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MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DA AMAZÔNIA
ELIAS LEANDRO MORAES MENEZES
O TEMPO DE PAGAMENTO DE UM SISTEMA FOTOVOLTAICO RESIDENCIAL NA REGIÃO METROPOLITANA DE BELÉM, UMA ANÁLISE DA VIABILIDADE
ECONÔMICA
BELÉM 2019
ELIAS LEANDRO MORAES MENEZES
O TEMPO DE PAGAMENTO DE UM SISTEMA FOTOVOLTAICO RESIDENCIAL NA REGIÃO METROPOLITANA DE BELÉM, UMA ANÁLISE DA VIABILIDADE
ECONÔMICA
Pré-projeto de Trabalho de Conclusão de Curso para apresentação na Universidade Federal Rural da Amazônia como requisito básico para a conclusão do Curso de Engenharia Ambiental e Energias Renováveis.
Área de concentração: Aproveitamento de energia Orientador (a): Prof. Dr. Glauber Tadaiesky Marques
BELÉM 2019
Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP)
Bibliotecas da Universidade Federal Rural da Amazônia
Gerada automaticamente mediante os dados fornecidos pelo(a) autor(a)
M541t Menezes, Elias Leandro Moraes Menezes
O tempo de pagamento de um sistema fotovoltaico residencial na região metropolitana
de Belém, uma análise da viabilidade econômica / Elias Leandro Moraes Menezes Menezes.
- 2019.
44 f. : il. color.
Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação) - Curso de Engenharia Ambiental e
Energias Renováveis, Campus Universitário de Belém, Universidade Federal Rural da
Amazônia, Belém, 2019.
Orientador: Prof. Dr. Glauber Tadaiesky Marques Tadaiesky
1. Energia solar fotovoltaica. 2. viabilidade econômica. I. Tadaiesky, Glauber Tadaiesky
Marques, orient. II. Título
CDD 620.8
ELIAS LEANDRO MORAES MENEZES
O TEMPO DE PAGAMENTO DE UM SISTEMA FOTOVOLTAICO RESIDENCIAL NA REGIÃO METROPOLITANA DE BELÉM, UMA ANÁLISE DA VIABILIDADE
ECONÔMICA
Trabalho de conclusão de curso apresentado ao Curso de graduação em Engenharia Ambiental e Energias Renováveis da Universidade Federal Rural da Amazônia como requisito para obtenção do grau de Bacharel em Engenharia Ambiental e de Energias Renováveis. Área de concentração: Aproveitamento de energia.
__________________________________________________________
Data da Aprovação
Banca Examinadora:
__________________________________________________________
Profa. Dr. Glauber Tadaiesky Marques – Orientador Universidade Federal Rural da Amazônia – UFRA
__________________________________________________________
Prof. Dr. Otávio André Chase Universidade Federal Rural da Amazônia – UFRA
________________________________________________________
Prof. Dr. José Felipe Souza de Almeida Universidade Federal Rural da Amazônia – UFRA
RESUMO
A energia fotovoltaica tem extrema importância no cenário energético, uma vez que
proporciona a sua diversificação, além disso, gera menos poluentes e impactos
ambientais que as fontes convencionais. Visando a sua disseminação, o objetivo
deste estudo é projetar um sistema fotovoltaico conectado à rede para uma residência
localizada na região metropolitana de Belém, e simular sua produtividade através de
um programa em matlab projetado no laboratório do grupo de estudos e
desenvolvimento de alternativas energéticas da UFPA, com base nos dados obtidos
nesse programa, estima-se que o sistema projetado gere cerca de 3.280,67 kWh
anualmente, tendo em vista que o consumo registrado no último ano foi igual a 2.862
kWh. Por fim, foi realizado um estudo de viabilidade econômica para a implementação
do projeto, através do método de payback descontado. O investimento necessário
para implementar o projeto foi cerca de R$ 9.400 e o retorno do investimento ocorre
em aproximadamente 6 anos, caracterizando um retorno de longo prazo do
investimento.
Palavras – chave: sistema fotovoltaico conectado à rede – energia fotovoltaica –
viabilidade econômica.
ABSTRACT
Photovoltaic energy is extremely important in the energy scenario, as it provides for its
diversification, in addition, it generates fewer pollutants and environmental impacts
than conventional sources. Aiming at its dissemination, the objective of this study is to
design a photovoltaic system connected to the grid for a residence located in the
metropolitan region of Belém, and simulate its productivity through a matlab program
designed in the laboratory of the study group and development of energy alternatives
of UFPA, based on the data obtained in this program, it is estimated that the projected
system generates around 3,280.67 kWh annually, considering that the consumption
registered in the last year was equal to 2,862 kWh. Finally, an economic feasibility
study was carried out for the implementation of the project, using the discounted
payback method. The investment required to implement the project was about R$
9,400 and the return on investment occurs in approximately 6 years, featuring a long-
term return on investment.
Keywords: photovoltaic system connected to the grid - photovoltaic energy - economic
viability.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Evolução mundial da capacidade instalada de Energia Solar Fotovoltaica
11
Figura 2 - Curva característica I-V para diferentes valores de irradiação solar 14
Figura 3 - Curva característica I-V para diferentes temperaturas da célula 15
Figura 4 - Inversor 20
Figura 5 - Associação de módulos fotovoltaicos em série. 23
Figura 6 - Associação de Módulos Fotovoltaicos em Paralelo 24
Figura 7 - Associação de Módulos Fotovoltaicos mista 24
Figura 8 - Localização da residência 29
Figura 9 - Informação de localização 30
Figura 10 – Localização específica 31
Figura 11 – Dados de irradiação e temperatura ambiente 32
Figura 12 - Produção anual do sistema 36
Figura 13 - Relação entre FDI e eficiência do inversor 37
Figura 14 - Relação entre FDI e produtividade do sistema 38
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Histórico mensal do consumo de energia elétrica 32
Tabela 2 - Modelos de módulos fotovoltaicos comercializados no Brasil 33
Tabela 3 - Características elétricas do módulo 34
Tabela 4 - Características térmicas do módulo 34
Tabela 5 - Modelos de inversores comercializados no Brasil 34
Tabela 6 - Parâmetros elétricos do inversor Growatt 1500-S 35
Tabela 7 - Custos do projeto 39
Tabela 8 - Cálculo de payback do investimento 41
SUMARIO
1 INTRODUÇÂO 8
1.1.1 Objetivo geral 9
1.1.2 Objetivos específicos 9
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 10
2.1 Energia solar fotovoltaica 10
2.2 Células e módulos fotovoltaicos 12
2.3 Parâmetros externos que afetam o desempenho das células fotovoltaicas 13
2.3.1 Influência da irradiação solar 14
2.3.2 Influência da temperatura 15
2.4 Modelo matemático do gerador fotovoltaico 16
2.5 Parâmetros elétricos dos painéis fotovoltaicos 17
2.6 Componentes básicos de sistemas fotovoltaicos 18
2.6.1 Módulos Fotovoltaicos 18
2.6.2 Inversor de frequência 19
2.6.3 Fator de dimensionamento do inversor 20
2.6.4 Diodos de Proteção 21
2.7 Associação de módulos fotovoltaicos 22
2.7.1 Associação em série 22
2.7.2 Associação em paralelo 23
2.7.3 Associação mista 24
2.8 Fatores que afetam as características elétricas dos módulos 25
2.8.1 Efeito da irradiância solar 24
2.8.2 Efeito da temperatura 24
2.9 Benefícios na implantação de módulos fotovoltaicos 25
2.9.1 Contribuição com a carga 25
2.9.2 Baixos impactos ambientais 26
2.10 tipos de sistemas fotovoltaicos 26
2.11 Microgeração de energia solar em residências 27
2.12 Critérios Gerais Para Conexão à rede 28
3 METODOLOGIA 29
3.1 Local de instalação 29
3.2 Avaliação do recurso solar 30
3.3 Levantamento do consumo de energia elétrica 32
3.4 Escolha dos módulos fotovoltaicos 34
3.5 Escolha do inversor 34
3.6 Simulação da produtividade do sistema 36
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO 39
4.1 Viabilidade econômica 39
5 CONCLUSÃO 42
6 REFERÊNCIAS 43
8
1 INTRODUÇÂO
A matriz energética mundial é composta por várias alternativas de energia.
