Embratur) o aquecimento da água
provida pelo aquecedor solar possibilitará o uso do chuveiro elétrico na posição “verão”
e nos dias nublados (158 dias – Embratur) o aquecedor solar não terá representatividade
no aquecimento da água e o chuveiro elétrico será utilizado na posição “inverno”, um
estudo mais aprofundado do aproveitamento do aquecimento solar é fundamental em
projetos específicos, não sendo objeto de estudo deste trabalho.
Tabela 7.3 - Análise do chuveiro elétrico principal após o aquecedor solar.
Chuveiro Elétrico Principal
Potência (W)
Horas de uso (h)
N° dias de uso no
mês
Meses equivalentes
Consumo anual
(Wh/ano)
Novo consumo mensal
Wh/mês
Antigo consumo mensal
Wh/mês
Economia
Verão 2500 0,4 30 7 210000 17500
60000 37,50% Inverno 4000 0,4 30 5 240000 20000
Total 12 450000 37500
77
Tabela 7.4 - Análise do chuveiro elétrico de serviço após o aquecedor solar.
Chuveiro Elétrico Serviço
Potência (W)
Horas de uso (h)
N° dias de uso no
mês
Meses equivalentes
Consumo anual
(Wh/ano)
Novo consumo mensal
Wh/mês
Antigo consumo mensal
Wh/mês
Economia
Verão 2500 0,133 4 7 9310 775
2128 21,94% Inverno 4000 0,133 4 5 10640 886
Total 12 19950 1661
O acréscimo do aquecedor solar ajudou a reduzir o consumo do chuveiro elétrico
principal em 37,5% e o chuveiro elétrico de serviço proporcionou uma economia de
21,94%.
78
Tabela 7.5 - Proposta I de eficiência energética.
Proposta I de Eficiência Energética
Equipamentos Quantidade Potência
(W)
Média horas
uso por dia
N° de dias no
mês
Consumo Wh/mês
TV LCD 42" 1 180 6 24 25920
Receptor de TV 1 18 6 24 2592
DVD 1 12 0,5 4 24
Telefone Fixo 1 5 24 30 3600
Som 1 73 5 30 10950
Roteador 1 6 24 30 4320
Lâmpadas Incandescentes 2 120 7,5 24 21600
Lâmpadas Fluorescentes 6 240 7,5 24 43200
Geladeira 403 L 1 96 24 30 69120
Micro Ondas 1 800 0,25 25 5000
Fogão 1 50 1,5 25 1875
Máquina Lavar Roupa 1 540 1 6 3240
Ferro Elétrico 1 1200 0,333 4 1598,4
Lâmpadas incandescentes 2 200 7,5 24 36000
Lâmpadas fluorescentes 4 160 7,5 24 28800
Ventilador de Teto 1 125 4 4 2000
Lâmpadas fluorescentes 2 120 7,5 4 3600
Chuveiro Elétrico Serviço 1 4000 0,133 4 2128
Lâmpadas fluorescentes 2 80 7,5 4 2400
TV LCD 42” 1 155 4 26 16120
Ar condicionado janela 10000BTU 1 1000 6 15 90000
Ventilador de Teto 1 110 2 10 2200
Lâmpadas fluorescentes 3 120 7,5 30 27000
Laptop 1 90 8 20 14400
Som pequeno 1 35 2 20 1400
Receptor de TV 1 18 8 30 4320
Vídeo game 1 216 1 8 1728
Ar condicionado janela 7500 BTU 1 754 6 15 67860
Computador Desktop 1 40 8 20 6400
TV LCD 32" 1 120 6 28 20160
Lâmpadas fluorescentes 3 120 7,5 30 27000
Chuveiro Elétrico Principal 1 5000 0,4 30 60000
Secador de Cabelo 1 1600 0,083 30 3984
Lâmpadas Fluorescentes 2 80 0,5 30 1200
Total 611739,4
Economia 14,70%
79
Tabela 7.6 - Proposta II de Eficiência Energética.
Proposta II de Eficiência Energética
Equipamentos Quantidade Potência
(W)
Média horas
uso por dia
N° de
dias no
mês
Consumo Wh/mês
TV LED 42" 1 120 6 24 17280
Receptor de TV 1 18 6 24 2592
DVD 1 12 0,5 4 24
Telefone Fixo 1 5 24 30 3600
Som 1 73 5 30 10950
Roteador 1 6 24 30 4320
Lâmpadas LED 3 21 7,5 24 3780
Lâmpadas Fluorescentes 3 120 7,5 24 21600
Geladeira 236 L 1 0 0 0 24800
Micro Ondas 1 800 0,25 25 5000
Fogão 1 50 1,5 25 1875
Máquina Lavar Roupa 1 540 1 6 3240
Ferro Elétrico 1 1200 0,333 4 1598,4
Lâmpadas incandescentes 0 0 0 0 0
Lâmpadas fluorescentes 6 240 7,5 24 43200
Ventilador de Teto 1 125 4 4 2000
Lâmpadas fluorescentes 2 120 7,5 4 3600
Chuveiro Elétrico Serviço 1 4000/2500 0,133 4 1662
Lâmpadas fluorescentes 3 120 7,5 4 3600
TV LCD 42” 1 155 4 26 16120
Ar condicionado janela 10000BTU 1 1000 6 15 90000
Ventilador de Teto 1 110 2 10 2200
Lâmpadas fluorescentes 3 120 7,5 30 27000
Laptop 1 90 8 20 14400
Som pequeno 1 35 2 20 1400
Receptor de TV 1 18 8 30 4320
Vídeo game 1 216 1 8 1728
Ar condicionado janela 7500 BTU 1 670 6 15 60300
Computador Desktop 1 40 8 20 6400
TV LCD 32" 1 120 6 28 20160
Lâmpada fluorescentes 3 120 7,5 30 27000
Chuveiro Elétrico Principal 1 4000/2500 0,4 30 37500
Secador de Cabelo 1 1600 0,083 30 3984
Lâmpadas Fluorescentes 3 120 0,5 30 1800
Total 469033,4
Economia 34,61%
80
O consumo residencial atual é cerca de 717,29 kWh/mês de acordo com o
consumo estimado calculado através da Tabela 6.1.
A proposta I de eficiência energética, que somente adota medidas na mudança dos
hábitos de consumo direcionados principalmente para os equipamentos que consomem
mais energia, gerou uma economia de 14,7%, reduzindo consumo para 611,74 kWh/mês.
Os aparelhos substituídos na proposta II encontram-se na Tabela 7.2 e foram
escolhidos através do catálogo de equipamentos certificados no INMETRO com
eficiência energética classe A, os catálogos encontram-se no Anexo 2.
