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RTC/PIRnaUSP nº 453

RELATÓRIO TÉCNICO-CIENTÍFICO

Projeto Ekó House – Energia Elétrica, Consumo e Geração do Protótipo I

Coordenação: Miguel Edgar Morales Udaeta Claudia Terezinha de Andrade Oliveira

Equipe: Rodrigo Antonio Carneiro

Régis Davy Lindório de Faria Pascoal Henrique da Costa Rigolin Claudia Terezinha de Andrade Oliveira Fernanda Antonio Lucas Sabino Dias Yuri Endo Kokubun Luiz Cláudio Ribeiro Galvão Paulo Hélio Kanayama Miguel Edgar Morales Udaeta

Responsáveis: Pascoal Henrique da Costa Rigolin ([email protected])

Régis Davy Lindório de Faria ([email protected]) Rodrigo Antonio Carneiro ([email protected])

Revisão: Cristiane Garcia

SÃO PAULO 2013

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Índice

1. INTRODUÇÃO 3

1.1. Objetivos 3

2. EKÓ HOUSE 4

2.1. Introdução 4

2.2. Descrição Geral 4

2.2.1. Arquitetura 4

2.2.2. Engenharia e Construção 6

2.2.3. Acústica 7

2.2.4. Sistema Hidráulico 7

2.2.5. Sistema Fotovoltaico 9

3. INSTALAÇÕES ELÉTRICAS DA EKÓ HOUSE 10

4. CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA 15

4.1. Equipamentos Elétricos 15

4.2. Sistemas de HVAC 17

4.3. Sistema de Água 18

4.4. Iluminação e Outros 19

4.5. Consumo Anual 21

5. SISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA 24

5.1. Descrição e Introdução 24

5.2. Meteorologia e Solarimetria 24

5.3. Energia Solar Fotovoltaica 27

5.3.1. Efeito Fotovoltaico 27

5.3.2. Células Fotovoltaicas 28

5.3.3. Módulos Fotovoltaicos 29

5.3.4. Sistema Fotovoltaico 33

5.3.5. Inversores 34

5.4. Sistema Fotovoltaico da Ekó House 35

5.4.1. Módulos 36

5.4.2. Inversor 40

5.4.3. Proteção 47

5.4.4. Cálculo da Energia Produzida 48

6. CONSIDERAÇÕES FINAIS 50

7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 51

8. ANEXOS 53

8.1. Projeto Elétrico 53

8.2. Projeto de Iluminação 55

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1. INTRODUÇÃO

Em virtude da importância que o desenvolvimento sustentável apresenta na sociedade moderna, a Eletrobras, em parceria com duas grandes renomadas universidades brasileiras, coordenou a construção de uma casa que utiliza energia provinda de painéis fotovoltaicos. Estudantes, pesquisadores e docentes da Universidade de São Paulo e da Universidade Federal de Santa Catarina coordenaram o projeto, que tem algumas áreas desenvolvidas por membros de outras universidades, como da Universidade Federal do Rio de Janeiro (gráfico e paisagem), da Universidade Estadual de Campinas (móveis e modelos físicos), do Instituto Federal de Santa Catarina (água quente) e da Universidade Federal do Rio Grande do Norte. A construção foi realizada na Universidade de São Paulo, no Instituto de Eletrotécnica e Energia.

A casa citada é denominada Ekó House, e este relatório técnico-científico tem o objetivo de apresentar os sistemas e equipamentos relacionados ao consumo e à geração de energia elétrica na casa. A descrição geral detalhando arquitetura, engenharia e construção e a apresentação dos sistemas da casa estão no Capítulo 2.

A Ekó House foi concebida seguindo princípios como o uso racional da energia elétrica e o baixo impacto ambiental. Esses pontos nortearam todas as decisões de projeto, no sentido de alcançar a máxima eficiência energética, sem alterar o conforto dos moradores.

No Capítulo 3 é descrita a instalação elétrica. Já a análise geral sobre o consumo dos equipamentos elétricos e da iluminação é realizada no Capítulo 4. No Capítulo 5 é realizada a descrição e a análise técnica do sistema de geração de energia da Ekó House, além de como esse sistema é integrado à rede elétrica.

1.1. Objetivos

1) Estabelecer a modelagem de um sistema energético; 2) Apresentar um sistema energético que evidencie a arquitetura da Ekó House; 3) Determinar equipamentos e usos finais de energia elétrica; 4) Simular consumo e geração de energia elétrica na Ekó House.

2. EKÓ HOUSE

2.1. Introdução

A Ekó House emprega de forma conjunta tecnologias de ponta e técnicas tradicionais. Assim, é realizada a redução das necessidades energéticas da casa através de componentes e equipamentos altamente eficientes, além de prover sua própria energia com painéis fotovoltaicos. Além disso, a água é trabalhada em ciclo fechado; busca-se o conforto térmico por meio de sistemas passivos e através de materiais e técnicas locais de baixo impacto ao meio ambiente, com o intuito de divulgar e fomentar o uso dessas técnicas construtivas, viabilizando a redução do custo, aprimorando sua sustentabilidade, além de ajudar a economia local e se relacionar com a sua cultura.

Assim, a Ekó House procura integrar o homem com a natureza através de um projeto baseado na cultura brasileira, que respeita o ambiente, e pode ser projetada para locais de pouca infraestrutura e ecossistemas frágeis.

Neste capítulo será realizada a descrição da Ekó House, desde a arquitetura até os sistemas. Após as descrições, é tratada uma abordagem sobre a sua inovação e sustentabilidade.

2.2. Descrição Geral

2.2.1. Arquitetura

Todas as habitações geram impacto ao meio ambiente, não apenas durante a sua fabricação, mas por todo o seu ciclo de vida. Cabe ao ser humano encontrar soluções inteligentes para aproveitar os recursos finitos do meio ambiente, minimizando o impacto através da inovação arquitetônica.

A inovação tecnológica contínua permite que os avanços tecnológicos produzidos em diferentes áreas de estudo, como engenharia, construção e processos de automação; tecnologias de energias renováveis; informações e tecnologias de comunicação; e reduções de emissões de carbono, sejam integradas no projeto de arquitetura.

Um dos objetivos da arquitetura da Ekó House é se integrar com o meio ao seu redor, aproveitando-se dos ciclos solares e da forma como eles moldam a vida das pessoas da região, através da combinação de sistemas de tecnologia avançada com técnicas tradicionais de construção que enfatizam o uso de sistemas passivos. Essa integração possibilita o uso de materiais e mão de obras locais. As tecnologias selecionadas permitem um elevado grau de controle térmico da casa, reduzindo os custos de energia. Essa combinação permite uma maior identificação cultural além de reduzir a energia necessária para o transporte de matérias, produção e transporte (ver Figura 1).

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Figura 1. Ekó House.

Fonte: elaboração própria, 2012.

As varandas da casa são baseadas em cortinas e painéis móveis, que se adaptam à

luz do sol, de forma ideal e às condições de iluminação, assim como a configuração de privacidade, utilizando um controlador automatizado. A varanda funciona como um bloqueador, que protege os espaços internos da casa.

A flexibilidade é uma característica importante do projeto que garante a adaptabilidade a diferentes configurações. O uso do espaço interno é definido por um espaço central de transição para o deslocamento no interior. Três espaços modulares para cozinhar, fazer a higiene e repousar são definidos em linha com o corredor central. Essa área de ligação, em conjunto com o mobiliário flexível, permite a reconfiguração do espaço de acordo com as necessidades e atividades dos moradores. O fato de o mobiliário ser flexível permite utilizar o espaço interno de forma mais eficiente, contribuindo para que o espaço interno seja menor sem alterar a percepção de conforto dos moradores.