Como exemplo destacam-se o gás natural, energia eólica, energia nuclear, energia
hidráulica, biomassa e energia solar. No entanto, os combustíveis fósseis que são
considerados recursos esgotáveis na escala de tempo humana ainda são os mais
utilizados. Levando em consideração o aumento da preocupação com a preservação
do meio ambiente e o aumento do custo dos combustíveis fosseis, estimulou-se o
avanço por alternativas limpas de energia, proporcionando maior visibilidade a energia
solar que é uma fonte de energia com boas perspectivas uma vez que emite pouco
poluente, não provoca impactos ambientais consideráveis e apresenta boa eficiência
de conversão elétrica.
É notável que a energia elétrica desempenha um papel fundamental, seja para
uso residencial, comercial ou industrial, pois se caracteriza como elemento básico
para o desenvolvimento econômico, tecnológico e social de qualquer país.
As fontes renováveis antes vistas como onerosas, hoje tornam-se mais
acessíveis devido sua expansão e avanços tecnológicos, resultando na redução de
custo, dessa forma é possível a utilização dessa fonte de energia até mesmo em
pequena e média escala, como por exemplo, em residências.
No Brasil, a principal fonte de geração de energia elétrica é a hidráulica, em
seguida encontra-se a geração térmica (ANEEL, 2016). Como fontes alternativas e
renováveis observa-se o crescimento do uso da biomassa, da energia dos ventos e
da proliferação de pequenas centrais hidroelétricas, todas impulsionadas por
programas governamentais de incentivo à Geração Distribuída (FRAUNHOFER,
2013). Além do mais, há perspectivas de expansão do parque de geração de energia
solar fotovoltaica, cujo estudo é objeto do presente trabalho.
A conversão de energia solar fotovoltaica apresenta elevado potencial no
Brasil, onde a irradiação média diária está entre 4,8 e 6,0 kWh/m² por dia. Na
Alemanha, país que possui a maior capacidade instalada em energia fotovoltaica, a
máxima irradiação diária não ultrapassa 3,2 kWh/m² (COMERC, 2016).
O Brasil demonstra expressivo potencial energético para a produção de energia
solar, apresentando altos níveis de irradiação se comparado a países onde projetos
de produção de energia solar são altamente expandidos. Dessa forma, a utilização
dessa energia no Brasil se torna uma boa alternativa de investimento e diversificação
9
da matriz energética, além de utilizar a energia fotovoltaica para o desenvolvimento
sustentável.
1.1 Objetivos
1.1.1 Objetivo geral
Este trabalho tem como objetivo dimensionar um sistema fotovoltaico para uma
residência e realizar um estudo sobre o tempo de retorno do investimento na
instalação dos módulos solares, através da economia proveniente da utilização do
sistema fotovoltaico, levando em consideração o gasto de energia residencial.
1.1.2 Objetivos específicos
● Calcular a média mensal de consumo energético da residência;
● Calcular o custo de implantação dos módulos fotovoltaicos;
● Simular a produção de energia do sistema;
● Analisar a viabilidade econômica do projeto;
● Proporcionar o interesse na utilização de energias limpas através da
demonstração de vantagens no investimento de energia solar fotovoltaicas.
10
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Para um melhor entendimento serão esclarecidos conceitos sobre energia solar
bem como sua conversão de energia luminosa em eletricidade, desde sua primeira
observação, e a descrição de células e módulos fotovoltaicos e seus materiais
semicondutores.
2.1 Energia Solar Fotovoltaica
Entende-se por energia solar, a energia obtida do Sol, gerada em seu núcleo,
que como ondas eletromagnéticas (fótons) chega à superfície da Terra de maneira
direta ou difusa. No Sol, a temperatura (15.000.000° C) e a pressão (340 bilhões de
vezes a pressão atmosférica da Terra ao nível do mar) são tão intensas que ocorrem
reações nucleares. Estas reações transformam quatro prótons ou núcleos de átomos
de hidrogênio em uma partícula alfa, que é o núcleo de um átomo de hélio. A partícula
alfa é aproximadamente 0,7% menos massiva do que quatro prótons. A diferença em
massa é expelida como energia e carregada até a superfície do Sol, através de um
processo conhecido como convecção e é liberada em forma de luz e calor (UFRGS,
1997).
O estudo sobre a energia fotovoltaica vem desde 1839 quando Edmond
Becquerel verificou que placas metálicas, de platina ou prata, mergulhadas num
eletrólito, produziam uma pequena diferença de potencial quando expostas à luz. Mas
somenete em 1954 a primeira célula solar oficialmente apresentada foi na reunião
anual da National Academy of Sciences e tinha eficiência de 6% (VALLÊRA, M.;
BRITO, C, 2006).
A energia solar fotovoltaica, de acordo com (IMHOFF, 2007), é definida como
a energia gerada através da conversão direta da radiação solar em eletricidade. Isto
se dá, por meio de um dispositivo conhecido como célula fotovoltaica que atua
utilizando o princípio do efeito fotoelétrico ou fotovoltaico.
Levando em consideração a enorme quantidade de energia solar irradiada para
a terra continuamente, a quantidade total de energia solar incidente sobre a superfície
da terra é suficiente para suprir o consumo global anual em mais de 10.000 vezes. A
dificuldade é converter a energia “luminosa” em eletricidade a custo aceitável. Se
fosse obtido o resultado de converter apenas 0,1 % da área do planeta em células
11
solares, com eficiência de 10%, o montante obtido seria o suficiente para satisfazer
as atuais necessidades da humanidade (GRATZEL, 2001; SORENSEN, 2004).
O primeiro dispositivo fotovoltaico foi desenvolvido em 1876, porém somente
em 1956 que se iniciou sua produção industrial. Esta produção ocorreu devido à
“corrida espacial”, que buscava o fornecimento de energia durante os períodos de
permanência no espaço e também para a manutenção dos satélites. Além das
empresas estimuladas pela “corrida espacial”, existiram outras que também se
interessaram pela busca da conversão da luz solar em energia elétrica. As empresas
de telecomunicação investiram nesse tipo de tecnologia, com o objetivo de abastecer
sistemas instalados em locais remotos.
Já no final da década de 90, com um forte compromisso com a redução de
CO2, conforme previsto pelo Protocolo de Kyoto, políticas de governo foram criadas
na Alemanha e no Japão resultando em aumentos substanciais no desenvolvimento
dessa tecnologia e consequentemente do mercado da energia solar.
A Figura 1 representa o crescimento da capacidade instalada de energia solar
fotovoltaica no mundo. Destaque-se o crescimento exponencial a partir do ano de
2012, principalmente por parte da China (laranja) e países asiáticos (amarelo)
Figura 1 - Evolução mundial da capacidade instalada de Energia Solar Fotovoltaica
Fonte: EPIA (2017)
12
2.2 Células e módulos fotovoltaicos
As células fotovoltaicas são de extrema importância na geração de energia
elétrica por meio da energia solar, pois todo o fenômeno fotovoltaico e fotoelétrico
ocorrem em cada uma destas células e, vários são os materiais que podem compor
as células fotovoltaicas, os mais comuns no mercado atual são as de silício
monocristalino, policristalino e amorfo, das quais falaremos a seguir (Pinho e Galdino,
2014).
