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8/18/2019 Projeto Para a Instalação de Módulos Fotovoltaicos Em Um Edifício Residencial Multifamiliar Buscando Compensar …

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Universidade Federal de Santa Maria

Programa de Pós-Graduação em Engenharia CivilEnergia Solar Fotovoltaica Integrada ao Ambiente

Projeto para a Instalação de Módulos Fotovoltaicosem um Edifício Residencial Multifamiliar Buscando

Compensar a Demanda Energética das ÁreasComuns do Edifício

Franciele Bombana

Mariana Salines Maffini

Santa Maria, 08 de Julho, de 2015


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Resumo

A sustentabilidade tem sido o foco de diversas discussões e no quesito da construção civil tem-se discutido maneiras de tornar as construções, independentemente de casa, edifíciosresidenciais ou empresariais, mais sustentáveis. Uma das alternativas que é estuda paraalcançar resultados satisfatórios neste contexto, é a inserção da energia solar fotovoltaica nasconstruções. O presente trabalho realizou um estudo de caso em um edifício já existente, parareceber a instalação de módulos fotovoltaicos para compensar a demanda energética das

áreas comuns do edifício. Primeiramente, uma revisão bibliográfica acerca do assunto foirealizada, para entender o funcionamento e os componentes necessários para a geração daenergia solar fotovoltaica no residencial. Após a revisão bibliográfica, foi realizado o estudode caso do edifício em questão, e o passo a passo está descrito na metodologia e resultados ediscussões deste trabalho.

1. Introdução

Atualmente a sustentabilidade é um tema muito debatido emdiversas áreas, e na construção civil. Por isso, é interessante que haja integraçãoarquitetônica com a energia solar fotovoltaica em suas edificações. A energiasolar fotovoltaica tem esse nome devido ao Efeito Fotovoltaico, conversão diretada luz (espectro visível) em energia elétrica. Essa conversão é realizada pelacélula fotovoltaica.

No presente trabalho é realizado um estudo para uma possível instalaçãodessas células fotovoltaicas em um edifício residencial, Figura 1, com a intençãode compensar a demanda de energia elétrica das áreas comuns do edifício.

Figura 1 – Localização do edifício

O edifício em questão, Figura 2, conta com 17 andares, sendo que 15andares são de apartamentos, 1 andar (térreo) com a portaria do prédio e um


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subsolo que possui uma cozinha e um banheiro. O prédio não possui garagens.O condomínio conta com porteiros 24h além de possuir 2 elevadores,características que aumentam a demanda da energia elétrica.

Figura 2 Fachada frontal e lateral do edifício

A instalação de um sistema solar fotovoltaico em uma edificação jáexistente chama-se BAPV (Building Applied Photvoltaics),ou seja, é um termoque se refere a instalação e adaptação de módulos fotovoltaicos em edificações já existentes, são edificações que receberam a instalação dos módulosfotovoltaicos em fase posterior à sua construção, como no caso deste trabalho.Outro termo utilizado é o BIPV (Building Integrated Photovoltaics), no português“integração fotovoltaica na arquitetura, é conceitualmente uma integraçãoelaborada ainda na fase de projeto da edificação.

2. Revisão Bibliográfica

Por se tratar de uma fonte de energia limpa e renovável, a energia solarfotovoltaica vem sendo bastante empregada no setor da construção civil para oabastecimento energético de residências. Segundo Pinho e Galdino (2014), atransformação da energia solar em energia elétrica (efeito fotovoltaico) ocorre nacélula fotovoltaica, que é um dispositivo fabricado com material semicondutor, eo conjunto dessas células fotovoltaicas recebe o nome de módulo fotovoltaico.

Existem diversas tecnologias empregadas nas células fotovoltaicas, entreelas existe a primeira geração que são as de silício monocristalino (m-Si) e a depolicristalino (p-Si) que são as mais utilizadas do mercado. No respectivo


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trabalho, serão utilizadas células fotovoltaicas monocristalinas, pois elaspossuem uma maior eficiência do que de silício policristalino, dessa maneiraconseguem ocupar uma área menor para a instalação desses módulosfotovoltaicos. As células fotovoltaicas possuem diferentes características quedevem ser levadas em conta na hora da escolha. Cada tipo de célula possui umapotência, dimensões e pesos, eficiências diferentes.

As células e módulos fotovoltaicos podem ser associados de duas

maneiras distintas, em série e/ou em paralelo. Chama-se arranjo o conjunto dosmódulos fotovoltaicos que foram associados eletricamente. Na conexão em sériea corrente elétrica não é afetada, permanecendo a mesma e a tensão é somada.Já para a associação em paralelo a tensão permanece a mesma e a correnteelétrica é somada.