Um dos objetivos do sistema de iluminação é proporcionar visibilidade adequada para que as pessoas possam interagir e realizar suas atividades de forma confortável. Uma parte importante do projeto de iluminação é integrar a eficiência energética à qualidade de iluminação seguindo o preceito de utilizar iluminação natural como a fonte primária de iluminação, quando possível e em contrapartida, os sistemas de controle de iluminação maximizam a eficiência de consumo da luz artificial.

A casa foi concebida na forma retangular e com fachadas mais alongadas na orientação norte e sul, para permitir a penetração de luz do dia com facilidade. As aberturas de maior dimensão localizadas nas fachadas norte e leste fornecem luz e permitem contato visual e integração com o exterior.

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O quarto, localizado no quadrante nordeste da casa, recebe o sol da manhã, quando as temperaturas costumam ser mais baixas. A sala de estar, posicionada a leste, é protegida da luz direta pela varanda. A cozinha não deve receber muita luz solar através da fachada, assim como deve ser protegida do calor excessivo. Uma grande abertura a oeste da cozinha garante iluminação para a estação de trabalho e para a sala de jantar. Além disso, a persiana externa protege contra o calor excessivo e evita a luz solar direta, o que poderia causar reflexos nas superfícies, ocasionando desconforto visual.

A iluminação artificial do interior segue o padrão de linhas paralelas que percorrem grande parte do espaço, uma vez que a iluminação geral do interior está associada aos espaços e não diretamente à configuração do mobiliário. A linha de luz ao longo da casa cria uma linha ótica de ligação entre as duas extremidades da casa. As luminárias LED de orientação também garantem boa visibilidade durante o dia.

As lâmpadas dimerizadas dispostas no interior permitem atrelar a distribuição de luz ideal entre a iluminação artificial e natural com o uso eficiente da energia elétrica.

2.2.2. Engenharia e Construção

A estrutura foi projetada para atender a diferentes conceitos de sustentabilidade, tendo como premissa a utilização de materiais que reduzem as perdas térmicas; materiais renováveis, que possibilitam o sequestro de carbono (CO2), estrutura concebida para não utilizar conservantes ou biocidas para aumentar o seu tempo de vida; tecnologias que reduzem a quantidade de material necessário, mantendo o desempenho estrutural estabilizado; e a possibilidade de rearranjos estruturais de acordo com as necessidades de expansão e/ou modificação do desenho da casa.

Para obedecer a essas premissas utiliza-se um sistema estrutural de componentes de madeira sólida (vigas, pilares) e madeira processada, dentro do conceito da estrutura de rede.

Os módulos estruturais são independentes, o que facilita o transporte e a montagem. O sistema completo consiste em um módulo de base que contém os elementos essenciais da casa (cozinha, banheiro, quarto e sala de trabalho) e outros módulos que podem ser adicionados ao de base, de acordo com a necessidade de expansão.

Na montagem da casa foi planejado o uso de equipamentos de pequena e média dimensões, com o intuito de reduzir as operações no local de trabalho e criar painéis estruturais (vertical e horizontal), incorporados ao isolamento térmico, à instalação hidráulica e elétrica, ao revestimento e aos quadros.

A revisão dos detalhes de montagem de todos os componentes dos painéis (conexões de aço, placas de madeira, painéis de contraventamento), é necessária devido a sua complexidade e o fato de haver interferência entre os componentes. Para facilitar o processo, foi utilizado durante a fabricação dos componentes um software de prototipagem que obedece a três requisitos principais: (a) minimização e facilitação de atividades no canteiro de obras; (b) a possibilidade de montagem e desmontagem da estrutura e dos

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transportes para garantir a reutilização de componentes sem perda de funcionalidade das conexões; (c) adotar os princípios da ergonomia na montagem e desmontagem.

Os painéis de madeira da estrutura da Ekó House usam basicamente quatro tipos de ligações metálicas. A maioria deles é de aço “equal angle”1 (DIN EN-10056-1) de dois comprimentos diferentes, ambos disponíveis comercialmente no país.

Uma peça de metal que liga um painel a outro (painel de parede com painel de parede e painel de parede com painéis de piso e teto) com pequenas alterações pode ser usado para levantar os painéis de parede. Uma peça de metal estrutural de nome “LigLong" conecta pedaços de madeira no piso e painéis de teto, junta-se um painel (pavimento e painéis de teto com piso e painéis de teto) ao outro através de um canal que orienta o processo de montagem. Além disso, o dispositivo de levantamento em olhal também se aplica para içar painéis.

A equipe colocou isolamento térmico nos painéis de acabamento externo, enquanto cabos elétricos, de automação e encanamento estão localizados internamente. Dentro da casa a estrutura de apoio tem alguns slots que permitem que o morador possa encaixar facilmente armários, prateleiras ou outros objetos sem dificuldades.

2.2.3. Acústica

A Ekó House adota estratégias diferentes para oferecer conforto acústico para os seus moradores. O armário técnico está disposto na parte externa da casa e tem o banheiro localizado entre o quarto e a cozinha como um tampão.

Painéis estruturais têm isolamento de lã de vidro incorporado na sua estrutura. No entanto, o ar entre os painéis cria um ponto fraco no isolamento acústico da casa. Para resolver esse problema, os painéis de acabamentos exteriores, compostos de cimento e aerogel são posicionados em conjunto com os elementos estruturais de madeira, criando uma descontinuidade de meios, o princípio mola-massa, que asseguram um bom isolamento acústico. A casa possui vidros duplos que auxiliam no isolamento acústico.

A fachada sul tem mais da metade de sua área composta de grandes painéis de vidro. Dessa forma, o isolamento acústico da fachada está intrinsecamente relacionado com o desempenho das janelas que, de acordo com o fabricante, possuem Rw de 35dB.

2.2.4. Sistema Hidráulico

O sistema hidráulico proposto permite a utilização de água em todos os pontos por meio de um sistema de distribuição que combina a facilidade de implementação, manutenção e transporte.

O sistema “plug and play”, que ainda é raro em construções no Brasil, reduz o tempo de instalação e permite a reutilização dos materiais. Todo o sistema hidráulico está situado na parede que separa a cozinha e o banheiro. Cada ponto de utilização está ligado a um

1 Tipo específico de barra de aço com tamanhos de estruturas iguais, equidistantes e paralelas.

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coletor com registro individual, permitindo a manutenção de um ponto sem comprometer o funcionamento dos outros. Esses distribuidores estão fora da casa, facilmente acessíveis através de um rodapé de manutenção entre a casa e o deck.

O sistema de água fria e quente é feito pelo uso alternado de bombas e um tanque hidropneumático que assegura uma pressão constante em cada ponto de uso. Essas instalações, bem como todos os tubos que saem do tanque de água para o coletor, estão localizadas sob o convés, próximo ao armário mecânico.

O depósito de água potável está localizado abaixo do tampo da fachada norte, conjunto com a máquina de lavar e secar roupa. Essa localização lhe confere fácil acesso ao abastecimento e distribuição de água para a casa.