A proposta II de eficiência energética adota as medidas da proposta I e sugere a
substituição e adequação de alguns equipamentos que possuem maior representatividade
no consumo e a adoção de aquecedor solar. Tais medidas resultaram em uma economia
de 34,61%, reduzindo o consumo para 469,03 kWh/mês. A redução do consumo pode ser
visto na Figura 7.6.
Figura 7.6 - Redução do consumo de energia após as medidas de eficiência energética.
0
100000
200000
300000
400000
500000
600000
700000
800000
Consumo atual Consumo Proposta I Consumo Proposta II
Wh
/mês
Iluminação Chuveiro Elétrico Ar condicionado Outros TV Geladeira
81
7.4. Levantamento do Recurso Solar
O levantamento do recurso solar para o local do projeto foi obtido através do
software SunData do CRESESB. Este programa fornece os dados de três pontos mais
próximos onde ocorrem medição, obtivemos o valor médio neste caso.
Figura 7.7 - Dados obtidos pelo SunData. Fonte [3]
Figura 7.8 - Dados obtidos pelo PVSyst. Fonte [PVSyst]
82
Para efeito de comparação obtivemos o recurso solar através do software PVSyst
que fornece os dados de incidência solar do próprio local do projeto, como foi visto na
Figura 7.8.
Como os resultados obtidos foram muito próximos, fizemos a média entre os dois
resultados obtidos.
Os dados fornecidos são da irradiação global captada na horizontal mas como já
foi dito, a inclinação dos módulos igual a latitude otimiza a extração de potência e há um
pequeno acréscimo nas HSP.
CRESESB
𝐻𝑆𝑃𝑚é𝑑𝑖𝑜 =4,1 + 4,65 + 4,66
3= 4,46
𝑘𝑊ℎ
𝑚2 𝑝𝑜𝑟 𝑑𝑖𝑎
PVSyst
𝐻𝑆𝑃 = 4,49 𝑘𝑊ℎ
𝑚2 𝑝𝑜𝑟 𝑑𝑖𝑎
HSP utilizado no estudo de caso
𝐻𝑆𝑃𝑒𝑠𝑡𝑢𝑑𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑠𝑜 =(4,46 + 4,49)
2= 4,475
𝑘𝑊ℎ
𝑚2 𝑝𝑜𝑟 𝑑𝑖𝑎
83
7.5. Aplicação dos Métodos de Dimensionamento Fotovoltaico
7.5.1. Método CRESESB
7.5.1.1. Proposta I de Eficiência Energética
A seguir será executado o passo a passo proposto no Método CRESESB.
Para iniciar o desenvolvimento alguns dados preliminares foram levantados, como
apresentado abaixo. Os dados de temperatura foram obtidos no INMET (Instituto
Nacional de Meteorologia) afim de aumentar a confiabilidade do sistema, dimensionando
o gerador fotovoltaico com as temperaturas extremas já registradas no Rio de Janeiro.
𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑚í𝑛𝑖𝑚𝑎 𝑟𝑒𝑔𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑛𝑜 𝑅𝐽 (𝐹𝑟𝑖𝑏𝑢𝑟𝑔𝑜) = 1,5°𝐶
𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 𝑟𝑒𝑔𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑛𝑜 𝑅𝐽 (𝑆𝑎𝑛𝑡𝑎 𝐶𝑟𝑢𝑧) = 43,2°𝐶
O consumo será calculado conforme o passo 6.2.1.1 para podermos dimensionar
a potência do arranjo e consequentemente o número de painéis necessários de acordo com
a potência do painel escolhido. A taxa de desempenho (TD) de referência escolhida foi
0,8 de acordo com indicação do CRESESB (0,7 e 0,8 no Brasil).
𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑚𝑒𝑛𝑠𝑎𝑙 𝑚é𝑑𝑖𝑜 = 611739,4 𝑊ℎ/𝑚ê𝑠
(6.2.2.1)
𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑑𝑖á𝑟𝑖𝑜 𝑚é𝑑𝑖𝑜 =611739,4
30= 20391,31 𝑊ℎ/𝑑𝑖𝑎
90% 𝑑𝑜 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑑𝑖á𝑟𝑖𝑜 𝑚é𝑑𝑖𝑜 = 0,9 × 20391,31 = 18352,18 𝑊ℎ/𝑑𝑖𝑎
84
𝑃𝐹𝑉(𝑊𝑃) =
18352,180,8
4,475= 5126,3 𝑊𝑃
(6.1)
O painel Canadian Solar CS6X-320P foi escolhido para o estudo de caso, as
características do fabricante estão na Tabela 3.1 e na Tabela 7.5. Vamos apresentar alguns
dados necessários para executar este método: os dados foram obtidos no software PSCAD
4.5 através da simulação da temperatura; no método Alternativo Conservador vamos
realizar esse cálculo de forma analítica de acordo com o coeficiente de variação da tensão
e da potência em função da temperatura:
𝑁° 𝑝𝑎𝑖𝑛é𝑖𝑠 =5126
320= 16,01
𝑃𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑔𝑖𝑑𝑎 = 16 × 320 = 5120 𝑊𝑃
Tabela 7.7 - Dados do painel necessários para este método. Fonte [PSCAD 4.5]
Características Canadian Solar 320W
VmpTmin (1,5°) 39,32 V
VmpTmax (43,2°) 33,12 V
Isc (43,2°) 10,07 A
VocTmin (1,5°) 48,18 V
A escolha da potência do inversor pode ter razão 1:1 com a potência do arranjo
fotovoltaico (6.1), mas como raramente se confere a potência máxima do arranjo
fotovoltaico, leva-se a subdimensionar o inversor.
𝐼𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜 𝑒𝑠𝑐𝑜𝑙ℎ𝑖𝑑𝑜: 𝐴𝐵𝐵 PVI − 5000 − TL − OUTD
85
Tabela 7.8 - Características do inversor ABB PVI5000-TL-OUTD. Fonte [Dados do fabricante]
Características Inversor 5000
S máximo 5560 VA
Potência Nominal AC 5000 W
Vcc máximo 600 V
Variação V mppt 150-530 V
I cc máximo 36 A
Rendimento 97%
𝐹𝐷𝐼 =
5000
5120= 0,976
(6.2)
𝑁° 𝑆é𝑟𝑖𝑒 <
600
48,18= 12,45
(6.3)
150
33,12< 𝑁° 𝑆é𝑟𝑖𝑒 <
530
39,32
(6.4)
4,52 < 𝑁° 𝑆é𝑟𝑖𝑒 < 13,48
(6.4)
𝑁° 𝑃𝑎𝑟𝑎𝑙𝑒𝑙𝑜 <
36
10,07= 3,57
(6.5)
Configuração do arranjo de 16 painéis fotovoltaicos de acordo com as restrições.