Existem na natureza materiais classificados como semicondutores, que se
caracterizam por possuírem uma banda de valência totalmente preenchida por
elétrons e uma banda de condução “vazia” (sem elétrons) na temperatura do zero
absoluto (0 k). Assim sendo, um semicondutor comporta-se como um isolante a 0 K.
Na tabela periódica, os elementos semicondutores pertencem principalmente aos
grupos 14 a 16 ( antigos grupos IV A a VI A), incluindo Carbono (C), Silício (Si),
Germânio (Ge), Arsênio (As), Fósforo (P), Selênio (Se) e telúrio (Te) (Pinho e Galdino,
2014).
Materiais semicondutores possuem uma característica importante que são as
bandas de energia, em função da existência dessas bandas de energia outra
característica que é a sua condutividade que aumenta com a temperatura,
proporcionado pela excitação térmica de elétrons (Pinho e Galdino, 2014).
As principais tecnologias aplicadas na produção de células e módulos
fotovoltaicos são classificadas em 3 gerações. A primeira geração é dividida em dois
tipos de produções: silício monocristalino (m-Si) e silício policristalino (p-Si), que
representam mais de 85% do mercado, por ser considerada uma tecnologia
consolidada e confiável, e por possuir a melhor eficiência comercialmente disponível
(Pinho e Galdino, 2014).
A segunda geração, denominada de filmes finos, é dividida em três cadeias
produtivas: silício amorfo (a-Si), disseleneto de cobre e índio (CIS) ou disseleneto de
cobre, índio e gálio (CIGS) e telureto de cádmio (CdTe). Esta geração apresenta
menor eficiência do que a primeira e tem uma modesta participação do mercado,
competindo com a tecnologia c-Si³. Existem dificuldades associadas à disponibilidade
dos materiais, vida útil, rendimento das células e, no caso do cádmio, sua toxicidade,
que retardam a sua utilização em maior escala (Pinho e Galdino, 2014).
13
A terceira geração, ainda em fase de pesquisa e desenvolvimento (P&D), testes
e produção em pequena escala, é dividida em três cadeias produtivas: célula
fotovoltaica multijunção e célula fotovoltaica para concentração (CPV – Concentrated
photovoltaics), células sensibilizadas por corante (DSSC – Dye-Sensitized Solar Cell)
e células orgânicas ou poliméricas (OPV – Organic Photovoltaics). A tecnologia CPV,
por exemplo, demonstrou ter um potencial para produção de módulos com altas
eficiências, embora o seu custo ainda não seja competitivo com as tecnologias que
atualmente dominam o mercado (Pinho e Galdino, 2014).
As células de silício amorfo apresentam um alto grau de desordem na estrutura
dos seus átomos formando uma rede irregular, sendo assim difere-se dos outros dois
tipos vistos anteriormente. Dentre as principais características deste tipo de célula
pode-se citar o fato de apresentar uma absorção da radiação solar na faixa visível do
espectro eletromagnético e poder ser fabricado mediante a deposição de vários tipos
de substratos, ou seja, não necessita de um alto grau de pureza. Em razão disto, o
processo de fabricação é mais simples e de baixo custo, o que possibilita a fabricação
de células fotovoltaicas em larga escala, a um baixo consumo de energia na produção
(Portal Energia, 2016).
No entanto, este tipo de célula possui baixa eficiência de conversão quando
comparada com as células de silício mono e policristalinas e, o fato das células serem
afetadas por um processo de degradação já nos primeiros meses de operação,
prejudica a eficiência e a sua vida útil, o que aumenta esta desvantagem (CRESESB,
2008).
O rendimento elétrico deste tipo de célula varia aproximadamente de 8% a
10%, podendo chegar a 13% em laboratório (Portal Energia, 2016).
2.3 Parâmetros externos que afetam o desempenho das células fotovoltaicas
O desempenho das células fotovoltaicas é influenciado pela irradiância incidente
e sua distribuição espectral, bem como pela temperatura de operação da célula,
inclusive em condições de irradiância de até 1 sol (ou 1 X), que corresponde a 1.000
W/m². Em condições de concentração da radiação solar, o que implica na utilização
de dispositivos ópticos (lentes ou espelhos) para obtenção de níveis de irradiância
superiores aos naturais, a eficiência das células fotovoltaicas pode aumentar, se a
temperatura for controlada. Nos casos de alta irradiância, a resistência série (Rₛ)
14
torna-se um fator que pode reduzir a eficiência, se a célula fotovoltaica não for
projetada para essas condições. Por outro lado, quando incidem baixos valores de
radiação solar, a resistência paralela (Rₚ) pode reduzir ainda mais a potência elétrica
gerada (Pinho e Galdino, 2014).
Ressalta-se que a eficiência do módulo não deve ser utilizada como indicador de
qualidade do mesmo. A escolha de um módulo fotovoltaico deve se basear em
diversos fatores, como, custo, durabilidade, reputação do fabricante e etc. Em
princípio, a eficiência não deve nortear a escolha do módulo a não ser que a área
disponível para instalação do painel fotovoltaico seja um fator restritivo (Pinho e
Galdino, 2014).
2.3.1 Influência da irradiação solar
A figura 2 mostra como a irradiância solar incidente afeta a curva I-V de uma
célula fotovoltaica de silício, mantida na temperatura de 25°C. A corrente elétrica
gerada por uma célula fotovoltaica aumenta linearmente com o aumento da irradiância
solar incidente.
Figura 2 - Curva característica I-V para diferentes valores de irradiação solar
Fonte: Pinho e Galdino (2014)
A Isc de uma célula (e de um módulo) pode ser relacionada à irradiância
15
incidente pela equação abaixo.
𝐼𝑠𝑐 = Iscstc ∗ G1000 (1)
Isc (A) – corrente de curto-circuito do módulo, para irradiância G e uma temperatura
de 25 °C;
Isc-stc (A) – corrente de curto circuito do módulo nas STC;
G (W/m²) – irradiância incidente sobre o módulo;
1000 (W/m²) – irradiância nas STC
2.3.2 Influência da temperatura
As variações da irradiância solar incidente e da temperatura ambiente afetam
a temperatura de operação das células fotovoltaicas que compõem os módulos
fotovoltaicos. A figura 3 mostra curvas I-V para diversas temperaturas da célula
fotovoltaica, com irradiância de 1000 W/m2. O aumento da irradiância incidente e/ou
da temperatura ambiente produz um aumento da temperatura da célula e,
consequentemente, tende a reduzir a sua eficiência. Isto se deve ao fato de que a
tensão da célula diminui significativamente com o aumento da temperatura, enquanto
que sua corrente sofre uma elevação muito pequena, quase desprezível.
Determinados módulos fotovoltaicos de filmes finos apresentam uma menor influência
da temperatura na potência de pico, embora também sofram redução no seu
desempenho (Pinho e Galdino, 2014).
Figura 3 - Curva característica I-V para diferentes temperaturas da célula
16
Fonte: Pinho e Galdino (2014)
Fazendo uma breve comparação entre os gráficos das figuras 2 e 3, percebe-
se que a tensão é mais influenciada pela temperatura que a corrente. Com o aumento
da intensidade da luz que incide no módulo, a temperatura nas células também
aumenta e em consequência disso a eficiência decresce. Com o aumento da
temperatura, a tensão de circuito aberto cai e a corrente de curto circuito aumenta. A
queda de tensão é maior que o incremento de corrente, desse modo, o aumento da
temperatura reduz de forma significativa a potência dos módulos.