Essa forma integrada de trabalho possibilitou uma nova abordagem construtiva e uma maior funcionalidade de montagem e desmontagem. A concepção básica do sistema de encanamento foi modificada para atender a nova configuração da estrutura e para se adaptar ao "PEX", tecnologia ponto a ponto.

O saneamento descentralizado é um instrumento importante para a preservação dos recursos hídricos. A Ekó House possui um sistema diferenciado de tratamento dos efluentes. Fezes e urina são dispostos em um sanitário segregado que não exige água, sendo a urina transferida para um reservatório apropriado enquanto o bolo fecal passa pelo processo de compostagem, cuja tecnologia está sendo aperfeiçoada por muitas empresas, especialmente na Europa, indicando a possibilidade de propagação de sua utilização no futuro. Essas novas tecnologias aceleram o processo de compostagem para evitar odores, contribuir para a redução do consumo de água e permitir a reutilização de águas residuais na agricultura e jardins.

As águas residuais restantes (chuveiro, pia e máquina de lavar roupa, cozinha, pia e máquina de lavar louça) são tratadas por um sistema natural, com filtros híbridos, e plantado com macrófitas (úmidas) que permitem que, no final do processo, uma elevada quantidade de água seja revertida para o uso não potável, como em jardinagem. O efluente entra nos tanques de zonas úmidas após a remoção de óleos, gorduras, sólidos, fibras e outras partículas sólidas. Livre desses elementos, o efluente segue para o tanque de acumulação e é bombeado primeiro a uma zona úmida de fluxo vertical.

Depois dessa filtragem, a água cai por gravidade até a segunda zona úmida de fluxo horizontal, onde o tratamento biológico ocorre, com a redução da matéria orgânica, nutrientes e microrganismos patogênicos. O efluente tratado recebe uma desinfecção final com pastilhas de cloro e podem ser armazenadas para reutilização, como a irrigação.

A água da chuva capturada sobre o telhado pode ser usada em tarefas que não necessitem de água potável. Ela é recolhida por meio de calhas localizadas na fachada sul e são filtradas no tubo de queda. Essa filtração remove impurezas que estão dentro da cobertura, tais como folhas e outros resíduos sólidos. Entrando no tanque de água da chuva, a água passa através de um desacelerador, cuja função é reduzir a velocidade de entrada, de modo a não suspender os resíduos depositados no fundo do tanque.

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2.2.5. Sistema Fotovoltaico

O sistema fotovoltaico tem capacidade instalada de 11.04kWp. A capacidade máxima do inversor é cerca de 5% maior do que o do sistema fotovoltaico instalado.

Os módulos estão orientados a sul com um azimute de 180º e inclinação de 15º. Esta é controlada e pode ser ajustada para cinco ângulos diferentes (10º, 15º, 20º, 25º e 30º graus), que permite à Ekó House funcionar com a inclinação mais eficiente em grande parte do país. A produção de energia da Ekó House é feita por 48 painéis fotovoltaicos, modelo SPR 230 WHT, com potência de 230W de pico, fornecidos pela Sun Power Corporation. Os módulos são compostos de células solares monocristalinas da próxima geração da Sun Power, que garantem até 50% a mais de geração de energia em comparação com os painéis convencionais.

Todos os módulos fotovoltaicos são sem moldura de vidro/vidro laminado, painéis com PV Cells em células monocristalinas pretas. A parte da frente do painel tem 3,2mm de vidro temperado e todos os quadros de módulos são constituídos de alumínio anodizado, liga do tipo 6063. A caixa de junção é composta de três diodos de desvio, para garantir a proteção contra danos hot spot quando o painel fotovoltaico é parcialmente sombreado por folhas caídas ou outros obstáculos.

O sistema fotovoltaico é dividido em dois subsistemas de 24 módulos, sendo três cadeias em paralelo de oito módulos por subsistema. Cada subsistema é ligado com um inversor SMA SMC 5000A, que tem a função de converter a corrente DC da geração fotovoltaica em corrente alternada justamente para operar equipamentos e sistemas da casa. O inversor modelo SMC 5000A está protegido com isolação galvânica e uma tecnologia com controle ativo de temperatura.

Possui um sistema de aquisição de dados que pode ser conectado com o inversor através de rede RS485 ou Bluetooth.

3. INSTALAÇÕES ELÉTRICAS DA EKÓ HOUSE

Neste capítulo será apresentado o projeto elétrico da Ekó House, que inclui necessidades de uma residência de classe média-alta brasileira, com características diferenciadas, para alcançar melhor eficiência energética. O projeto de iluminação, a especificação do cabeamento utilizado, quadros elétricos e circuitos com suas respectivas proteções serão aqui apresentados.

O projeto interno de iluminação artificial foi pensado de acordo com a incidência da luz solar, uma vez que esta não penetra em todos os ambientes da casa com sua máxima capacidade de iluminância. Portanto, optou-se pelo uso de lâmpadas LED (light-emitting diode) dimerizáveis de 4,5W (eficiência energética de 30lm/W), mostradas na Figura 2 Além da redução do consumo de energia, a utilização pela tecnologia LED oferece melhoria na qualidade da luz (ELETROBRAS, CEPEL).

Figura 2. Lâmpadas LED utilizadas na Ekó House; modelo PHILIPS.

Fonte: PHILIPS, 2011.

A modularidade da casa exige que a instalação elétrica seja flexível, diferente da

forma convencional, e simultaneamente confiável. A utilização de um sistema de conexões “plug and play” facilita as conexões sem necessidade de realizar a terminação dos cabos manualmente, otimizando e reduzindo o tempo de instalação. O isolamento utilizado para os cabos tripolares foi de 0,6/1kV e para os cabos unipolares foi de 0,45/0,75kV, colocados no interior de conduítes metálicos flexíveis (capacidade de até 4 circuitos e 1 terra/cada).

Na Figura 3 é apresentada a caixa de distribuição (lado esquerdo), responsável pela divisão dos circuitos e conexão dos cabos no teto, e o tipo de cabo (à direita) utilizado para as conexões, facilmente integrado à parede e ao teto, fabricados com conectores de capacidade de corrente de 16A por ligação.

Figura 3. Caixa de distribuição (esquerda) e cabos com conectores de 16A (direita).

Fonte: REMASTER, 2011.

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O restante da distribuição elétrica foi feito através de cabos de cobre (bipolar ou tripolar), isolados individualmente através de eletrodos de PVC (70ºC, não inflamáveis), com cores distinguindo Fase, Neutro e Terra. A entrada geral da casa é realizada com um cabo de 16mm² tripolar ,com isolamento de alta tensão (0,6/1kV).

Localizado no interior do gabinete técnico, um quadro elétrico externo é responsável pelo gerenciamento e pela proteção dos circuitos elétricos externos citados na Tabela 1. A junção e proteção dos strings de painéis fotovoltaicos e a alimentação de energia da casa são funções realizadas pelo quadro elétrico externo. Os cálculos elétricos gerais para a definição dos circuitos estão de acordo com a norma brasileira de Instalações Elétricas de Baixa Tensão – NBR5410 (válido a partir de 2005).

Para um melhor entendimento do sistema como um todo, nos Anexos A e B foram colocados os diagramas unifilares do projeto elétrico e de iluminação, respectivamente.

Tabela 1. Circuitos elétricos externos da Ekó House.