Conforme Pinho e Galdino (2014), outro dispositivo necessário no sistemafotovoltaico é o inversor, a função dele é energizar equipamentos em correntealternada a partir de uma fonte de energia elétrica em corrente contínua, nessecaso, proveniente da célula fotovoltaica.

3. Metodologia

Para a realização deste trabalho primeiramente foi feita uma revisãobibliográfica em livros, manuais, dissertações e artigos sobre a energia solarfotovoltaica, os equipamentos necessários para a implantação deste sistema

entre outros assuntos relacionados ao dimensionamento do sistema. A demanda energética da área comum do edifício foi retirada de uma

conta de luz do condomínio. Os demais dados como a inclinação dos painéis ea localização dos mesmos foram retirados do programa Radiasol 2. Uma análisedo sombreamento foi realizada no programa Sketchup.

Muitos fatores interferem na hora de projetar um sistema fotovoltaico,primeiro é preciso fazer um cálculo do consumo, este consumo é expresso emQuilowatt-hora por mês (kWh/mês), onde 1 kWh é igual a 1000 Wh. O watt horaé a potência gerada ou consumida por hora. Já o Watt de pico, outra expressão

bastante utilizada, é a máxima potência obtida em condições ideais.Para descobrir a melhor localização para a instalação dos painéis

fotovoltaicos fixos, é preciso saber a latitude do local onde se deseja instalar osmesmos, o valor da inclinação em relação a horizontal deverá ser igual oupróximo a latitude do lugar. Pois este será o lugar que receberá a maiorirradiação solar. Irradiação solar é o nome que se dá a energia incidente porunidade de superfície de um dado plano.

Para saber os dados de irradiação média mensal sobre um planoinclinado, utiliza-se o programa Radiasol 2. É importante não confundir irradiação

solar com radiação solar. Radiação solar é o termo dado à energia radianteemitida pelo sol que é transmitida sob a forma de radiação eletromagnética. A


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radiação solar que a principal responsável pela vida na terra, característicasclimáticas e pela dinâmica da atmosfera. A irradiação solar em kWh que umadeterminada área está recebendo recebe o nome de Gpoa.

4. Resultados e Discussões

1º) O primeiro passo do trabalho consiste no levantamento dademanda mensal dos últimos 12 meses. Os valores foram coletados de umafatura de energia elétrica Figura 3 da área comum do edifício e com os valoresmontou-se a Tabela 1.

Figura 3 Fatura de Energia Elétrica do Edifício

Mês Demanda

Junho 3467,0 kWhMaio 2709,0 kWhAbril 2564,0 kWh

Março 2357,0 kWhFevereiro 2118,0 kWh

Janeiro 2272,0 kWhDezembro 2750,0 kWhNovembro 2558,0 kWhOutubro 2661,0 kWh

Setembro 2901,0 kWh

Agosto 2476,0 kWhJulho 2959,0 kWh


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Tabela 1 Demanda energética mensal

2º) O segundo passo era estimar a demanda média mensal anual, paraisso foram somadas as demandas de cada mês e dividiu-se por 12 o resultado.Como mostra a Tabela 2.

Mês Demanda Demanda MédiaJunho 3467,0 kWh

2649,33 kWh

Maio 2709,0 kWhAbril 2564,0 kWh

Março 2357,0 kWhFevereiro 2118,0 kWh

Janeiro 2272,0 kWhDezembro 2750,0 kWhNovembro 2558,0 kWh

Outubro 2661,0 kWhSetembro 2901,0 kWh

Agosto 2476,0 kWhJulho 2959,0 kWh

Tabela 2 Demanada média

3º) Realizou-se um levantamento dos possíveis locais para ainstalação dos painéis solares e o telhado do edifício foi escolhido para recebera instalação desses painéis, pois recebe praticamente toda radiação solar que

existe durante o dia e também possui a área e inclinação necessárias paraacomodar os módulos fotovoltaicos.

Para descobrir a melhor posição e inclinação de instalação dos painéisfotovoltaicos foi preciso descobrir o valor da latitude do local, esse valor foiencontrado pelo programa Google Earth. O ângulo de inclinação é igual ao valorda latitude, 27º. O ângulo onde serão instalados os painéis é de 58º em relaçãoao norte.

4º) Descobrir a radiação solar em média diária mensal e a média diáriaanual através do programa Radiasol 2.

A configuração ideal do ângulo e do Gpoa é igual a latitude da localizaçãodo edifício. Gpoa: Irradiação disponível na orientação do módulo. GH: GlobalHorizontal disponível no Swera, ponderado pelo programa Radiasol 2. O Gpoafoi igual a 4,49 como mostra a Tabela 3.