𝑁° 𝑆é𝑟𝑖𝑒 < 12,45
4,52 < 𝑁° 𝑆é𝑟𝑖𝑒 < 13,48
𝑁° 𝑃𝑎𝑟𝑎𝑙𝑒𝑙𝑜 < 3,57
86
𝐸𝑠𝑐𝑜𝑙ℎ𝑎:
𝑁° 𝑆é𝑟𝑖𝑒 = 8
𝑁° 𝑃𝑎𝑟𝑎𝑙𝑒𝑙𝑜 = 2
Figura 7.9 - Configuração do arranjo de acordo com as restrições de projeto.
8 x Voc (1,5°) = 385,44 V
Isc (43,2°) = 10,07 A
2 x Isc (43,2°) = 20,14 A
87
Verificação se o arranjo escolhido pode ser usado devido às restrições do inversor.
8 × 𝑉𝑜𝑐(1,5°𝐶) = 385,44 𝑉 < 600𝑉
2 × 𝐼𝑠𝑐(43,2°𝐶) = 20,14 𝐴 < 36 𝐴
8 × 𝑉𝑚𝑝𝑇𝑚𝑖𝑛(1,5°𝐶) = 314,56 𝑉 < 530 𝑉
8 × 𝑉𝑚𝑝𝑇𝑚𝑎𝑥(43,2°𝐶) = 264,96 𝑉 > 150 𝑉
𝐹𝐷𝐼 = 0,976 (0,75 − 1,05)
O cabeamento CC e CA serão calculados através das equações de numeração
(6.17), (6.18) e (6.19).
Cabeamento CC
O cabeamento será calculado com o maior comprimento do módulo ou dos
módulos e uma folga de 30%, sendo o maior comprimento igual a dois metros e em todos
os casos admitindo uma queda de tensão máxima de 1%.
𝐿𝐷𝐶 = (8 × 2) + 30% = 20,8 𝑚
𝐴𝐷𝐶 𝑑𝑎 𝑓𝑖𝑙𝑒𝑖𝑟𝑎 =
2 × 20,8 × 1,25 × 10,07
0,01 × (8 × 33,12) × 56> 3,53 𝑚𝑚2
→ 4 𝑚𝑚²
(6.17)
𝐴𝐷𝐶 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑒𝑥ã𝑜 𝑐𝑜𝑚 𝑖𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜𝑟 =
2 × 20 × 1,25 × 20,14
0,01 × (8 × 33,12) × 56
> 6,78 𝑚𝑚2 → 10 𝑚𝑚²
(6.17)
88
Cabeamento CA
Da mesma forma que no dimensionamento dos cabos CC foi considerada uma
queda de tensão máxima de 1% e a distância de conexão com o quadro de distribuição de
10 metros.
𝐼𝑁𝐶𝐴
=5560
220 × 1= 25,27 𝐴
(6.18)
𝐴𝐴𝐶𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑒𝑥ã𝑜 𝑐𝑜𝑚 𝑞𝑢𝑎𝑑𝑟𝑜 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑟𝑖𝑏𝑢𝑖çã𝑜
=2 × 10 × 25,27 × 1
0,01 × 220 × 56> 4,1𝑚𝑚2 → 6𝑚𝑚²
(6.19)
Proteção CC
Os fusíveis de fileiras devem ser instalados tanto no polo positivo quanto no polo
negativo do sistema fotovoltaico e pode ser dimensionado de acordo com a equação
(6.21).
𝐼𝑓𝑢𝑠í𝑣𝑒𝑙 = 1,25 × 10,07 = 12,58 𝐴 (6.21)
Proteção CA
De acordo com a Norma 5410 podemos dimensionar os disjuntores do circuito
CA de acordo com a equação (6.20), onde o disjuntor deve estar compreendido entre a
corrente máxima que a seção do condutor escolhido suporta e a corrente nominal CA do
sistema.
25,27𝐴 < 𝐼𝑑𝑖𝑠𝑗𝑢𝑛𝑡𝑜𝑟 < 34 𝐴 (6.20)
89
7.5.1.2. Proposta II de Eficiência Energética
𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑚𝑒𝑛𝑠𝑎𝑙 𝑚é𝑑𝑖𝑜 = 469033,4 𝑊ℎ/𝑚ê𝑠
(6.2.2.1)
𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑑𝑖á𝑟𝑖𝑜 𝑚é𝑑𝑖𝑜 =469033,4
30= 15634,44 𝑊ℎ/𝑑𝑖𝑎
90% 𝑑𝑜 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑑𝑖á𝑟𝑖𝑜 𝑚é𝑑𝑖𝑜 = 0,9 × 15634,44 = 14071,0 𝑊ℎ/𝑑𝑖𝑎
𝑃𝐹𝑉(𝑊𝑃) =
14071,00,8
4,475= 3930,4 𝑊𝑃
(6.1)
O painel Canadian Solar CS6X-320P foi escolhido para todo o estudo de caso, as
características do fabricante estão na Tabela 3.1 e na Tabela 7.5.
𝑁° 𝑝𝑎𝑖𝑛é𝑖𝑠 =3930,4
320= 12,28
𝑃𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑔𝑖𝑑𝑎 = 12 × 320 = 3840 𝑊𝑃
A escolha da potência do inversor pode ter razão 1:1 com a potência do arranjo
fotovoltaico (6.1), mas como raramente se confere a potência máxima do módulo, leva-
se a subdimensionar o inversor.
𝐼𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜 𝑒𝑠𝑐𝑜𝑙ℎ𝑖𝑑𝑜: 𝐴𝐵𝐵 PVI − 3.6 − TL − OUTD
90
Tabela 7.9- Características do inversor ABB PVI3.6-TL-OUTD. Fonte [Dados do fabricante]
Características Inversor 3600
S máximo 4000 VA
Potência Nominal AC 3600 W
Vcc máximo 600 V
Variação V mppt 120-530 V
I cc máximo 32 A
Rendimento 96,80%
𝐹𝐷𝐼 =3600
3840= 0,9375
(6.2)
𝑁° 𝑆é𝑟𝑖𝑒 <
600
48,18= 12,45
(6.3)
120
33,12< 𝑁° 𝑆é𝑟𝑖𝑒 <
530
39,32
(6.4)
3,62 < 𝑁° 𝑆é𝑟𝑖𝑒 < 13,48
(6.4)
𝑁° 𝑃𝑎𝑟𝑎𝑙𝑒𝑙𝑜 <
32
10,07= 3,17
(6.5)
Configuração do arranjo de 12 painéis fotovoltaico de acordo com as restrições.