CIRCUITO

LOCAL

SAÍDA PROTEÇÃO

IDENT. DENOMIN. QTD. POTÊNCIA

TOTAL (VA)

CORRENTE (A)

DISJ. (A)

DDR (A)

1 Lâmp. externas

Armário técnico

2

278 1,26 10 25

Varanda 3

Jardim 2

Vasos 3

Rampa / varanda

4600cm

2 Lâmp. externas

Varanda 3

248 1,13 10 25 Jardim 6

Varanda 5

Jardim 5

3 Tubos evacuados

Bomba

1 760 3,45 10

25 4

Tanque 1

1500 6,82 15

Hidropneumático I

5 Tanque

1 1500 6,82 15

25 Hidropneumático II

6 Água tratada 1 250 1,14 10

7 Painel automação 1

Armário técnico

1 160 0,73 15

40 8 Painel automação 2

Sala de estar 1 160 0,73 10

9 HVAC Externo 2 4800 21,82 40

10 Brises Externo 4 400 1,82 10

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11 Persianas Sala de estar

7 700 3,18 10

12 Detector de fumaça Sala de estar

1 20 0,09 10

13 Luz de emergência Sala de estar

4 40 0,18 10

14 Boiler Armário técnico

1 1000 4,54 10 40

15 Aquecedor elétrico Armário técnico

1 1500 6,81 10

- TOTAL Armário técnico

13316 VA 60,53 60 100


O segundo painel elétrico interno recebe a alimentação provinda do painel externo

citado anteriormente. Este tem a função de distribuir energia para os circuitos internos da casa, citados na Tabela 2.

Tabela 2. Circuitos elétricos internos da Ekó House.

CIRCUITO

LOCAL

SAÍDA PROTEÇÃO

IDENT. DENOMIN. QTD. POTÊNCIA

TOTAL (VA)

CORRENTE (A)

DISJ. (A)

DDR (A)

1 Forno elétrico

Cozinha 1 3570 16,23 20 25

2 TUG Cozinha 6

1920 8,73 15 25

3 25

3 Lava-louças Cozinha 1 1408 6,4 15

4 Geladeira Cozinha 1 120 0,55 10 25

5 Cooktop Cozinha 1 5040 22,91 40 40

6 TV/DVD/PC Sala de estar 3 288 1,31 10 25

7 TUGs

Sala de jantar/estar 4

815 3,7 10 25

Sala de jantar 3

Área de trabalho 1

Sala de estar 2

Lâmpada de mesa 2

8 TUGs

Quarto 6

1520 6,91 10 25

Banheiro 1

2 25

9 Lava-roupas /secadora

Lavanderia 1 3200 14,55 10 25

10 TUGs Externa 4

1280 5,82 10 25 2

11 Lâmpadas

Banheiro 5

125 0,57 10 -

Banheiro 200cm

Cozinha 9

Cozinha 3

Quarto 6

Quarto 150cm

12 Lâmpadas Sala de estar 46

243,24 1,11 10 - Sala de estar 906cm

- TOTAL Armário técnico - 13700 VA 62,28 60 100 Fonte: elaboração própria, 2013.

Como pode ser visto nas tabelas 1 e 2, a proteção contra curto-circuito/sobrecarga é

realizada com disjuntores instalados em cada um dos circuitos. A utilização do dispositivo diferencial residual (DDR) é realizada para desligar um circuito sempre que é detectada uma corrente elétrica não balanceada, esse desequilíbrio pode indicar fuga de corrente através do corpo de uma pessoa, que acidentalmente toca a parte energizada do circuito (ABNT, 2004). Para a proteção geral de cada quadro elétrico foi utilizado um disjuntor

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termomagnético com corrente nominal de 63A, pois a corrente de dimensionamento calculada foi de 60,53A e 62,28A para o quadro elétrico externo e interno, respectivamente. Um dispositivo diferencial residual de 100A e sensibilidade de 300mA foi escolhido para completar o sistema de proteção de cada quadro elétrico.

4. CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA

Para o cálculo de consumo de energia elétrica, uma simulação foi realizada utilizando fontes de dados confiáveis, analisando o consumo dos equipamentos e aparelhos elétricos, do sistema de água, bombas, ar-condicionado (HVAC), lâmpadas LED, entre outros.

Para a realização da simulação foi considerada a existência de dois moradores (casal), em que um deles permanece o dia todo em casa, enquanto o outro sai durante o horário comercial (7h – 17h), mas realiza as refeições (almoço e jantar) em casa.

4.1. Equipamentos Elétricos

Para o cálculo de consumo dos equipamentos elétricos foram escolhidos os modelos de aparelhos com características elétricas intrínsecas, como tensão, frequência e potência, baseado em um padrão de família brasileira de classe média-alta. Além disso, são equipamentos avaliados pelo Inmetro com etiqueta “A” de eficiência energética e com selo Procel.

Na Figura 4 se encontram os equipamentos escolhidos, e na Tabela 3, a descrição destes com suas respectivas características elétricas e o consumo médio mensal.

Figura 4. Eletrodomésticos e aparelhos escolhidos com etiqueta “A” de eficiência energética.

Fonte: elaboração própria, a partir de manuais comerciais, 2012.

Tabela 3. Características dos aparelhos elétricos da Ekó House e seus respectivos consumos.

EQUIPAMENTO TENSÃO/FREQ. POTÊNCIA (W) USO/DIA

(H)

MÉDIA DIÁRIA DE CONSUMO

(KWH)

MÉDIA MENSAL

DE CONSUMO

(KWH)

Cooktop (220-240)V (50-60)Hz

6300 1(2) 6,30 192,15

Forno elétrico 220V / 60Hz 3570 1(2) 1,79 54,44

Geladeira 115/127 –

220V/60Hz 143 12(33) 1,72 52,34

Lava-louças 220V/60Hz 1760 40min(2) 1,17 35,79

Lava-roupas /secadora

220V/60Hz 4000 1(4) 1,60 48,80

TV/DVD 110 a 240V/

50 - 60Hz 140 5(4) 0,70 21,35

PC 110 a 240V

50 - 60Hz 18 8(2) 0,09 2,75

TOTAL 13,36 407,61 Fonte: elaboração própria, 2013.

A medição instantânea de consumo de cada equipamento seria a melhor forma de analisar os resultados, como já citado, pois os valores dos ensaios estabelecidos pelo Inmetro e Procel – Eletrobras nem sempre correspondem ao que ocorrerá na realidade, na situação de uso. Além disso, a tabela Eletrobras/Procel considera o uso médio dos equipamentos para uma casa com 3,3 residentes, média brasileira (IBGE, 2010). No Gráfico 1 pode ser visualizado o consumo médio de cada equipamento elétrico.

2 Dados obtidos através da tabela da PROCEL - ELETROBRAS de estimativa de consumo médio mensal de eletrodomésticos de acordo com um uso hipotético de acordo. 3 Utilizando dados técnicos do INMETRO – Eficiência Energética para Refrigeradores. 4 Considerando que a lava-roupas/secadora não será utilizada todos os dias, apenas três vezes na semana.4

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Gráfico 1. Consumo mensal estimado por equipamento de uso final elétrico.


Através da estimativa, conclui-se que o consumo mensal para uma residência com 3,3 pessoas e com os equipamentos elétricos específicos citados é de 407,61kWh. Como a Ekó House é projetada para apenas dois residentes, a média mensal estimada seria de 271,74kWh.

4.2. Sistema de HVAC

O sistema de HVAC (Heating, Ventilation and Air-Conditioning) é constituído de um ar-condicionado da marca DaikinTM, visto na Tabela 4 com suas respectivas características gerais e elétricas.