2.4 Modelo matemático do gerador fotovoltaico
A curva I-V representa o comportamento dos módulos fotovoltaicos sob a
influência da temperatura e da radiação incidente. Como consequência, a potência
gerada, em corrente contínua, que é entregue ao inversor depende desses dois
fatores. Para forçar os inversores a operar sempre na condição de potência máxima
(Pmp), ou seja, tensão e corrente iguais a Vmp e Imp, respectivamente, esses
equipamentos possuem uma função que persegue a condição ideal independente das
condições ambientes.
Dessa forma, o modelo matemático do gerador fotovoltaico considera a função
de seguimento do ponto de máxima potência, chamada SPMP. Os parâmetros
utilizados no cálculo são o coeficiente de temperatura de máxima potência do módulo
(γmp) e a taxa de eficiência de seguimento do ponto de máxima potência do inversor
(ƞSPMP). A equação abaixo permite determinar a máxima potência capaz de ser suprida
por um gerador fotovoltaico sobre um dado conjunto de condições climáticas.
𝑃𝑚𝑝 = 𝑃𝑛𝐹𝑉 ∗ 𝐻𝑡𝛽𝐻𝑟𝑒𝑓 [1 − 𝛾𝑚𝑝(𝑇𝐶 − 𝑇𝐶,𝑟𝑒𝑓)] (2)
Onde:
Pmp: máxima potência fornecida pelo gerador fotovoltaico (W)
PnFV: potência nominal do gerador fotovoltaico (W)
Htβ: irradiância no plano gerador (W/m2)
Href: 1000(W/m2)
Tc: temperatura de operação das células (°C)
Tc,ref: 25°C.
17
A equação a seguir apresenta o valor mais realístico de potência c.c. entregue
ao inversor, pois leva em consideração as perdas no processo de seguimento do
ponto de máxima potência (SPMP):
𝑃𝐹𝑉 = 𝑃𝑚𝑝 . ƞ𝑆𝑃𝑀𝑃 (3)
Onde:
PFV: potência fotovoltaica na saída do gerador.
A temperatura das células pode ser encontrada a partir da temperatura
ambiente, como mostra a equação abaixo: 𝑇𝐶 = 𝑇𝑎𝑚𝑏 + 𝐻𝑡𝛽 . [(𝑇𝑁𝑂𝐶 − 20)/800]. 0,9 (4)
Onde:
Tamb: temperatura ambiente (°C)
TNOC: temperatura nominal de operação das células (°C).
2.5 Parâmetros elétricos dos painéis fotovoltaicos
As estruturas fotovoltaicas são influenciadas principalmente por dois processos
climáticos, são eles: intensidade da radiação solar e temperatura das células. É
importante considerar tais fatores ao simular ferramentas que descrevam a curva de
um módulo fotovoltaico, isto é, deve-se observar o comportamento de cada variável
sob condições de temperatura e radiação distintas das encontradas comumente em
padrão de teste – geralmente usa-se 1000 W/m² para radiação solar, temperatura de
25ºC e AM 1.5 (TIGGEMANN, 2015).
Os fabricantes de painéis solares fornecem as especificações dos principais
parâmetros elétricos analisados, são eles:
● Tensão de circuito aberto (Voc): é a tensão entre os terminais de uma célula
fotovoltaica quando não há corrente elétrica circulando e é a máxima tensão que
uma célula fotovoltaica pode produzir. Pode ser medida diretamente com um
voltímetro nos terminais do módulo. Voc depende da corrente de saturação (Io),
da corrente elétrica fotogerada (IL) e da temperatura.
18
● Corrente de curto-circuito (Isc): é a máxima corrente que se que se pode obter
e é medida na célula fotovoltaica quando a tensão elétrica em seus terminais é
igual a zero. Pode ser medida com um amperímetro curto-circuitando os terminais
do módulo. Isc depende da área da célula fotovoltaica, da irradiância solar e de
sua distribuição espectral, das propriedades ópticas e da probabilidade de coleta
dos pares elétron-lacuna formados.
● Eficiência (ƞ): é o parâmetro que define quão efetivo é o processo de conversão
de energia solar em energia elétrica. Representa a relação entre a potência
elétrica produzida pela célula fotovoltaica e a potência de energia solar incidente
e pode ser definida pela equação a seguir:
Ƞ = 𝐼𝑠𝑐.𝑉𝑜𝑐.𝐹𝐹𝐴.𝐺 . 100 = 𝑃𝑚𝑝𝐴.𝐺 . 100 (5)
Onde: A (m2) é a área da célula e G (W/m2) é a irradiância solar incidente.
2.6 Componentes básicos de sistemas fotovoltaicos
O sistema fotovoltaico é constituído basicamente por um bloco gerador, um
bloco de condicionamento de potência e, opcionalmente, um bloco de
armazenamento. O bloco gerador contém os arranjos fotovoltaicos, constituídos por
módulos fotovoltaicos em diferentes associações, o cabeamento elétrico que os
interliga e a estrutura de suporte. O bloco de condicionamento de potência pode ter
conversores cc.-cc., seguidor de ponto de potência máxima (SPPM), inversores,
controladores de carga (se houver armazenamento) e outros dispositivos de proteção
supervisão e controle. Por fim, o bloco de armazenamento é constituído por
acumuladores elétricos (baterias) e/ou outras formas de armazenamento.
2.6.1 Módulos Fotovoltaicos
Um módulo fotovoltaico é composto por células fotovoltaicas conectadas em
arranjos para produzir tensão e corrente suficientes para a utilização prática da
energia, ao mesmo tempo em que promove a proteção das células.
As principais células fotovoltaicas conhecidas, que têm, individualmente, uma
tensão muito baixa, sendo da ordem de 0,5 a 0,8V, para as células de silício. Dessa
forma, para obterem níveis de tensão adequados, as células são conectas em série,
19
produzindo uma tensão resultante equivalente à soma das tensões individuais de cada
célula. Ao passo que, as células são muito frágeis e seu encapsulamento em placas
rígidas ou flexíveis traz uma importante proteção mecânica e contra as intempéries.
O número de células conectadas em um módulo e seu arranjo, que pode ser
série e/ou paralelo, depende da tensão de utilização e da corrente elétrica desejadas.
É importante ter cuidado com a seleção das células a serem reunidas no momento da
fabricação do módulo, devido a suas características elétricas. A incompatibilidade
destas características leva a módulos de baixa qualidade, devido ao efeito de
mismatch (descasamento), pelo qual as células de menor fotocorrente limitam o
desempenho do conjunto e, em consequência, a eficiência global do módulo
fotovoltaico é reduzida (Pinho e Galdino, 2014)
2.6.2 Inversor de frequência
Inversores têm como principal função, converter a tensão de corrente contínua
para corrente alternada para garantir as características necessárias impostas pela
rede elétrica pública e tornar possível sua conexão com a rede elétrica.
De acordo com Ruther (2004), existem dois tipos de inversores que podem ser
utilizados, os comutados pela própria rede elétrica onde o sinal da rede é utilizado
para sincronizar o inversor com a rede ou os autocomutados, onde um circuito
eletrônico no inversor controla e sincroniza o sinal do inversor ao sinal da rede.
Atualmente utilizam-se vários inversores idênticos e de menor potência
conectados em paralelo, ao contrário de alguns anos atrás, onde utilizam apenas um
inversor com dimensionamento para atender a potência total instalada. Há ainda no
mercado a proposta dos módulos CA, que utilizam microinversores individuais
incorporados a cada módulo. Esta nova proposta tem como vantagem, o baixo custo
com fiação em corrente alternada (RUTHER, 2004).
Em sistemas conectados à rede elétrica, o inversor mais utilizado é o chamado
“grid tie”. A principal função é converter a corrente contínua em alternada, seu papel
secundário é garantir a segurança do sistema fotovoltaico e gerar dados de geração
de energia para o monitoramento do desempenho do seu sistema. Com relação a
eficiência, em SFCR pode variar, que a porcentagem mínima aceitável é de 94%.