𝑁° 𝑆é𝑟𝑖𝑒 < 12,45
3,62 < 𝑁° 𝑆é𝑟𝑖𝑒 < 13,48
𝑁° 𝑃𝑎𝑟𝑎𝑙𝑒𝑙𝑜 < 3,17
91
𝐸𝑠𝑐𝑜𝑙ℎ𝑎:
𝑁° 𝑆é𝑟𝑖𝑒 = 6
𝑁° 𝑃𝑎𝑟𝑎𝑙𝑒𝑙𝑜 = 2
Figura 7.10 - Configuração do arranjo de acordo com as restrições de projeto.
6 x Voc (1,5°) = 289,08 V
2 x Isc (43,2°) = 20,14 A
Isc (43,2°) = 10,07 A
92
Verificação se o arranjo escolhido pode ser usado com as restrições do inversor.
6 𝑥 𝑉𝑜𝑐(1,5°𝐶) = 289,08 𝑉 < 600𝑉
2 𝑥 𝐼𝑠𝑐(43,2°𝐶) = 20,14 𝐴 < 32 𝐴
6 𝑥 𝑉𝑚𝑝𝑇𝑚𝑖𝑛(1,5°𝐶) = 235,92 𝑉 < 530 𝑉
6 𝑥 𝑉𝑚𝑝𝑇𝑚𝑎𝑥(43,2°𝐶) = 198,7 𝑉 > 120 𝑉
𝐹𝐷𝐼 = 0,9375 (0,75 − 1,05)
O cabeamento CC e CA serão calculados através das equações de numeração
(6.16), (6.17) e (6.18).
Cabeamento CC
O cabeamento será calculado com o maior comprimento dos módulos e uma folga
de 30%, sendo o maior comprimento igual a dois metros, distância de conexão com
inversor de 20 metros e em todos os casos admitindo uma queda de tensão máxima de
1%.
𝐿𝐷𝐶 = (6 × 2) + 30% = 15,6 𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜𝑠
𝐴𝐷𝐶 𝑑𝑎 𝑓𝑖𝑙𝑒𝑖𝑟𝑎 =
2 × 15,6 × 1,25 × 10,07
0,01 × (6 × 33,12) × 56> 3,53 𝑚𝑚2
→ 6 𝑚𝑚²
(6.17)
93
𝐴𝐷𝐶 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑒𝑥ã𝑜 𝑐𝑜𝑚 𝑖𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜𝑟 =
2 × 20 × 1,25 × 20,14
0,01 × (6 × 33,12) × 56
> 9,04 𝑚𝑚2 → 10 𝑚𝑚²
(6.17)
Cabeamento CA
Da mesma forma que no dimensionamento dos cabos CC foi considerada uma
queda de tensão máxima de 1% e a distância de conexão com o quadro de distribuição de
10 metros.
𝐼𝑁𝐶𝐴
=4000
220 × 1= 18,18 𝐴
(6.18)
𝐴𝐴𝐶𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑒𝑥ã𝑜 𝑐𝑜𝑚 𝑞𝑢𝑎𝑑𝑟𝑜 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑟𝑖𝑏𝑢𝑖çã𝑜
=2 × 10 × 18,18 × 1
0,01 × 220 × 56> 2,95𝑚𝑚2 → 4𝑚𝑚²
(6.19)
Proteção CC
Os fusíveis de fileiras devem ser instalados tanto no polo positivo quanto no polo
negativo do sistema fotovoltaico e pode ser dimensionado de acordo com a equação
(6.21).
𝐼𝑓𝑢𝑠í𝑣𝑒𝑙 = 1,25 × 10,07 = 12,58 𝐴 (6.21)
94
Proteção CA
De acordo com a Norma 5410 podemos dimensionar os disjuntores do circuito
CA de acordo com a equação (6.20), onde o disjuntor deve estar compreendido entre a
corrente máxima que a seção do condutor escolhido suporta e a corrente nominal CA do
sistema.
18,18 𝐴 < 𝐼𝑑𝑖𝑠𝑗𝑢𝑛𝑡𝑜𝑟 < 26 𝐴
(6.20)
7.5.2. Método Alternativo Conservador
7.5.2.1. Proposta I de Eficiência Energética
Neste método não calculamos o gerador fotovoltaico a partir do valor de 90% do
consumo como é feito no método anterior, já que neste método o formulação garante que
não haverá mais de 100% de geração em relação ao consumo.
𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑚𝑒𝑛𝑠𝑎𝑙 𝑚é𝑑𝑖𝑜 = 611739,4 𝑊ℎ/𝑚ê𝑠
(6.2.2.1)
𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑑𝑖á𝑟𝑖𝑜 𝑚é𝑑𝑖𝑜 =611739,4
30= 20391,31 𝑊ℎ/𝑑𝑖𝑎
Primeiramente recomenda-se adotar a eficiência total do sistema igual a 0,9 e
escolher o inversor de potência próxima a potência do arranjo (6.7), e assim refazer o
cálculo da eficiência de acordo com a Equação (6.8).
𝑃𝑃𝑃(𝑊𝑃) = 0,9 ×
20391,31
4,475= 4101,04 𝑊𝑝
(6.7)
95
𝑇𝑃 = 0,41%/°𝐶
𝑃𝑀𝑃𝑃𝑇(70°) = 𝑃𝑀𝑃𝑃𝑇(25°) − 45𝑥(𝑇𝑃 × 𝑃𝑀𝑃𝑃𝑇(25°))
𝑃𝑀𝑃𝑃𝑇(70°) = 320 − 45 × (0,0041 × 320) = 260,96 𝑉
(6.9)
𝜂𝑃𝑉 =
260,96
320= 0,815
(6.9)
O inversor escolhido é o mesmo apresentado na Tabela 7.9, com eficiência de 96,8%.
𝜂 = 0,968 × 0,98 × 0,815 = 0,7736
(6.8)
Recalculando a potência do gerador fotovoltaico.
𝑃𝑃𝑃(𝑊𝑃) = 0,7736 ×
20391,31
4,475= 3525,15 𝑊𝑝
(6.7)
𝑁° 𝑝𝑎𝑖𝑛é𝑖𝑠 =
3525,15
320= 11,01
(6.10)
𝑃𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑔𝑖𝑑𝑎 = 10 × 320 = 3200 𝑊𝑃
Calculando os parâmetros para temperaturas extremas.
𝑇𝐶 = 0,31%/°𝐶
96
𝑉𝐶𝐴(−10°) = 45,3 + 35 × (0,0031 × 45,3)) = 50,21 𝑉 (6.11)
𝑉𝑀𝑃𝑃𝑇(−10°) = 36,8 + 35 × (0,0031 × 36,8)) = 40,8 𝑉 (6.12)
𝑉𝑀𝑃𝑃𝑇(70°) = 36,8 − 45 × (0,0031 × 36,8)) = 31,66 𝑉 (6.13)
De posse desses dados vamos dimensionar o arranjo de 10 painéis de acordo com
os limites de operação do inversor escolhido.