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Tabela 4. Ar-condicionado escolhido para compor o sistema de equipamentos.

Fonte: Daikin, 2013.

Marca/Modelo DAIKIN FXFQ63PVE

Fonte de Alimentação 1-fase,

220-240 V/220 V, 50/60 Hz

Capacidade de Resfriamento

7,1 kW

Capacidade de Aquecimento

8 kW

Consumo de Energia 2 kWh

Ventilador/ Dimensões

TurboFan – 56 W 246 x 840 x 840 mm

Peso 22 kg


Através da tabela Procel/Eletrobras, no Brasil, em uma residência de porte médio

para 3,3 pessoas, média nacional (IBGE, 2010), o ar-condicionado fica ligado em média oito horas por dia. Entretanto, para a simulação realizada, apenas duas pessoas moram na casa, lembrando que uma trabalha durante o dia. Sendo assim, na Tabela 5 é apresentado o consumo médio diário e mensal do ar-condicionado ligado durante quatro horas por dia.

Tabela 5. Média diária e mensal consumida pelo sistema de HVAC.

Média Diária Consumida 8kWh

Média Mensal Consumida 240kWh


4.3. Sistema de Água

O sistema de água da Ekó House é constituído por equipamentos responsáveis pelo bombeamento, aquecimento e pela distribuição de água pela casa. As características desses equipamentos estão descritas na Tabela 6, além do cálculo de consumo médio mensal do sistema em kWh.

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Tabela 6. Características e consumo mensal de cada equipamento do sistema de água.

EQUIP. TIPO POT. (W)

USO/DIA (H)

MÉDIA DIÁRIA (KWH)

MÉDIA MENSAL

(KWH) Boiler5 - 2500 2(66) 5,00 152,50

Pump 1 Tubos evacuados 950 8(77) 7,60 231,80

Pump 2 Tanque hidropneumático 1 1875 0,5(7) 0,09 2,86

Pump 3 Tanque hidropneumático 2 1875 0,5(7) 0,09 2,86

Pump 4 Água tratada(8) 313 6(7) 1,88 57,28 TOTAL 447,30


4.4. Iluminação e Outros

O projeto de iluminação final foi elaborado para suprir as necessidades segundo o método dos Lumens, que leva em conta as dimensões e o tipo de ambiente iluminado; esses cálculos estão de acordo com a norma brasileira de Iluminância de Interiores – NBR5413 (válida a partir de 1992). Na Tabela 7 é apresentado o modelo das lâmpadas, a quantidade e as cargas de cada uma instalada.

Tabela 7. Modelo das lâmpadas e as cargas de iluminação.

LOCAL LEG. FABRICANTE/MODELO QUANT. MED. DIM. W (unid.) W (tot.)

Jantar/ estar

L1 PHILIPS eW Cove Powercore 12 inch - 2800k (305 mm).

43 UNID. SIM 4,5 193,50

Estar L2 PHILIPS Living Colors 1 UNID. 7,5 7,50

Estar L5 PHILIPS - Roomstylers 12832/06/87

869 CM 0,04 34,76

Jantar/ estar

L4 PHILIPS Master LED GU10 Dimmable Warm white 2700k.

3 UNID. SIM 7 21,00

Cozinha L1 PHILIPS eW Cove Powercore 12 inch - 2800k (305 mm). 4 UNID. 4,5 18,00

Cozinha L1 PHILIPS eW Cove Powercore 12 inch - 2800k (305 mm).

4 UNID. 4,5 18,00

Quarto L1 PHILIPS eW Cove Powercore 12 inch - 2800k (305 mm).

7 UNID. SIM 4,5 31,50

Banheiro L1 PHILIPS eW Cove Powercore 12 inch - 2800k (305 mm). 5 UNID. SIM 4,5 22,50

TOTAL 346,76 W Fonte: elaboração própria, 2013.

A carga total de iluminação instalada na casa é de 346,76W, considerando que todas as luzes ficam acesas cinco horas por dia, e segundo (ELEKTRO, 2006) o fator de demanda

5 Considerando que o aquecedor elétrico é embutido no boiler. 6 Dados obtidos do grupo EDP – Bandeirante. 7 Dados obtidos através da tabela PROCEL/ELETROBRAS. 8 Considerando que a bomba trabalhará em potência máxima (313 W) em um terço do dia.

20

para uma carga menor que 1kW é de 0,86 .Na Tabela 8 são apresentados os resultados da média diária e mensal consumida pelas lâmpadas LED.

Tabela 8. Média diária e mensal consumida pelas lâmpadas LEDs.

Média diária consumida 1,49 kWh

Média mensal consumida 44,73 kWh


Como visto na Tabela 7, algumas das lâmpadas são dimerizáveis, com isso podemos acrescentar uma economia na energia de aproximadamente 15% (SCHNEIDER, 2010), resultando em uma economia de 6,71kWh no mês.

Em contrapartida, algo que deve ser salientado é que os dimmers utilizados também consomem energia, em média, de aproximadamente 10Wh cada um (SCHNEIDER, 2010). Com a utilização de três dimmers, o consumo médio mensal deles seria de 4,5kWh, mostrando que a economia líquida real seria de 2,21kWh por mês. Portanto, o consumo médio mensal estimado para a iluminação é de 42,52kWh.

Além da iluminação, a automação residencial deve ser considerada no cálculo de consumo. Os dimmers utilizados para as lâmpadas e os painéis de automação também consomem uma quantia de energia, além de outros aparelhos controlados pela domótica. Os equipamentos de automação e o consumo dos próprios estão expostos na Tabela 9.

Tabela 9. Equipamentos da automação e seu respectivo consumo.

EQUIP. LOCAL QUANT. POTÊNCIA TOTAL (W)

USO/DIA (H)

MÉDIA DIÁRIA (KWH)

MÉDIA MENSAL

(KWH) Painel automação 1

Armário técnico

1 200 1(9) 0,20 6,10

Painel automação 2 Sala de estar 1 200 1(9) 0,20 6,10

Brises Externo 4 500 0,5(10) 0,25 7,62

Persianas Sala de estar 7 875 0,5(10) 0,44 13,34 Detector de fumaça Sala de estar 1 20 0,5(10) 0,01 0,31

Luz de emergência Sala de estar 4 40 0,5(9) 0,02 0,61

TOTAL 1835,00 W 1,12 kWh 34,08 kWh Fonte: elaboração própria, 2013.

Assim, os sistemas de iluminação, automação e outros possuem uma média de

consumo mensal de aproximadamente 78,81kWh.

9 Considerando que o Painel de automação atua com potência máxima apenas 1 hora por dia para controlar o

sistema. 10

Considerando que as persianas e brises serão acionados poucas vezes em um dia, ele atuará em potência máxima por 30 minutos (0,5h).

21

4.5. Consumo Anual

Nos capítulos 4.1, 4.2., 4.3. e 4.4, foram apresentados os cálculos de consumo de energia para cada sistema em uma média mensal. A Tabela 10 apresenta os dados de média mensal de todos os sistemas.

Tabela 10. Média mensal de consumo de cada tipo de sistema em kWh.

SISTEMA CONSUMO MENSAL MÉDIO [KWH] Equipamentos elétricos 271,74 HVAC 240,00 Sistema de água 447,30 Iluminação e outros 78,81


Com as médias mensais de consumo de cada sistema, pode ser realizada uma estimativa anual através do software EnergyPlus11, versão 7.1. Os dados estão apresentados na Tabela 11.