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Telhado norte (azimute=0°) Telhado (58°)Meses Global SWERA 26° 27° 28° 29° 27°

1 6,31 7 6,6 6,51 6,96 6,92 62 5,56 5,96 5,97 6,01 5,35 5,46 5,413 4,82 5,24 5,76 5,79 4,36 4,49 4,974 3,56 3,97 4,81 4,85 3,01 2,92 3,915 2,9 3,06 4,06 4,08 2,16 2,22 3,366 2,29 2,78 3,91 3,96 1,82 1,75 2,697 2,52 2,79 3,78 3,84 2,02 1,93 2,938 3,18 3,7 4,7 4,67 2,54 2,74 3,529 3,97 4,41 5,07 5,05 3,62 3,64 4,16

10 4,98 5,48 5,76 5,72 4,89 4,93 5,0911 6 6,55 6,35 6,25 6,35 6,33 5,7712 6,41 7 6,47 6,41 7,04 7,08 6,03

Média 4,38 4,83 4,83 5,26 4,18 4,2 4,49Capacidade: 92% 100% 79% 80% 85%

Tabela 3 Valor do Gpoa com o telhado a 28º em relação ao norte

5º) O cálculo da potência é o fornecimento à edificação de acordo coma disponibilidade de radiação. Essa potência é calculada pela fórmula abaixo:

= ∗ 30∗

Onde:

E – É a energia em kWh = 2649,33 kWh

Gpoa – Irradiação em kWh = 4,49

R – Rendimento do inversor e cabeamentos = 0,8

POT = 24,5855 kWp


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6º) A escolha do módulo foi com base na Tabela de EficiênciaEnergética – Sistema de Energia Fotovoltaica – Módulos – Edição 02/2014 doInmetro. As características do módulo selecionado estão na Tabela 4.

Módulo Fotovoltaico

Empresa Panasonic do Brasil LTDAMarca PanasonicModelo VBHN220AA01Material mono - SiComprimento(mm) 1580

Largura (mm) 798 Área 1,261

Peso (kg) 16Potência (W) 221

Produção Média deEnergia kWh/mês

27,59

EficiênciaEnergética (%)

17,5

Tensão(V) 42,7

Corrente (A) 5,17Tabela 4 Características do módulo fotovoltaico utilizado

7º) Depois da escolha do módulo ser feita, é preciso fazer o cálculopara saber a quantidade total de módulos necessário. Esse cálculo é feitodividindo a Potência do Módulo Fotovoltaico (221 W), valor que está na Tabela4, pela Potência calculada no Item 5 (24,59 kWp). O número de módulosresultante 111,27, logo, arredonda-se para um valor maior, 112 módulos.

Quantidade de MódulosPotência do Módulo = 221 WPOT = 24,59 kWp

N - Número de MódulosN = 24,59/ (221/1000) =

N = 111,27 MódulosN = 112 Módulos


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8º) A potência de trabalho total é calculada pelo número total demódulos, no caso 112 módulos, multiplicado pela potência do módulo que é221W.

= 112 ∗ (221

1000) = 24,8

9º) Para análise do local de instalação foi feita uma modelagem doedifício no programa Sketchup onde foi simulado o sombreamento para avaliaro local com menor incidência de sombras.

Devido ao espaço disponível para a instalação dos módulos, foram feitosdois arranjos de módulos fotovoltaicos. O primeiro arranjo feito contém 90módulos fotovoltaicos. Decidiu-se fazer 6 fileiras em paralelo contendo 15módulos em série a cada fileira, totalizando os 90 módulos. Esta diagramaçãoestá representada na Figura 4. O segundo arranjo feito contém 22 módulos,decidiu-se fazer 2 fileiras em paralelo contendo 11 módulos cada uma, tambémesquematizado na Figura 4. Totalizando assim os 112 módulos necessários.

Módulos em série tem o valor da tensão somado e a corrente permanecea mesma. Já para módulos instalados em paralelo a tensão permanece a mesmae a corrente é somada. Os resultados são mostrados na Tabela 5.