Estes inversores já vêm com os fatores de correção para perdas de sincronia com o
20
sistema, ou seja, a potência indicada pelo mesmo é a fornecida para a residência
(Portal-solar, 2016).
Figura 4 - Inversor
Fonte: EnergyXXL
2.6.3 Fator de dimensionamento do inversor
A razão entre a potência nominal do inversor (PnINV) e a potência nominal ou
de pico do gerador fotovoltaico (PnFV) é definida como fator de dimensionamento do
inversor (FDI). Um FDI de 0,7 indica que a capacidade do inversor é 70% da
potência nominal ou de pico do gerador fotovoltaico.
𝐹𝐷𝐼 = 𝑃º𝑖𝑛𝑣/𝑃º𝐹𝑉 (6)
Após conhecer esse conceito, divide-se a etapa de dimensionamento de
inversores em: determinação da potência, correlacionando ao conceito de FDI
apresentado, escolha da tensão de entrada correspondente aos limites estabelecidos
pelos fabricantes de inversores; e determinação do número de fileiras de módulos que
serão conectados em série e/ou em paralelo. Para auxiliar na escolha do FDI,
geralmente se utiliza a curva de sensibilidade da produtividade (YF) do SFCR como o
próprio FDI.
Observando-se o comportamento de um único inversor, percebe-se que a
produtividade cai de forma mais acentuada para valores de FDI inferiores a 0,6 em
função do processo de limitação de potência. O processo de limitação, também
21
conhecido como perdas CC no inversor, ocorre quando o gerador fotovoltaico
disponibiliza uma potência maior do que a capacidade do inversor. Como
consequência, a potência de saída é limitada ao valor da potência nominal do
equipamento (Macedo, 2006).
Independentemente da localização do inversor notou-se que as perdas por
limitação do inversor são inferiores a 10% para FDI de 0,5 e inferiores a 3% para FDI
de 0,6 (Macedo, 2006). Isso revela que o subdimensionamento é de fato uma prática
interessante para os SFCR.
2.6.4 Diodos de Proteção
Em algumas situações os módulos podem receber sombras que causam o
aquecimento do material semicondutor. Isso acontece quando, ao invés de gerar, o
módulo recebe corrente. Esses locais são chamados de pontos-quentes (hot-spots),
e danificam o módulo permanentemente. Um exemplo disso se dá quando uma folha
cai sobre o módulo, de forma a cobrir uma célula, esta estará inversamente polarizada
e passará a agir como uma carga, convertendo eletricidade em calor. Para evitar a
formação dos hot-spots, a corrente deve ser desviada das células através de um diodo
de derivação - também chamado de diodo de by-pass - conectado de maneira
inversamente polarizada em relação a um conjunto de células.
Outro diodo utilizado para proteção é o diodo de bloqueio. Esses são utilizados
nas fileiras de módulos em série para evitar que um módulo sombreado transforme a
fileira inteira em uma carga. Em alguns sistemas autorregulados, os diodos são
utilizados para evitar que a bateria se descarregue sobre o painel fotovoltaico. Nos
sistemas que utilizam controladores não é necessário, sendo até desencorajado o seu
uso, pois o diodo provoca uma queda de tensão, que em sistemas menores pode ser
significativa. De acordo com a norma IEC 6036-7712, os diodos de bloqueio não são
necessários se forem utilizados módulos do mesmo tipo, com proteção Classe II e
certificados para funcionar com 50% da corrente nominal de curto-circuito, quando
polarizados inversamente (ZILLES, 2012).
22
2.7 Associação de módulos fotovoltaicos
Dispositivos fotovoltaicos podem ser associados em série e/ou em paralelo, de
forma a se obter os níveis de corrente e tensão desejados. Tais dispositivos podem
ser células, módulos ou arranjos fotovoltaicos. Os arranjos são constituídos por um
conjunto de módulos associados eletricamente em série e/ou paralelo, de forma a
fornecer uma saída única de tensão e corrente.
2.7.1 Associação em série
Na conexão em série, o terminal positivo de um dispositivo fotovoltaico é
conectado ao terminal negativo do outro dispositivo, e assim por diante. Para
dispositivos idênticos e submetidos à mesma irradiância, quando a ligação é em série,
as tensões são somadas e a corrente elétrica não é afetada, ou seja:
𝑉 = 𝑉1 + 𝑉1+. . . +𝑉𝑛 (7)
𝐼 = 𝐼1 = 𝐼2 = . . . = 𝐼𝑛 (8)
Se os dispositivos são idênticos e encontram-se sob as mesmas condições de
irradiância e temperatura, então, as correntes elétricas individuais são iguais. No caso
de se associarem os dispositivos em série com diferentes correntes de curto circuito-
circuito, a corrente elétrica da associação será limitada pela menor corrente.
Entretanto, a associação de módulos de correntes diferentes não é recomendada na
prática, pois pode causar superaquecimento.
23
Figura 5 - Associação de módulos fotovoltaicos em série.
Fonte: Google imagens
2.7.2 Associação em paralelo
Na associação em paralelo, os terminais positivos dos dispositivos são
interligados entre si, assim como os terminais negativos. As correntes elétricas são
somadas, permanecendo inalterada a tensão. Ou seja:
𝐼 = 𝐼1 + 𝐼2 =. . . +𝐼𝑛 (9)
𝑉 = 𝑉1 = 𝑉2 =. . . = 𝑉𝑛 (10)
Já a associação em paralelo (Figura 6) dos módulos fotovoltaicos é
comumente utilizada em sistemas autônomos, onde se pretende obter valores de
correntes mais elevadas e uma tensão constante (CARNEIRO, 2010).
24
Figura 6 - Associação de Módulos Fotovoltaicos em Paralelo
Fonte: Google imagens
2.7.3 Associação mista
Por fim, temos as associações mistas (Figura 7), estas associações
caracterizam-se por ligar em paralelo várias fileiras de associadas em série. Desta
forma, mantem-se um alto valor de tensão e corrente. Este tipo de associação é muito
utilizado em sistemas conectados à rede elétrica (CARNEIRO, 2010).
Figura 7 - Associação de Módulos Fotovoltaicos mista
Fonte: Google imagens
25
2.8 Fatores que afetam as características elétricas dos módulos
De maneira semelhante ao que ocorre com as células fotovoltaicas, o
desempenho dos módulos fotovoltaicos é fundamentalmente influenciado pela
irradiância e pela temperatura das células.
2.8.1 Efeito da irradiância solar
A corrente elétrica gerada pelo módulo aumenta com o aumento da irradiância
solar. A corrente de curto-circuito tem um aumento linear com a irradiância.
2.8.2 Efeito da temperatura
A incidência da radiação solar e a variação da temperatura ambiente implicam
em uma variação de temperatura nas células que compõem os módulos. Dessa forma,
é evidente que há uma queda de tensão importante com o aumento da temperatura
da célula. A corrente sofre uma elevação muito pequena que não compensa a perda
causada pela diminuição da tensão.
2.9 Benefícios na implantação de módulos fotovoltaicos
Nos próximos tópicos serão abordados alguns benefícios na utilização de
sistemas fotovoltaicos, tanto de caráter econômico quanto ambiental.
2.9.1 Contribuição com a carga
Os sistemas fotovoltaicos conectados à rede em edificações podem atuar em
sinergia com o sistema de distribuição, minimizando a carga, como aquela gerada por
equipamentos de ar condicionado em centros comerciais. Nos centros urbanos, os
sistemas fotovoltaicos poderão ser utilizados em áreas já ocupadas, telhados de
residências, coberturas de estacionamentos e coberturas de edifícios, como unidades
de geração distribuída.