Tabela 11. Consumo estimado por mês de cada sistema da Ekó House durante um ano.

MESES EQUIPAMENTOS HVAC SISTEMA DE

ÁGUA ILUMINAÇÃO E

OUTROS

Janeiro 234,35 241,21 220,4 78,04

Fevereiro 238,98 186,92 332,1 78,1

Março 247,12 181,53 363,4 76,4

Abril 231,31 150,71 375,8 76,9

Maio 227,93 120,20 390,9 83,6

Junho 270,09 78,09 430,2 76,4

Julho 205,34 130,39 447,3 76

Agosto 227,44 139,33 401,6 72,1

Setembro 262,32 159,20 320,5 74,7

Outubro 263,76 170,80 354,8 80,2

Novembro 229,12 200,70 334,1 77,7

Dezembro 251,39 253,20 290,4 79,4

TOTAL 2889,15 2012,30 4261,5 929,54 Fonte: elaboração própria, 2013.

O Gráfico 2 permite uma melhor visualização do consumo do sistema de água durante o inverno, que cresce substancialmente enquanto o consumo do sistema de HVAC decresce no mesmo período.

11

O EnergyPlus é um programa computacional, criado a partir dos programas BLAST e DOE-2 e distribuído pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos, desenvolvido para simulação de carga térmica e análise energética de edificações e seus sistemas.

22

Gráfico 2. Consumo mensal estimado por tipo de sistemas em um ano.


O conceito de residência de energia-zero provém de que o consumo seja igual à produção durante um ano completo. Sendo assim, da Gráfico 3 podemos retirar os valores anuais de consumo (kWh) e apresentar a contribuição em porcentagem de cada um dos sistemas na Tabela 12.

Tabela 12. Consumo [kWh] anual e porcentagem do consumo de cada sistema da Ekó House.

USO FINAL CONSUMO [KWH] (%)

Equipamentos 2889,15 28,66

HVAC 2012,28 19,96

Água 4251,5 42,17

Iluminação e outros 929,54 9,22

TOTAL 10082,47 100


23

Gráfico 3. Consumo anual de energia em kWh.


No Gráfico 4, as contribuições de cada sistema são demonstradas. Verifica-se que o sistema de água é o que representa a maior parcela de energia consumida no ano.

Gráfico 4. Parcela de contribuição de cada sistema da Ekó House.


Através das simulações realizadas, obtém-se um valor anual de consumo energético total de 10082,47kWh. Portanto para uma área condicionada de 47m², tem-se um consumo de 214,52kWh/ano por m².

1907ral

1905ral

1911ral

1902ral

1900ral

1901ral

1902ral

1904ral

1905ral

1906ral

1908ral

1909ral

1910ral

1912ral

Equipamentos HVAC Água Iluminação e outros

Equipamentos29%

HVAC20%

Água42%

Iluminação e outros

9%

24

5. SISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA

5.1. Descrição e Introdução

A utilização da energia solar vem se popularizando cada vez mais no Brasil e parte disso se deve ao fato de ser uma fonte de energia renovável e de ter grande potencial de utilização. A Terra recebe anualmente 1,512 x 1018kWh (FRAIDENRAICH E LYRA, 1995) de energia solar, o que equivale a 10 mil vezes o consumo mundial no mesmo período (CRESESB, 2004). Dentre as diversas aplicações dessa energia, a conversão direta em corrente elétrica é realizada nas células solares através do efeito fotovoltaico, que consiste na geração de uma diferença de potencial elétrico por meio de radiação (UDAETA, 2009).

A utilização dessa forma de energia pode ser feita de diversas maneiras: em grande escala, através de grandes usinas fotovoltaicas – como a já inaugurada no Brasil MPX Tauá, com capacidade para 1MW (expansível até 50MW) –, e em pequena escala, em regiões onde a eletricidade não pode ser alcançada ou até mesmo seja um complemento à rede elétrica comercial em grandes centros, e principalmente como alternativa à geração distribuída em grandes centros urbanos.

O sistema fotovoltaico da Ekó House é do tipo interligado à rede elétrica, mas como a proposta de implementação do projeto será em uma região isolada (Paraty – RJ), ele também pode ser utilizado como uma pequena usina geradora de energia para as outras casas da região, por possuir uma grande potência geradora instalada.

O objetivo deste capítulo é apresentar fundamentos da geração de energia através de módulos fotovoltaicos. Dentre eles, classificar e explicitar os tipos e os componentes de um sistema fotovoltaico e, assim, descrever o sistema conectado à rede elétrica da Ekó House. Além de apresentar resultados de geração do sistema citado, a inserção de energia na rede é abordada de forma abrangente, devido às recentes discussões provindas da aprovação de leis regulamentadas no Brasil.

5.2. Meteorologia e Solarimetria

A energia fotovoltaica se baseia na transformação direta da radiação solar em eletricidade por meio de módulos fotovoltaicos, como já citado anteriormente. Existem alguns fatores que influenciam na irradiância solar disponível sobre a superfície da Terra, tais como: efeito da massa de ar, movimentos de rotação e translação da Terra e o espectro de irradiância incidente.

O efeito da massa de ar (AM) está relacionado ao caminho percorrido pelos raios solares, como demonstrado na Figura 5.

25

Figura 5. Caminho percorrido pelos raios solares na atmosfera que incidem na Terra.

Fonte: MASTERS, 2004.

A massa de ar tem efeitos na radiação solar. O ângulo de incidência dos raios solares através da atmosfera terrestre faz com que estes possuam um percurso com maior ou menor massa de ar atravessada, mudando esta com a declinação da Terra em relação ao Sol. Através da Figura 5, temos a relação demonstrada na Equação 1.

Equação 1:

�� = � =ℎ2ℎ1 = 1��

O espectro solar é fortemente influenciado por este fator. Para o Sol diretamente em cima do foco, o valor será de M=1. Quanto maior for a massa de ar, maior será o caminho da radiação solar e, consequentemente, a sua perda de energia (MASTERS, 2004). Além desse fator, sabe-se que a radiação solar apresenta um valor médio de 1.367W/m², mas apenas parte desse valor atinge a superfície da Terra (CRESESB, 1999). A perda dessa parcela está relacionada à reflexão e absorção pela atmosfera.

O movimento da Terra ao redor do Sol em uma órbita elíptica, fazendo uma revolução a cada 365,25 dias, é denominado translação. Portanto, isso implica que em determinadas ocasiões o recurso solar disponível seja superior aos de outros. A variação desta distância pode ser descrita pela Equação 2:

Equação 2:

= 1,5 ∗ 10� �1 + 0,017� �360�� − 93�365 ��


26

Onde “n” é o número de dias, considerando 01/01 como o 1º dia do ano e 31/12 como o 365º.

Como mostrado na Figura 6, o plano da Terra em sua órbita é chamado de plano elíptico. O eixo da Terra está alinhado com o plano nos dias 20-21 de março e 22-23 de setembro. Como a duração do dia é igual à duração da noite, 12 horas, temos os chamados equinócios. Entre os dias 21-22 de dezembro, o solstício de inverno no Hemisfério Norte e o solstício de verão no sul atingem um ângulo de 23,45º, enquanto que entre os dias 21-22 de junho ocorre o oposto em cada hemisfério (MASTERS, 2004).

Figura 6. A inclinação do eixo de rotação da Terra em relação ao plano elíptico, demonstrando o solstício de inverno e verão e os equinócios no Hemisfério Norte.