120
31,66< 𝑁° 𝑆é𝑟𝑖𝑒 <
530
40,8
(6.14)
3,79 < 𝑁° 𝑆é𝑟𝑖𝑒 < 12,99
(6.14)
𝑁° 𝑆é𝑟𝑖𝑒 <
600
50,21= 11,94
(6.15)
Determinamos neste ponto que serão 5 painéis em série de acordo com (6.14) e (6.15).
𝑁° 𝑃𝑎𝑟𝑎𝑙𝑒𝑙𝑜 =
10
5= 2
(6.16)
97
Configuração do sistema fotovoltaico projetado.
Figura 7.11 - Configuração do arranjo de acordo com as restrições de projeto
5 x Vca (-10°) = 251,02 V
Isc = 9,26 A
2 x Isc = 18,52 A
98
De acordo com o item 6.2.2.3 vamos verificar se o arranjo proposto é válido.
5𝑥 31,66 = 158,3 𝑉 > 120 𝑉
5 𝑥 40,8 = 204 𝑉 < 530 𝑉
5 𝑥 50,21 = 251,05 𝑉 < 600 𝑉
2 𝑥 9,26 = 18,52 𝐴 < 32 𝐴
O cabeamento CC e CA serão calculados através das equações de numeração
(6.17), (6.18) e (6.19).
Cabeamento CC
O cabeamento será calculado no maior comprimento do módulos e uma folga de
30%, sendo o maior comprimento igual a dois metros, a distância de conexão com
inversor de 20 metros e em todos os casos admitindo uma queda de tensão máxima de
1%.
𝐿𝐷𝐶 = (5 × 2) + 30% = 13 𝑚
𝐴𝐷𝐶 𝑑𝑎 𝑓𝑖𝑙𝑒𝑖𝑟𝑎 =
2 × 13 × 1,25 × 9,26
0,01 × (5 × 31,66) × 56> 3,4 𝑚𝑚2
→ 6 𝑚𝑚²
(6.17)
𝐴𝐷𝐶 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑒𝑥ã𝑜 𝑐𝑜𝑚 𝑖𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜𝑟 =
2 × 20 × 1,25 × 18,52
0,01 × (5 × 31,66) × 56
> 10,44 𝑚𝑚2 → 16 𝑚𝑚²
(6.17)
99
Cabeamento CA
Da mesma forma que no dimensionamento dos cabos CC foi considerada uma
queda de tensão máxima de 1% e a distância de conexão com o quadro de distribuição de
10 metros.
𝐼𝑁𝐶𝐴
=4000
220 × 1= 18,18 𝐴
(6.18)
𝐴𝐴𝐶𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑒𝑥ã𝑜 𝑐𝑜𝑚 𝑞𝑢𝑎𝑑𝑟𝑜 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑟𝑖𝑏𝑢𝑖çã𝑜
=2 × 10 × 18,18 × 1
0,01 × 220 × 56> 2,95𝑚𝑚2 → 4𝑚𝑚²
(6.19)
Proteção CC
Os fusíveis de fileiras devem ser instalados tanto no polo positivo quanto no polo
negativo do sistema fotovoltaico e pode ser dimensionado de acordo com a equação
(6.21).
𝐼𝑓𝑢𝑠í𝑣𝑒𝑙 = 1,25 × 9,26 = 11,57 𝐴 (6.21)
Proteção CA
De acordo com a Norma 5410 podemos dimensionar os disjuntores do circuito
CA de acordo com a equação (6.20), onde o disjuntor deve estar compreendido entre a
corrente máxima que a seção do condutor escolhido suporta e a corrente nominal CA do
sistema.
18,18 𝐴 < 𝐼𝑑𝑖𝑠𝑗𝑢𝑛𝑡𝑜𝑟 < 26 𝐴 (6.20)
100
7.5.2.2. Proposta II de Eficiência Energética
𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑚𝑒𝑛𝑠𝑎𝑙 𝑚é𝑑𝑖𝑜 = 469033,4 𝑊ℎ/𝑚ê𝑠
(6.2.2.1)
𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑑𝑖á𝑟𝑖𝑜 𝑚é𝑑𝑖𝑜 =469033,4
30= 15634,4 𝑊ℎ/𝑑𝑖𝑎
Primeiramente recomenda-se adotar a eficiência igual a 0,9 e escolher o inversor
de potência próxima a potência do arranjo (6.7), e assim refazer o cálculo da eficiência
de acordo com a equação (6.8).
𝑃𝑃𝑃(𝑊𝑃) = 0,9 ×
15634,4
4,475= 3144,35 𝑊𝑝
(6.7)
𝑇𝑃 = 0,41%/°𝐶
𝑃𝑀𝑃𝑃𝑇(70°) = 𝑃𝑀𝑃𝑃𝑇(25°) − 45 × (𝑇𝑃 × 𝑃𝑀𝑃𝑃𝑇(25°))
𝑃𝑀𝑃𝑃𝑇(70°) = 320 − 45 × (0,0041 × 320) = 260,96 𝑉
(6.9)
𝜂𝑃𝑉 =
260,96
320= 0,815
(6.9)
101
O inversor escolhido é apresentado na Tabela 7.10, com eficiência de 96,8%.
Tabela 7.10 - Características do inversor ABB PVI3.0-TL-OUTD. Fonte [Dados do Fabricante]
Características Inversor 3000
S máximo 3330 VA
Potência Nominal AC 3000 W
Vcc máximo 600 V
Variação V mppt 160-530 V
I cc máximo 20 A
Rendimento 96,80%
𝜂 = 0,968 × 0,98 × 0,815 = 0,7736
(6.8)
Recalculando a potência do gerador fotovoltaico.
𝑃𝑃𝑃(𝑊𝑃) = 0,7736 ×
15634,4
4,475= 2702,74 𝑊𝑝
(6.7)
𝑁° 𝑝𝑎𝑖𝑛é𝑖𝑠 =
2702,74
320= 8,44
(6.10)
𝑃𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑔𝑖𝑑𝑎 = 8 × 320 = 2560 𝑊𝑃
102
Calculando os parâmetros para temperaturas extremas do painel que foi escolhido
para o estudo de caso.