É certo que há um efeito do aumento de temperatura degradar a eficiência dos
módulos fotovoltaicos, sobretudo os de silício. Por exemplo, a cada grau acima de
25°C a perda de eficiência em relação a mencionada pelo fabricante nas condições
STC chega a 0,45%. No alto verão, a temperatura dos módulos cristalinos pode
26
alcançar os 85°C, o que implica perda de até 27% em suas capacidades (metade
disso, algo como 15%, no caso dos filmes finos, menos sensíveis à temperatura).
2.9.2 Baixos impactos ambientais
Os impactos ambientais para a energia gerada por módulos fotovoltaicos são
mínimos. Não há qualquer emissão na produção de energia com estes sistemas (100
% livre de emissões). Tecnologias de reciclagem para reuso das células de silício
(perdas no processo produtivo das células ou emprego após fim da vida útil dos
módulos) ainda não estão disponíveis em larga escala. Estratégias de reuso de
materiais dos módulos têm sido perseguidas em alguns países, entre as quais o
aproveitamento do silício, vidro, película de EVA e alumínio dos módulos. Os impactos
visuais negativos vêm sendo contornados e em alguns casos transformados em
aspectos positivos através da integração das instalações com as edificações (Building
integrated Photovoltaics – BIPV).
A emissão de poluentes no processo de fabricação de células fotovoltaicas
também é reduzida e bastante controlada. Isso ocorre porque a indústria tem interesse
em preservar sua imagem de limpa e amigável ao meio ambiente.
2.10 tipos de sistemas fotovoltaicos
Os sistemas fotovoltaicos podem ser classificados de três formas:
a) sistema isolado (ou autônomo)
b) sistema híbrido
c) sistema conectado à rede de distribuição
Os sistemas isolados, ou autônomos, são aqueles que produzem eletricidade
independentemente de outras fontes de energia. Estes podem alimentar cargas de
corrente contínua e/ou de corrente alternada, dependendo da aplicação desejada.
Neste tipo de operação, pode ser necessário o uso de baterias, e os elementos que
irão compor o sistema podem variar de acordo com as necessidades exigidas.
Já os sistemas híbridos são sistemas isolados operando em conjunto com
outros tipos de geradores, como gasolina, eólico, diesel e etc. E por fim, outro modo
de operação de um sistema fotovoltaico é o interligado à rede elétrica de distribuição.
Neste caso, os painéis fotovoltaicos atuam como uma fonte de energia complementar
27
ao sistema elétrico que estão conectados. Toda energia em excesso, gerada durante
o dia, é entregue à rede e, durante a noite ou em períodos nublados, a energia
necessária para alimentar as cargas é retirada da mesma.
2.11 Microgeração de energia solar em residências
A Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), autarquia em regime especial
vinculada ao Ministério de Minas e Energia, foi criada para regular o setor elétrico
brasileiro, por meio da Lei nº 9.427/1996 e do Decreto nº 2.335/1997.
A Resolução Normativa nº 482 estabelece as condições gerais para o acesso
de microgeração e minigeração distribuída aos sistemas de distribuição de energia
elétrica e o sistema de compensação de energia elétrica, visando reduzir as barreiras
regulatórias existentes para conexão de geração de pequeno porte na rede de
distribuição. Essa resolução sofreu atualizações em seu texto a partir da resolução
normativa nº 687, de 24 de novembro de 2015, e, a partir de então, a geração
distribuída é classificada da seguinte forma:
● Microgeração distribuída: central geradora de energia elétrica, com potência instalada menor ou igual a 75 kW e que utilize cogeração qualificada, conforme regulamentação da ANEEL, ou fontes renováveis de energia elétrica, conectada na rede de distribuição por meio de instalações de unidades consumidoras;
● Minigeração distribuída: central geradora de energia elétrica, com potência
instalada superior a 75 kW e menor ou igual a 3 MW para fontes hídricas ou menor ou igual a 5 MW para cogeração qualificada, conforme regulamentação da ANEEL, ou para as demais fontes renováveis de energia elétrica, conectada na rede de distribuição por meio de instalações de unidades consumidoras.
Desse modo, o sistema de compensação de energia elétrica (net metering),
segundo a resolução, é definido como o sistema no qual a energia ativa gerada por
unidade consumidora com microgeração e minigeração distribuída compensa o
consumo de energia elétrica ativa. O consumo a ser faturado, referente à energia
elétrica ativa, é a diferença entre a energia consumida e a injetada.
Além disso, a resolução cita que os custos de eventuais melhorias ou reforços
no sistema de distribuição em função exclusivamente da conexão de microgeração
distribuída, como por exemplo a adequação do medidor de energia, não devem fazer
28
parte do cálculo da participação financeira do consumidor, sendo integralmente
arcados pela distribuidora. Essa medida ajuda a incentivar os pequenos consumidores
a se tornarem também pequenos geradores, uma vez que os custos de
implementação do sistema são reduzidos.
2.12 Critérios Gerais Para Conexão à rede
• O ponto de conexão do acessante com microgeração distribuída é o ponto de
entrega da unidade consumidora, conforme definido em regulamento
específico. (ANEEL PRODIST Módulo 3 Seção 3.7 Item 3.1)
• Todo e qualquer acesso de central geradora classificada como microgeração
distribuída, de fontes renováveis ou cogeração qualificada à rede de
distribuição, deve ser precedido de parecer de acesso e projeto aprovado pela
CONCESSIONÁRIA.
• A quantidade de fases e o nível de tensão de conexão da central geradora
serão definidos pela concessionária, conforme suas normas de fornecimento
de energia elétrica, em função das características técnicas da rede e em
conformidade com a regulamentação vigente (ANEEL PRODIST –Módulo 3
Seção 3.7 Item 4.2).
• Para conexões que utilizam inversores, o acessante deve instalar o inversor
dentro de sua propriedade em local apropriado e de fácil acesso à
CONCESSIONÁRIA (ANEEL PRODIST Módulo 3 Seção 3.7 item 4.4),
preferencialmente nas proximidades do padrão de entrada, quando for
possível. No caso de utilização de microinversor em painéis instalados a partir
de 2 metros de altura, o acessante deve prover meios físicos seguros, por
exemplo escada tipo marinheiro, para acesso da CONCESSIONÁRIA. Este
item será verificado na apresentação do projeto e é imprescindível para sua
aprovação.
• Para solicitação de acesso de unidade consumidora que não possua carga,
apenas geração distribuída, a distribuidora deve considerar a natureza da
atividade desenvolvida (gerador, e não carga) nos estudos para definição das
obras necessárias à conexão daquela unidade – que impactarão no encargo
de responsabilidade da distribuidora e na participação financeira do consumidor
(ANEEL Ofício Circular 0010/2017 SRD).
29
3 METODOLOGIA
Esta seção foi dividida em 6 subtópicos, sendo o primeiro deles o local de
instalação do projeto, em seguida a avaliação do recurso solar, levantamento do
consumo de energia elétrica, dimensionamento dos módulos fotovoltaicos, escolha do
inversor, escolha do inversor e simulação da produtividade.
3.1 Local de instalação
O sistema fotovoltaico visa suprir uma residência no município de Ananindeua,
cidade localizada na região metropolitana de Belém. Os valores aproximados de
latitude e longitude são respectivamente 1°30’S e 48°4’W. a figura 8 mostra o local
exato da residência, obtida através do Google Earth.
Figura 8 - Localização da residência
Fonte: google Earth.
Pode ser observado que o local apresenta características predominantemente
urbanas, as perdas na captação de energia solar nesse ambiente podem ser maiores
se comparado às localidades de características rurais, devido a existência de
sombreamentos e interferência de superfícies reflexivas próximas.