Na Figura 7, pode ser visto como esse ângulo (δ) sofre uma variação ao longo do ano [-23,45º < δ < 23,45º] (ABNT, 2006). Através da Equação 2 pode-se determinar aproximadamente o ângulo no dia escolhido.

Figura 7. Modo de visualização onde a Terra estaria fixa e o Sol moveria para cima e para baixo

durante o ano. O ângulo entre o Sol e a linha do equador é denominado declinação solar (δ�. Fonte : MASTERS, 2004.

27

Equação 3:

δ = 23,5ºsen %360365 �n − 81�' No Hemisfério Sul, os painéis solares devem ser direcionados para o norte

geográfico/verdadeiro; para o caso de estar localizado no Hemisfério Norte, recomenda-se que estes sejam direcionados para o sul geográfico. A inclinação, como já mencionado anteriormente, influencia na captação dos raios solares, pois os painéis captam apenas a componente normal dos raios. Assim, a instalação dos painéis em um ângulo igual à latitude local é razoável, mas para uma maior precisão no ângulo de declinação utiliza-se a Equação 4, juntamente com a Equação 5 (MASTERS, 2004).

Equação 4:

�( = 90° − * + δ

Equação 5: �+, = 90° − �(


Onde �( é o ângulo de altitude máximo do sol no local, L é a latitude local, δ como já dito é a declinação solar e �+, é o ângulo onde o painel fotovoltaico deve ser instalado.

A radiação solar pode ser decomposta pela Irradiação Global Horizontal (GHI) e Irradiação Total Inclinada. Para efeitos de aproveitamento dos módulos fotovoltaicos, a GHI é a mais importante, pode ser dividida em Irradiação Normal Direta – atinge o solo diretamente sem nenhuma reflexão; e Irradiação Difusa Horizontal – parte da radiação solar que sofreu algum tipo de reflexão/interação com algum elemento presente na atmosfera (MASTERS, 2004).

5.3. Energia Solar Fotovoltaica

5.3.1. Efeito Fotovoltaico

O efeito fotovoltaico consiste no aparecimento de uma diferença de potencial elétrico (produzida pela absorção de luz) nas extremidades de uma estrutura constituída por um material semicondutor. Esse fenômeno engloba a absorção da luz pelo material, a transferência de energia do fóton para as cargas elétricas e, por fim, a criação da corrente elétrica (WAGEMANN, 1994).

Esse efeito ocorre em células fotovoltaicas (solares) fabricadas com materiais semicondutores. O material semicondutor mais utilizado é o silício dopado com elementos da tabela periódica do grupo III ou V. Geralmente se utiliza fósforo (P) para obter a junção tipo N, material com carga negativa (elétrons livres), e Boro (B) para a junção do tipo P, características inversas, material com cargas positivas livres (MASTERS, 2004).

28

Quando as camadas N e P são colocadas juntas, temos a formação da junção PN. Com os elétrons “fluindo” do lado N para o P, ocorre a criação de um campo elétrico permanente, não permitindo o processo de difusão, surgindo assim uma barreira de potencial, não permitindo a passagens dos elétrons (WAGEMANN, 1994). Quando ocorre a exposição dessa junção a um fóton de luz, ocorre a geração de pares de elétrons-lacuna, que são acelerados pelo campo elétrico, dando origem a uma diferença de potencial elétrico, conforme a Figura 8, denominando assim o já citado efeito fotovoltaico (MASTERS, 2004).

Figura 8. Princípio do efeito fotovoltaico, demonstrando a junção PN e a diferença de potencial (V).


5.3.2. Células Fotovoltaicas

As células fotovoltaicas podem ser classificadas em tipos de filmes cristalinos ou finos, como pode ser verificado na Figura 9. Os tipos cristalinos são os mais convencionais, pois possuem um arranjo regular e periódico de átomos, dentre estes tipos podemos encontrar o silício monocristalino e policristalino, onde o monocristal “no” é o mais utilizado e possui maior eficiência de conversão (LUQUE; HEGEDUS, 2011).

Os filmes finos é um campo do qual ainda não se tem o total controle da tecnologia. Inúmeras pesquisas vêm sendo realizadas na área para buscar alternativas na fabricação das células e principalmente reduzir o seu custo (MASTERS, 2004).

29

Figura 9. Tipos de células fotovoltaicas. Fonte: MASTERS, 2004.

5.3.3. Módulos Fotovoltaicos

Para a escolha do módulo fotovoltaico mais adequado para uma residência, determinados critérios técnicos devem ser avaliados, são eles: tipo de tecnologia, eficiência, vida útil, relação entre produção de energia e temperatura, custo-benefício.

O aumento da radiação incidente nas células solares provoca um aumento na corrente e uma tensão praticamente constante, fenômeno que aumenta a produção de energia elétrica fotovoltaica. Por outro lado, o aumento da temperatura ambiente faz com que a corrente seja pouco incrementada e a tensão diminua, ocasionando a diminuição da potência final, como mostrado na Figura 10.

Figura 10. Relação entre tensão e corrente em função da temperatura do módulo. Fonte: PVEducation12

12 Disponível em: http://www.pveducation.org/pvcdrom/solar-cell-operation/effect-of-temperature. Acesso em 2013.

30

No caso de baixas temperaturas, considerando a associação em série de vários módulos, pode ocorrer um elevado aumento de tensão não suportado por outros elementos do sistema, como o inversor, por exemplo.

O Nominal Operating Cell Temperature (NOCT) é o parâmetro do módulo fotovoltaico que mede a temperatura em que este atinge em condições de funcionamento nominais (irradiação de 800W/m2 com temperatura de 20ºC e velocidade do vento de 1m/s) e permite avaliar a capacidade da célula de dissipar calor. Quanto menor o valor do NOCT, menor é a perda de produção de energia na célula.

O valor médio de NOCT para um módulo é de 48ºC com uma variação de 33ºC para o melhor e 58ºC para o pior.

Uma única célula fotovoltaica dificilmente é utilizada para geração de energia, sendo mais comum o uso de células devidamente ligadas entre si e protegidas, formando um módulo fotovoltaico (painel fotovoltaico). As células são banhadas em um material transparente, maleável e que assegure o isolamento elétrico para protegê-las de tensões mecânicas, umidade e danos causados por agentes externos (GREENPRO, 2004). Para estabilizar a estrutura, na maioria das vezes, utilizam-se vidros temperados.

A eficiência do painel fotovoltaico é um dado expresso em porcentagem que indica a quantidade de energia solar. Esta é capaz de ser convertida em energia solar e pode ser obtida pela Expressão 1 (UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA DO PARANÁ, 2006):

Expressão 1:

(1) Onde: Ic = Irradiância solar (W m-2); A = Área útil do módulo (m2); Imp = Corrente máxima de pico (A); Vmp = Tensão máxima de pico (V).

Os módulos fotovoltaicos podem ser fabricados com diferentes tipos de células, como citado no item 5.3.2. Na Tabela 13 é demonstrada a eficiência de diferentes tipos de módulos comerciais. A diferença de eficiência de uma tecnologia para outra pode ser explicada pelo domínio da tecnologia através de pesquisas ou até mesmo pelas características do material (LUQUE; HEGEDUS, 2011).

31

Tabela 13. Eficiência dos módulos comerciais.