𝑇𝐶 = 0,31%/°𝐶
𝑉𝐶𝐴(−10°) = 45,3 + 35 × (0,0031 × 45,3)) = 50,21 𝑉 (6.11)
𝑉𝑀𝑃𝑃𝑇(−10°) = 36,8 + 35 × (0,0031 × 36,8)) = 40,8 𝑉 (6.12)
𝑉𝑀𝑃𝑃𝑇(70°) = 36,8 − 45 × (0,0031 × 36,8)) = 31,66 𝑉 (6.13)
De posse desses dados vamos dimensionar o arranjo de 8 painéis de acordo com
os limites de operação do inversor escolhido.
160
31,66< 𝑁° 𝑆é𝑟𝑖𝑒 <
530
40,8
(6.14)
5,06 < 𝑁° 𝑆é𝑟𝑖𝑒 < 12,99
(6.14)
𝑁° 𝑆é𝑟𝑖𝑒 <
600
50,21= 11,94
(6.15)
Determinamos neste ponto que serão 8 painéis em série de acordo com (6.14) e (6.15).
𝑁° 𝑃𝑎𝑟𝑎𝑙𝑒𝑙𝑜 =
8
8= 1
(6.16)
103
Configuração do sistema fotovoltaico projetado.
Figura 7.12 - Configuração do arranjo de acordo com as restrições de projeto.
8 x Vca (-10°) = 401,7 V
Isc = 9,26 A
104
De acordo com o item 6.2.2.3 vamos verificar se o arranjo proposta é válido.
8 × 31,66 = 253,28 𝑉 > 160 𝑉
8 × 40,8 = 326,4 𝑉 < 530 𝑉
8 × 50,21 = 401,7 𝑉 < 600 𝑉
1 × 9,26 = 9,26 𝐴 < 20 𝐴
O cabeamento CC e CA serão calculados através das equações de numeração
(6.16), (6.17) e (6.18).
Cabeamento CC
O cabeamento será calculado no maior comprimento do módulos e uma folga de
30%, sendo o maior comprimento igual a dois metros, a distância de conexão com
inversor de 20 metros e em todos os casos admitindo uma queda de tensão máxima de
1%.
𝐿𝐷𝐶 = (8 × 2) + 30% = 20,8 𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜𝑠
𝐴𝐷𝐶 𝑑𝑎 𝑓𝑖𝑙𝑒𝑖𝑟𝑎 =
2 × 20,8 × 1,25 × 9,26
0,01 × (8 × 31,66) × 56> 3,4 𝑚𝑚2
→ 6 𝑚𝑚²
(6.17)
𝐴𝐷𝐶 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑒𝑥ã𝑜 𝑐𝑜𝑚 𝑖𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜𝑟 =
2 × 20 × 1,25 × 9,26
0,01 × (8 × 31,66) × 56
> 3,26 𝑚𝑚2 → 6 𝑚𝑚²
(6.17)
105
Cabeamento CA
Da mesma forma que no dimensionamento dos cabos CC foi considerada uma
queda de tensão máxima de 1% e a distância de conexão com o quadro de distribuição de
10 metros.
𝐼𝑁𝐶𝐴
=3330
220 × 1= 15,13 𝐴
(6.18)
𝐴𝐴𝐶𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑒𝑥ã𝑜 𝑐𝑜𝑚 𝑞𝑢𝑎𝑑𝑟𝑜 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑟𝑖𝑏𝑢𝑖çã𝑜
=2 × 10 × 15,13 × 1
0,01 × 220 × 56> 2,45𝑚𝑚2 → 4𝑚𝑚²
(6.19)
Proteção CC
Os fusíveis de fileiras devem ser instalados tanto no polo positivo quanto no polo
negativo do sistema fotovoltaico e pode ser dimensionado de acordo com a equação
(6.19).
𝐼𝑓𝑢𝑠í𝑣𝑒𝑙 = 1,25 × 9,26 = 11,57 𝐴 (6.19)
Proteção CA
De acordo com a Norma 5410 podemos dimensionar os disjuntores do circuito
CA de acordo com a equação (6.20), onde o disjuntor deve estar compreendido entre a
corrente máxima que a seção do condutor escolhido suporta e a corrente nominal CA do
sistema.
15,13 𝐴 < 𝐼𝑑𝑖𝑠𝑗𝑢𝑛𝑡𝑜𝑟 < 26 𝐴 (6.20)
106
7.6. Investimento Inicial
De forma a auxiliar na escolha do melhor projeto, devemos analisar o lado
econômico pois o sistema fotovoltaico requer um investimento baixo/médio com retorno
de investimento a médio prazo (cerca de 5 anos). Desta forma consultamos os preços dos
componentes escolhidos em cada projeto que possuem maior representatividade
financeira, como pode ser analisado na Tabela 7.11.
Tabela 7.11 - Custo dos equipamentos mais representativos. Fonte [Site dos fabricantes]
Proposta
1 Investimento
R$ Proposta
2 Investimento
R$
CRESESB
Inversor ABB 5
kW 7990
ABB 3,6 kW
6490
Painéis 16 16 x 980,35 12 12 X 980,35
Aquecedor Solar
BOSH 408,97
Geração (Wh/dia)
22912 17184
Total 23675,6 18254,2
ALTERNATIVO CONSERVADOR
Inversor ABB 3,6
KW 6490
ABB 3,0 KW
5990
Painéis 10 10 X 980,35 8 8 X 980,35
Aquecedor Solar
BOSH 408,97
Geração (Wh/dia)
14320 11456
Total R$ 16293,5 RS 13832,8
107
Figura 7.13 - Custo dos principais componentes escolhidos nos projetos desenvolvidos.
7.7. Análise dos Resultados
O consumo eficiente deve ser uma realidade nos hábitos do consumidor final de
energia elétrica. Podemos ver que medidas simples na mudança de hábitos como
sugeridos na Proposta I causaram uma redução de 14,71% no consumo de energia e as
medidas da Proposta II causaram uma redução de 34,61% no consumo através da
implementação de equipamentos mais eficientes, adequação da iluminação e adição de
um aquecedor solar para aquecimento de água.
O aquecedor solar tem um grande impacto na redução de consumo pois ajuda a
contrabalancear o alto gasto de energia demandado pelo chuveiro elétrico, em dias de sol
possibilita a utilização do chuveiro na posição “verão” o que reduz consideravelmente o
consumo. A economia média é de 22,96 kWh/mês, considerando a tarifa de R$0,82 por
kWh, o retorno de investimento do aquecedor solar isoladamente é de um 1 ano e 10
meses.
O método proposto pelo CRESESB e que adota a taxa de desempenho 0,7-0,8
para localidades no Brasil, dependendo do arredondamento escolhido na hora da escolha
do painel (neste estudo de caso optou-se sempre pelo menor número par inteiro) e da taxa
de desempenho adotadas, podem sobredimensionar o gerador fotovoltaico fazendo com
0
5000
10000
15000
20000
25000
12
Rea
is
Investimento
CRESESB
ALTERNATIVOCONSERVADOR
108
que gere mais de 100%, o que não é vantajoso ainda no Brasil pois não há retorno
financeiro para a energia excedente injetada na rede.