30
3.2 Avaliação do recurso solar
Para encontrar os dados de irradiância e temperatura para o local da instalação,
foi utilizado o programa Meteonorm 7, que incorpora dados de irradiação e de
temperatura ambiente. O usuário define o ângulo de inclinação, ângulo de orientação
azimutal, coeficiente de reflexão (albedo) e as coordenadas do local para que o
programa sintetize dados horários de irradiação. A figura 9 e 10 apresentam as áreas
de inserção de dados no Meteonorm 7
Figura 9 - Informação de localização
Fonte: O autor, 2019
A figura 9 apresenta a área onde foi inserido as coordenadas de latitude e
longitude.
31
Figura 10 – Localização específica
Fonte: O autor, 2019
Na figura 11 são apresentados alguns dados de irradiação e temperatura
ambiente, obtidos para uma inclinação da superfície de captação β = 10 °, ângulo
azimutal de inclinação da superfície γ = 0°, albedo adotado igual a 15 e coordenadas
1°30’S e 48°4’W.
32
Figura 11 – Dados de irradiação e temperatura ambiente
Fonte: O autor, 2019
3.3 Levantamento do consumo de energia elétrica
Para estimar o consumo médio mensal da residência, obteve-se o histórico dos
treze últimos meses da fatura de energia elétrica. A tabela 1 apresenta esses dados.
Tabela 1 - Histórico mensal do consumo de energia elétrica
Mês Consumo (kWh)
Fevereiro/18 208
Março/18 238
Abril/18 209
Maio/18 216
Junho/18 242
Julho/18 256
33
Agosto/18 243
Setembro/18 239
Outubro/18 268
Novembro/18 285
Dezembro/18 224
Janeiro/19 234
Fevereiro/19 214
média 236,61
Fonte: O autor, 2019
A partir dos dados obtidos, o consumo médio diário equivale a 7,88 kWh e
média mensal de 236,61 kWh.
3.4 Escolha dos módulos fotovoltaicos
O dimensionamento dos componentes do sistema de minigeração fotovoltaica
foi baseado em três fatores específicos: irradiância, temperatura ambiente e potência
a ser atendida. Com base nessas informações buscou-se a otimização dos módulos
fotovoltaicos e do inversor de frequência a partir de suas características elétricas e
das condições do ambiente.
Para dimensionar o gerador fotovoltaico primeiramente verificou-se os modelos
comercializados atualmente. A tabela 2 apresenta alguns modelos disponíveis no
mercado brasileiro e as principais informações comerciais.
Tabela 2 - Modelos de módulos fotovoltaicos comercializados no Brasil
fabricant
e
Modelo Potência
(Wp)
Eficiênci
a (%)
tecnologi
a
Preço
(R$)
Canadian CSI
CS6K-
270p
270 16,5 Si-poli 559,55
Canadian CS6U -
335p
335 17,23 Si-poli 800,00
Sinosola SA274-
60p
275 16,9 Si-poli 521,55
34
Yingli YL280p-
29b
280 17,1 Si-poli 607
Fonte: O autor, 2019.
Os critérios estabelecidos na escolha do módulo foram potência, eficiência,
reputação e preço, onde o a melhor escolha para o sistema foi obtida pelo modelo
Canadian CS6U-335p. Os painéis possuem selo do INMETRO e PROCEL, além de
certificados para as principais normas europeias e americanas. A garantia
apresentada pelo fabricante é de 10 anos para defeitos de fabricação e 25 anos de
produção mínima de energia.
As tabelas a seguir apresentam as principais informações das características
elétricas e térmicas do módulo Canadian CS6U-335p.
Tabela 3 - Características elétricas do módulo
pₘₚ(Wp) Vₘₚ(V) Iₘₚ (A) Vₒc (V) Isc (A) ƞ (%)
335 37,4 8,89 45,8 9,54 17,23
Fonte: O autor, 2019
Tabela 4 - Características térmicas do módulo
TNOC λₘₚ βѵօc αIsc
43 °C -0,40 %/°C -0,31 %/°C 0,05%/°C
Fonte: O autor, 2019
3.5 Escolha do inversor
A tabela 5 apresenta alguns modelos comercializados no mercado brasileiro.
Para determinar o inversor utilizou-se os critérios de potência nominal, certificação
conforme normas técnicas, funções de proteção incorporadas e preço.
Tabela 5 - Modelos de inversores comercializados no Brasil
Fabricante Modelo Proteção
incorporada
Potência (W) Preço (R$)
35
EcoSolys Ecos 2000
plus
sim 2000 2.100,87
Growatt 1500-S sim 1500 2.800,67
EcoSolys Ecos 3000 sim 3000 3.161,07
Canadian CSI-3K-TL sim 3000 3.890,00
Canadian 41001345-
1,5k
sim 1500 2.839,00
Fonte: O autor, 2019
O inversor escolhido para o projeto é o Growatt 1500-S, cujo registro no
INMETRO é 005812/2016. O equipamento também atende as normas brasileiras
ABNT NBR 16149, 16150 e ABNT NBR IEC 62116. A tabela 6 apresenta os
parâmetros elétricos do inversor.
Tabela 6 - Parâmetros elétricos do inversor Growatt 1500-S
Potência nominal CC 1500W
Tensão CC de partida 80V
Tensão CC máxima 450V
Corrente CC máxima 10A
Faixa de operação 70Vcc~450Vcc
Potência nominal CA 1500 W
Tensão nominal de saída 180Vca – 280Vca
Corrente nominal de saída 7,8A
Eficiência 97%
Proteção interna Anti-ilhamento, sobre/sub tensão, sobre/subcorrente, sobre/sub frequência, proteção contra sobrecarga, inicialização automática fora de fase, controle de potência ativa em sobre frequência, proteção contra injeção de componente CC, proteção contra inversão de polaridade.
Fonte: O autor, 2019
36
3.6 Simulação da produtividade do sistema
A estimativa da energia elétrica produzida pelo sistema fotovoltaico pode ser
obtida através das informações fornecidas pelo programa Meteonorm 7, o programa
gera dados de hora em hora de cada dia por um período de um ano. Os dados
utilizados para calcular a produção de energia são: irradiância no plano do gerador,
inclinado e temperatura ambiente. É possível estimar a energia gerada pelo sistema
através da equação 3 que envolve os valores de eficiência do painel fotovoltaico,
potência gerada, potência incidente e seguidor do ponto de máxima potência. Os
parâmetros dos módulos fotovoltaicos e inversor são informados pelos fabricantes.
Para calcular a produção anual do sistema, foi utilizado o programa matlab junto
ao código desenvolvido no GEDAE UFPA (grupo de estudos e desenvolvimento de
alternativas energéticas), inserindo dados obtidos no programa meteonorm 7,
potência do gerador e potência do inversor, dessa forma, foram obtidos os resultados
apresentados na figura 12.
Figura 12 - Produção anual do sistema
Fonte: O autor, 2019
O melhor desempenho do sistema é obtido com a utilização de 7 unidades do
módulo fotovoltaico, obtendo uma produtividade de 1399.01 kWh/kWp ao ano para
cada Wp(watt-pico), sendo assim a produção anual total é dada por:
𝐸𝑃 = 𝑌𝑓 . 𝑃𝐺𝐸𝑅(𝑘𝑊) (11) 𝐸𝑃 = 1399.01 𝑘𝑊ℎ . 2,345 𝑘𝑊
37
𝐸𝑃 = 3.280,67845 𝑘𝑊ℎ/𝑎
Para calcular a energia média mensal, basta dividir a produção anual por 12.
𝐸𝑚 = 3.280,67845/12 (12) 𝐸𝑚 = 273,38 𝑘𝑊ℎ
É possível observar que a média de energia produzida mensalmente terá um
excedente equivalente a aproximadamente 36 kWh ao mês.