Figura 4 Disposição dos painéis na cobertura

1º Disposição1º Arranjo - 15 Módulos em Série

Tensão unitária = 42,7 VCorrente Elétrica = 5,17 A


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Tensão Total = 640,5 VCorrente Total = 5,17 A

2º Arranjo - 6 em Paralelo

Tensão 640,5 VCorrente = 5,17 ATensão Total = 640,5 VCorrente Total = 31,02 A

2º Disposição1º Arranjo - 11 Módulos em Série

Tensão unitária = 42,7 VCorrente Elétrica = 5,17 ATensão Total = 469,7 VCorrente Total = 5,17 A

2º Arranjo - 6 em Paralelo

Tensão 469,7 VCorrente = 5,17 ATensão Total = 469,7 VCorrente Total = 10,34 A

Tabela 5 Arranjo dos módulos fotovoltaicos

10º) Para seleção do inversor é preciso considerar a potência total dosistema, bem como a tensão e a corrente total e então encontrar um inversorque se encaixe nas exigências mostradas na Tabela 5. O primeiro arranjo comuma Tensão total igual de 640,5 V e Corrente Total de 31,02 A e o segundoarranjo com uma Tensão total igual de 469,7 V e Corrente Total de 10,34 A.

Optou-se pela utilização de dois inversores. O inversor escolhido foi damarca Solar Inverts, Figura 5, e suas características específicas são mostradasna Figura 6, onde é possível ver que as exigências foram atendidas.


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Figura 5 Inversor Solar Inverts

Figura 6 Características do inversor selecionado destacadas em vermelho

12º) Também foi feita uma análise do sombreamento do local onde ospainéis foram instalados. Essa análise foi feita pelo programa Sketchup para odia 21 de Junho as 9 horas e as 15 horas. Na figura 7 é possível ver a análisedas 9 horas e na Figura 8 para as 15 horas.


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Figura 7 Análise de sombreamento as 9 horas do dia 21 de Junho

Figura 8 Análise de sombreamento as 9 horas do dia 21 de Junho

13º) Foi gerado um gráfico, Figura 9, da Geração X Demanda. Os dadospara geração deste gráfico estão na Tabela 6.

A radiação foi retirada do programa Radiasol 2, a Demanda da fatura da energiaelétrica do edifício, a potência é a mesma calculada no Item 5 e a energia geradaé calculada pela fórmula abaixo.


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= ê ∗ çã ∗ 0,8∗ 30

Potência Radiação Energia Gerada Demanda24,59 6 3540,311804 227224,59 5,41 3192,181143 211824,59 4,97 2932,558278 235724,59 3,91 2307,103192 256424,59 3,36 1982,57461 270924,59 2,69 1587,239792 346724,59 2,93 1728,852264 295924,59 3,52 2076,982925 247624,59 4,16 2454,616184 290124,59 5,09 3003,364514 266124,59 5,77 3404,599852 255824,59 6,03 3558,013363 2750

Tabela 6 Dados para a geração do gráfico Geração x Demanda

Figura 9 Gráfico Demanda x Energia Gerada

5. Conclusões

Com este projeto de dimensionamento de um sistema fotovoltaicofoi possível observar que inclusive em edificações já existentes consegue-seimplantar um sistema de energia solar fotovoltaica, como foi o caso do edifícioem questão, que se trata de uma construção residencial antiga.


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Com a implantação deste sistema, será possível uma redução nafatura energética do condomínio, diminuindo desta forma a despesa de cadamorador.

No entanto, deve ser feita uma avaliação profunda dos custos deimplantação deste sistema. Uma análise feita, onde o valor do wp custariaR$10,0, teria um valor total para implantação deste sistema de aproximadamenteR$250000,00. Dividindo este valor pelo número de proprietários daria um

investimento total de aproximadamente R$ 4167,00.Contabilizando que cada morador gasta em média um valor de

R$35,0 de energia elétrica para as áreas comuns, seria necessário em torno de10 anos para conseguir cobrir o investimento. O que é válido, pois um sistemade energia fotovoltaica tem uma vida útil em torno de 30 anos.

É importante ressaltar que a implantação deste sistema fotovoltaiconão deveria visar apenas o lado financeiro, mas também a questão dasustentabilidade, onde o edifício estaria gerando uma energia limpa contribuindodesta maneira para o meio ambiente.

6. Bibliografia

Diedrich, V. A., 2013. Geração Distribuída Baseada em um SistemaFotovoltaico. Tese de Graduação, UFRGS.

Faria, E. M., 2014. Estudo da Inserção de Mini e MicrogeraçãoFotovoltaica Distribuída na Projeção de Demanda da Classe Residencial. Tesede Graduação, UFRGS.

Grande, A. A., 2013. Sistemas Fotovoltaicos para Geração de EnergiaElétrica. Tese de Graduação, UFRGS.

Pinho, J. T., e Galdino, M. A., 2014. Manual de Engenharia para SistemasFotovoltaicos. Rio de Janeiro.

Santos, I. P., 2013. Desenvolvimento de Ferramenta de Apoio à Decisãoem Projetos de Integração Solar Fotovoltaica à Arquitetura. Tese de Doutorado,UFSC.

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