Já o método Alternativo Conservador nos retornou o que propunha, calculado
todo de forma analítica, a geração fica limitada à eficiência dos componentes do sistema,
garantindo não ultrapassar 100% da geração em relação ao consumo, o que faz com que
na hora de dimensionar o seu sistema fotovoltaico o projetista opte por equipamento mais
eficientes visando aumentar sua capacidade de geração. Podemos ver o que foi dito na
Figura 7.13.
Tabela 7.12 - Consumo x Geração dos métodos.
Dados Proposta 1 Proposta 2
Consumo Inicial 23909,63 23909,63
Consumo 20391,31 15634,44
90% do Consumo 18352,18 14071
CRESESB 22912 17184
ALTERNATIVO CONSERVADOR 14320 11456
Figura 7.14 - Resultado do dimensionamento da geração pelos dois métodos em função do consumo.
1 2
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
Wh
/dia
CRESESB
ALTERNATIVOCONSERVADOR
Consumo Inicial
Consumo
90% do Consumo
109
Tabela 7.13 - Relação dos métodos de geração com o consumo.
MÉTODOS PROPOSTA 1 PROPOSTA 2
CONSUMO 90% DO
CONSUMO CONSUMO
90% DO CONSUMO
CRESESB 112,30% 124,80% 109,90% 122,10%
ALTERNATIVO CONSERVADOR
70,20% 78% 73,27% 81,40%
Figura 7.15 - Diferenciação entre consumo e geração.
0
5000
10000
15000
20000
25000
0 0,5 1 1,5 2 2,5
Wh
/dia
Proposta
CRESESB
ALTERNATIVOCONSERVADOR
Consumo
90% do Consumo
CRESESB
ALTERNATIVOCONSERVADOR
Consumo
90% do Consumo
110
Podemos citar algumas peculiaridades dos métodos desenvolvidos.
MÉTODO CRESESB
1. Pode ocorrer discrepância dependendo da taxa de desempenho escolhida para o
sistema.
2. O cálculo da geração fotovoltaica é realizado a partir de 90% do consumo.
3. Leva em consideração a temperatura de operação do sistema.
4. Compensa as perdas do sistema.
5. Cálculo de parâmetros através de software de simulação.
MÉTODO ALTERNATIVO CONSERVADOR
1. Garante que a geração será menor que 100%.
2. Leva em consideração temperaturas extremas de operação.
3. Cálculo atrelado ao rendimento dos componentes utilizados no sistema.
4. Cálculo realizado a partir de 100% do consumo.
5. Incentiva o uso de componentes mais eficientes, consequentemente aumentando
a capacidade de geração.
6. As dependências do projeto são devidas ao rendimento do cabeamento, do
inversor e a relação da variação de potência com a temperatura.
7. Cálculo de parâmetros através dos coeficientes fornecidos pelos fabricantes.
111
8. CONCLUSÃO
O trabalho teve como objetivo apresentar e analisar diferentes métodos de
aplicação e dimensionamento de SFs conectados à rede com ênfase em sistemas para
aplicação residencial, integrando a geração fotovoltaica com métodos de eficiência
energética vista pela demanda.
Visou, também, complementar tais conhecimentos 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.
Pensando no grande potencial para implementação de fontes renováveis de
energia no Brasil, onde as condições climáticas são favoráveis em grande parte do
território, e na política mundial de sustentabilidade, apresentamos dois métodos de
dimensionamento de SFs conectados à rede detalhando cada etapa de projeto, de forma a
atuar em conjunto com o consumo eficiente pelo lado da demanda.
Os resultados obtidos no desenvolvimento deste trabalho, nos permitiram concluir
a eficácia das medidas de eficiência energética aplicadas ao consumidor final de energia
elétrica. O consumo de energia está atrelado a potência dos equipamentos utilizados e ao
tempo de uso dos mesmos, nos permitindo atuar em duas frentes diferentes: mudança de
hábitos (redução do tempo de uso, uso racional e evitar desperdícios) e/ou a substituição
e adequação de equipamentos obsoletos por mais eficientes.
Após analisado o consumo médio mensal da residência através da Tabela 6.1,
aproximadamente 717,289 kWh/mês, aplicamos as medidas eficiência energética da
Proposta I que sugere somente a mudança de hábitos do consumidor final, sem custo para
o residente. A redução do tempo de uso do equipamentos e a redução do desperdício em
iluminação resultaram em uma economia de 14,71% e uma queda no consumo para
611,739 kWh/mês.
112
As medidas sugeridas na Proposta I também foram adotadas na Proposta II. A
segunda proposta visa incorporar os bons hábitos do consumidor juntamente com a
adequação e substituição de alguns aparelhos por equipamento mais eficientes, incluindo
um aquecedor solar que reduz significativamente o consumo do chuveiro elétrico, um dos
grandes consumidores das residências. Após adequar a iluminação de acordo com a
Norma 5413, que se mostrou mais eficiente, retirada de lâmpadas incandescentes por
tecnologia fluorescentes ou LED, adequação e substituição de um condicionador de ar
mais eficiente e substituição de alguns eletrodomésticos. Tais medidas resultaram em uma
economia de 34,61% reduzindo o consumo para 469,033 kWh/mês.
Para unificar a eficientização energética e o sistema de geração fotovoltaica,
apresentamos dois métodos de dimensionamento semelhantes, avaliando o resultado de
cada método e o investimento inicial dos principais componentes.
O método de dimensionamento do CRESESB apresentou discrepância no
dimensionamento devido à taxa de desempenho adotada, no estudo de caso usamos 0,8
como recomendada. A geração para a proposta I resultou em 687,36 kWh/mês, sobre
dimensionado em 112,3% do consumo total e 124,8% sobre 90% do consumo, sendo este
o valor de referência para o cálculo da geração. O custo inicial deste sistema é de
aproximadamente R$23675,60.
O método de dimensionamento ALTERNATIVO CONSERVADOR limitou a
geração atrelando o rendimento dos componentes no cálculo da geração. O cálculo
conservativo proporcionou uma geração menor que o método CRESESB porém
atendendo o limite máximo de geração à 90% do consumo. A geração para a proposta I
resultou em 429,6 kWh/mês, subdimensionado em 70,2% em relação ao consumo total e
78% sobre 90% do consumo cujo era o objetivo principal. O custo inicial deste sistema é
de aproximadamente R$16293,5.