Conforme estabelece a resolução normativa N° 482, o saldo de energia gerada
(excesso) não é reembolsado ao consumidor. No entanto, são gerados créditos que
podem ser abatidos nos meses seguintes. Os créditos têm validade de 60 meses.
Desse modo, como a produção anual é acima da média de consumo, tem-se que
a residência será autossuficiente, sem grandes variações na carga.
Outro ponto importante a ser destacado é sobre o fator de dimensionamento
do inversor, para sua melhor eficiência de acordo com os resultados obtidos o fator
de dimensionamento mais efetivo é de 0.6, como mostra a figura 13.
Figura 13 - Relação entre FDI e eficiência do inversor
Fonte: O autor, 2019
38
No sistema utilizado o FDI foi igual à 0,64, resultando em uma alta eficiência do
inversor.
Da mesma forma, o fator de dimensionamento do inversor também é
fundamental para a produção de energia do sistema, a figura 14 apresenta a relação
entre o FDI e a produtividade do sistema.
Figura 14 - Relação entre FDI e produtividade do sistema
Fonte: O autor, 2019
É possível observar que a produção anual tem melhor eficiência entre fatores que
estão entre 0.6 e 0.7.
39
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO
Nesta seção serão abordados os resultados do presente estudo, através do cálculo
da viabilidade econômica.
4.1 Viabilidade econômica
Para determinar a viabilidade econômica do projeto foi calculado o tempo de
retorno do investimento, onde foram comparados os valores de investimentos e a
economia gerada ao longo do tempo. Como resultado foi verificado se o projeto
apresenta lucro ao investidor e em quanto tempo esse lucro será obtido.
No trabalho em questão foram considerados os custos do inversor e dos
módulos em comparação com a economia na fatura de energia elétrica junto à
distribuidora. Também se estimou um custo de instalação do sistema como
disjuntores, caixa de distribuição, cabos, entre outros. A tabela a seguir apresenta os
valores.
Tabela 7 - Custos do projeto
Descrição Valor (R$)
7 módulos fotovoltaicos canadian CS6U -
335p
5.600
Growatt 1500-S 2.800
Custo estimado de instalação 1.000
Total 9.400
Fonte: O autor, 2019
De acordo com a relação de geração e consumo do sistema fotovoltaico,
constatou-se que a energia solar gerada irá suprir 100% do consumo da residência.
Deste modo, o custo mensal da energia da residência será referente à tarifa de
disponibilidade cobrada pela distribuidora de acordo com o tipo de conexão, bem
como a taxa de iluminação pública. A tarifa de disponibilidade de acordo com o tipo
de conexão é de 20,12 R$ referente a conexão do tipo monofásica.
Para determinar a economia mensal considera-se aqui o consumo médio da
residência que é de 236,6 kWh/mês. A equação abaixo foi utilizada para determinar o
40
custo médio mensal antes da instalação do sistema de geração (Catual), considerando
o ICMS que incide sobre a tarifa, atualmente igual a 25%. O cálculo do consumo futuro
(Cfuturo) para uma residência com o tipo de conexão monofásico cuja geração atende
100% da carga é mostrado na equação 14. Catual= Consumo ∗Tarifa ∗ ICMS (13)
Catual= 236,6∗0,67098∗10080 =198,44 𝑅$
Cfuturo= Custo mensal mínimo ∗ ICMS (14)
Cfuturo= 20,12 ∗10080 = 25,15 𝑅$
A partir das estimativas de custo mensal atual e futuro foi possível calcular a
economia do sistema. Para este caso, a economia mensal média seria de R$ 173,29,
em um ano seria economizado R$ 2.079,48. Sendo assim, o tempo de retorno do
investimento é estimado através do método de payback descontado, onde é levado
em consideração uma taxa de juros para trazer o fluxo de caixa ao longo do tempo
para o valor presente (VP). A taxa utilizada é a SELIC, que atualmente equivale a
6,5% ao ano. A equação a seguir apresenta o método de cálculo de valor presente
(VP).
𝑉𝑃 = 𝑉𝑃/(1 + 𝑖)ⁿ (15)
Onde:
VF = valor futuro
VP = valor presente
N = número de anos
i = taxa SELIC
A tabela 8 apresenta o saldo do investimento através do fluxo de caixa e do
valor presente equivalente da economia anual na futura de energia elétrica. Fatores
como variação da tarifa de energia, a variação da taxa de juros, a variação no
consumo de energia e manutenção nos equipamentos do sistema de geração não
foram considerados e podem impactar no cálculo de payback.
41
Tabela 8 - Cálculo de payback do investimento
ano fluxo de caixa valor presente saldo
0 -9.400,00 -9.400,00 -9.400,00 1 2.079,48 1.952,56 -7.447,44 2 2.079,48 1.833,39 -5.614,04 3 2.079,48 1.721,49 -3.892,55 4 2.079,48 1.616,43 -2.276,12 5 2.079,48 1.517,77 -758,35 6 2.079,48 1.425,14 666,79
Fonte: O autor, 2019
A partir do cálculo de payback, constatou-se que o retorno financeiro seria
obtido durante o sexto ano.
A vida útil de um sistema fotovoltaico conectado à rede é estimada entre vinte
e cinco e trinta anos. O modelo de painel fotovoltaico escolhido no projeto tem garantia
de vinte e cinco anos para produção de pelo menos 80% da potência nominal e o
inversor possui garantia de cinco anos sendo seu tempo de vida útil estimado em 10
anos, podendo chegar a 15 ou mais, dependendo das condições do ambiente.
42
5 CONCLUSÃO
A cada ano a geração distribuída de energia fotovoltaica tem ganhado mais
espaço no Brasil. No ano de 2012, através da resolução normativa N° 482, a ANEEL
estabeleceu o marco inicial dos sistemas conectados à rede elétrica. De quatro
projetos existentes em 2012, em 2017 já contava com 15.700 instalações
Esse trabalho se propôs a desenvolver o projeto básico de um sistema de
minigeração distribuída para uma residência localizada em Ananindeua, região
metropolitana de Belém. O estudo se baseou em uma revisão teórica a respeito da
conversão de energia solar em elétrica e dos equipamentos utilizados nesse processo.
Outro aspecto importante objeto desse estudo foram as normas brasileiras vigentes
que determinam os pré-requisitos de projeto exigidos pela rede CELPA, para permitir
o acesso de pequenos geradores às redes de distribuição.
Para dimensionar os equipamentos de forma a atender 100% do consumo
médio da residência, analisou-se a capacidade local de geração de energia solar,
através de dados de irradiância e temperatura obtidos no programa Meteonorm7. Com
base nos dados obtidos nesse programa, estima-se que o sistema projetado gere
cerca de 3.280,67 kWh anualmente, sendo que o consumo registrado nos últimos
doze meses foi igual a 2.862 kWh. O excesso é convertido em créditos de energia e
o consumidor tem até sessenta meses para usa-los.
Por fim, foi realizado um estudo de viabilidade econômica para implementação
do projeto. O investimento necessário para implementar o projeto foi cerca de R$9.400
e o retorno do investimento ocorre em aproximadamente 6 anos.
Entre os fatores que podem melhorar o cenário de retorno do capital investido
estão o aumento da eficiência dos módulos fotovoltaicos e dos inversores de
frequência bem como a diminuição dos custos desses equipamentos no mercado
brasileiro. Dessa forma, a criação de políticas de incentivo ao mercado de energia
solar certamente teria impacto positivo no desenvolvimento deste setor.
Apesar de o investimento financeiro apresentar um tempo de retorno
considerado alto, a contribuição para o meio ambiente e consequentemente à
sociedade faz com que sistemas fotovoltaicos sejam muito atraentes, uma vez que
torna possível a geração da energia elétrica que se consome, sem produção ou
consumo de resíduos ou gases poluentes geradores do efeito estufa e do
aquecimento global.
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