A mesma análise é feita para a Proposta II, onde o dimensionamento realizado
através do método CRESESB nos retornou uma geração de 515,52 kWh/mês,
sobredimensionado em 109,9% em relação ao consumo total e 122,1% sobre 90% do
consumo cujo era principal objetivo, necessitando de um investimento inicial de
R$18254,20. O método ALTERNATIVO CONSERVADOR nos forneceu uma geração
de 343,68 kWh/mês, subdimensionado em 73,27% do consumo total e 81,4% em relação
a 90% do consumo, necessitando de um investimento inicial de R$13832,80.
113
O método CRESESB nos retornou uma geração excedente para os diferentes
consumos pois há uma vulnerabilidade quanto aos arredondamentos no cálculo do
número de painéis e na escolha da taxa de desempenho que pode vir a causar um
sobredimensionamento do arranjo fotovoltaico.
O método ALTERNATIVO CONSERVADOR nos retornou uma geração
limitada ao rendimento dos componentes escolhidos garantindo que a geração não
ultrapassasse 100% do consumo. Incentiva a escolha de equipamentos mais eficientes
para uma otimização da geração e o cálculo é feito de forma conservadora.
O trabalho desenvolvido percorreu toda a metodologia que deve ser empregada
nas medidas de eficiência energética e no passo a passo de dimensionamento da geração
fotovoltaica.
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.
A pesquisa desenvolvida servirá de consulta aos interessados e colegas de curso
possibilitando a verificação da bibliografia de apoio e os métodos de cálculo propostos,
visando a inserção de fontes renováveis e limpas de energia na matriz energética
brasileira.
Para os trabalhos futuros sugiro um novo estudo de caso para o método
Alternativo Conservador cujo intuito é atrelar o cálculo da geração ao rendimento dos
componentes usados no sistema, desta forma com o aperfeiçoamento das tecnologias a
eficiência dos equipamentos empregados aumentam e consequentemente o método
retornará outro resultado.
114
9. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] IEA – International Energy Agency, “Key World Energy Statistics 2015”, Paris, 2015.
[2] EPE – Empresa de Pesquisa Energética, “Projeções de Demanda de Energia Elétrica
2015-2014”, Rio de Janeiro, 2015.
[3] CRESESB – CEPEL, “Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos”, Rio de
janeiro, 2014.
[4] Solar Power Europe, “Global Market Outlook 2015-2019”, Bélgica, 2015.
[5] EPE – Empresa de Pesquisa Energética, “Balanço Energético Nacional 2015”, Rio de
Janeiro, 2015.
[6] SWERA – Solar and Wind Energy Resources Assessment, “Atlas Brasileiro de
Energia Solar”, São José dos Campos, 2006.
[7] REN 21, “ Renewables Global Status Report 2015”, Paris, 2015.
[8] Energia Fotovoltaica – “Manual sobre Tecnologias, Projecto e Instalação”, Alemanha,
2004.
[9] ASPE – Agência de Serviços Públicos de Energia do Estado do Espírito Santo, “A
Energia Solar no Espírito Santo Tecnologias, Aplicadas e oportunidades”. Espírito Santo,
2013.
[10] ANBINEE – Associação Brasileira da Indústria Elétrica e Eletrônica, “Propostas
para Inserção da Energia Solar Fotovoltaica na Matriz Energética Brasileira”, 2012.
[11] EPE – Empresa de Pesquisa Energética, “Análise da Inserção da Geração Solar na
Matriz Energética Brasileira”, Rio de Janeiro, 2012.
[12] Edifícios Solares Fotovoltaicos – “O Potencial da Geração Solar Fotovoltaica
Integrada a Edificações Urbanas e Interligada à Rede Elétrica Pública no Brasil”, Ricardo
Rüther, Florianópolis 2004.
[13] MME – Ministério de Minas e Energia, “Resenha Energética Brasileira”, Brasília
2015.
115
[14] EPE – Empresa de Pesquisa Energética, “Eficiência Energética e Geração
Distribuída 2014-2023”, Rio de Janeiro, 2014.
[15] ANEEL - Eficiência Energética, “A Busca da Articulação entre Ações de Incentivo”,
2013.
[16] ANEEL - Eficiência Energética, “Revista de Eficiência Energética”, 2015.
[17] MME – Ministério de Minas e Energia, “Plano Nacional de Eficiência Energética –
Premissas e Diretrizes Básicas”.
[18] ALVES FREITAS, S. S., “Dimensionamento de Sistemas Fotovoltaicos”, Tese de
M. Sc., Instituto Politécnico de Bragança, Bragança, Portugal, 2008. Disponível em:
https://bibliotecadigital.ipb.pt/bitstream/10198/2098/1/Susana_Freitas_MEI_2008.pdf
[19] GOMES SOARES, N F, “Projecto e Monitorização de Sistemas de Produção de
Energia, Baseados em Fontes de Energias Renováveis”, Teses de M. Sc., Coimbra,
Portugal, 2012. Disponível em:
http://files.isec.pt/DOCUMENTOS/SERVICOS/BIBLIO/Teses/Tese_Mest_Nuno-
Soares.pdf
[20] Solargis, disponível em: http://solargis.info/imaps/
[21] Resumo Escolar, disponível em:
http://www.resumoescolar.com.br/geografia/movimentos-da-terra/
[22] WS Energia, disponível em: http://ws-energia.pt/np4PT/home.html
[23] PRODIST, Procedimento de Distribuição Energia Elétrica no Sistema Elétrico
Nacional. Disponível em: http://www.aneel.gov.br/prodist
[24] ANEEL, Agência Nacional de Energia Elétrica, disponível em:
http://www.aneel.gov.br/
[25] INMETRO, Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia, disponível
em: http://www.inmetro.gov.br/
[26] PROCEL INFO, Centro Brasileiro de Informação de Eficiência Energética,
disponível em: http://www.procelinfo.com.br/main.asp
116
[27] CONPET, Programa Nacional da Racionalização do Uso dos Derivados do Petróleo
e do Gás Natural, disponível em: http://www.procelinfo.com.br/main.asp
[28] Norma 5410, Instalações Elétricas em Baixa Tensão, disponível em:
http://www.abntcatalogo.com.br/curs.aspx?ID=22
[29] Norma 5413, Iluminação de Interiores, disponível em:
[30] Google Maps
117
ANEXO I
DATASHEET DO PAINEL CANADIAN SOLAR
118
ANEXO II
DATASHEET DOS INVERSORES UTILIZADOS
ABB – 3,0 KW e 3,6 KW
119
ABB – 5,0 KW
120
FRONIUS 2,0 KW
121
FRONIUS 2,5 KW
122
ANEXO III
CATÁLOGO DE EQUIPAMENTOS CERTIFICADOS PELOS INMETRO
123
124
125
126