TECNOLOGIA EFICIÊNCIA ÁREA/WP

Silício cristalino

Monocristalino 13 a 19% ~ 8m²

Policristalino 11 a 15% ~ 10m²

Policristalino EFG 11 a 13% ~ 8m²

Filmes Finos

Silício Amorfo (a-Si) 4 a 8% ~ 15m²

Disseleneto de cobre-índio-gálio (CIGS)

7 a 12% ~ 10m²

Telureto de cádmio (Cd-Te) 10 a 11% ~ 10m² Fonte: European Photovoltaic Industry Association – EPIA, 2011 (modificado).

Como pode ser observado na Tabela 13, cada tecnologia possui uma faixa de eficiência diferente em relação às três que dominam o mercado solar, monocristalina, policristalina e filmes finos.

O módulo monocristal “no” possui a maior eficiência de conversão de energia, alto tempo de vida útil e ocupa menos espaço, porém é a tecnologia mais cara. O policristalino é mais barato, mas sua eficiência é menor e a área ocupada maior. A tecnologia de filme fino é a mais barata e possui o melhor desempenho em altas temperaturas, porém necessitam de maior área, é a mais ineficiente e a que mais perde eficiência de conversão ao longo do tempo.

A potência dos painéis é dada pela potência de pico expressa em [Wp]. Essa característica não pode ser utilizada como parâmetro para a escolha dos painéis, pois dependendo da utilização as características elétricas serão de suma importância (CRESESB, 2004). Estes parâmetros/características elétricas e térmicas dos painéis são determinados pelos fabricantes em condições STC (Standard-Test-Conditions) que definem uma temperatura de junção da célula em 25°C, irradiância total de 1.000W/m2 normal à superfície de ensaio e espectro AM 1,5 (ABNT, 2006).

Na Figura 11 podem ser verificadas tais características, como: corrente de curto-circuito (Isc), que pode ser medida através de um amperímetro – sem a conexão de nenhum equipamento haverá uma corrente fluindo (Isc) e uma tensão igual à zero; tensão de circuito aberto (Voc), com módulo posicionado na direção do sol – através de um voltímetro verifica-se que a corrente não flui, pois não há nenhum equipamento conectado (LUQUE; HEGEDUS, 2011); ponto de máxima potência (MPP ou Pmpp) é o produto da corrente de potência máxima (Imp) com a tensão de potência máxima (Vmp) (MASTERS, 2004).

32

Figura 11. Parâmetros elétricos caracterizando a potência máxima. Fonte: CRESESB, 2007 (modificado).

Os módulos fotovoltaicos devem ser ligados entre si a fim de conseguir aumentar a potência máxima (Pm). Os painéis fotovoltaicos podem ser conectados em série ou em paralelo (MASTERS, 2004).

Para a conexão em série, recomenda-se a utilização de módulos do mesmo tipo, minimizando as perdas de potência. Neste caso, as tensões são somadas, e a corrente continua a mesma, como demonstrado nas equações 6 e 7 (MASTERS, 2004).

Equação 6:

Vt = V1 + V2 + V3 + ... + Vn

Equação 7:

It = I1 = I2 = I3 =…= In

Já a conexão em paralelo é realizada quando se pretende obter correntes mais elevadas e manter o nível de tensão. Esse tipo de conexão é mais utilizado em sistemas autônomos, pois necessitam carregar baterias (LUQUE; HEGEDUS, 2004). Nas equações 8 e 9 pode ser demonstrado o que foi dito.

Equação 8:

It = I1 + I2 + I3 +…+ In

Equação 9:

Vt = V1 = V2 = V3 = ... = Vn

Além desses dois tipos de associações, deve ser salientado que, quando existe conexão à rede (será explicado no item 5.3.4), a conexão mista de módulos é muito comum, obtendo-se valores elevados de tensão e corrente.

33

5.3.4. Sistema Fotovoltaico

Um sistema fotovoltaico é composto de um ou mais módulos fotovoltaicos e um conjunto de equipamentos complementares, como controladores de carga, inversores, baterias e outros equipamentos de proteção. Esses componentes variam de acordo com a aplicação do sistema. Os sistemas fotovoltaicos podem ser classificados em três configurações principais: isolados, híbridos e conectados à rede (MASTERS, 2004).

a) Sistema fotovoltaico isolado Os sistemas isolados, ou autônomos, geralmente utilizam algum tipo de

armazenamento de energia. Atendem locais isolados ou não conectados à rede elétrica de distribuição. A forma mais usual de armazenamento de energia é através de um banco de baterias, as quais devem estar relacionadas a um sistema de controle de carga e descarga (BRITO, 2006).

b) Sistema fotovoltaico híbrido

Os sistemas híbridos se diferenciam dos sistemas isolados, pois consistem em

combinar o sistema fotovoltaico com outras fontes de energia, como geradores eólicos, gás, diesel, gasolina, entre outros combustíveis. Em geral, esses sistemas atendem a sistemas de médio a grande porte, atendendo um maior número de usuários (BRITO, 2006).

c) Sistema fotovoltaico conectado à rede

Os sistemas conectados à rede são os mais utilizados em todo o mundo. Esse tipo

de sistema representa uma fonte complementar ao sistema elétrico. A grande vantagem é que não utilizam armazenamento de energia, entregando toda a energia gerada diretamente à rede. A realização da injeção na rede é realizada por inversores que devem satisfazer exigências de qualidade e de segurança (BRITO, 2006).

5.3.5. Inversores

Os conversores CC/CA são comumente chamados de inversores. Os inversores têm

a finalidade de transformar uma corrente contínua (CC) em corrente alternada (CA), pois os módulos fotovoltaicos geram tensão sob a forma de corrente contínua. O inversor tem a principal função de adequar as características da energia gerada pelos módulos às características da rede elétrica convencional ligada. Para gerar essa corrente alternada existe um dispositivo que se chama comutador, cujo papel é o de “quebrar” a corrente contínua em pulsos (WAGEMANN, 1994).

Outras funções dos inversores utilizados nos sistemas fotovoltaicos conectados à

rede são:

a) Rastreamento do Ponto Máximo de Potência (MPPT – Ma ximum Power Point Tracking): através do controle da corrente e tensão, esse sistema é capaz de fazer ajustes para manter os módulos fotovoltaicos operando perto do seu ponto de maior potência, que varia de acordo com a radiação solar incidente (LUQUE; HEGEDUS,

34

2011). Os MPPTs são seguidores do ponto de potência máxima e desempenham um papel importante nos sistemas fotovoltaicos, por maximizar a potência de um sistema para um determinado conjunto de condições e, portanto, maximizar a eficiência do sistema global. Assim, deve ser aplicado um algoritmo MPPT para minimizar o custo global do sistema (BRITO, 2006).

b) Converter a corrente CC gerada pelo painel fotovolt aico em CA: como a corrente gerada através do efeito fotovoltaico apresenta-se na forma contínua, o inversor deve criar uma forma de onda alternada (LUQUE; HEGEDUS, 2011).

c) Desconexão e isolamento: o inversor deve desconectar o arranjo fotovoltaico da

rede caso os níveis de corrente, tensão e frequência não estejam dentro da faixa aceitável dos padrões da rede elétrica ou também do lado CC. O inversor deve ainda isolar o gerador da rede quando esta não estiver energizada, evitando possíveis acidentes com operadores (GREENPRO, 2004).

d) Relatório de Status: os inversores podem apresentar um painel de informação (display) com parâmetros de entrada e armazenamento das informações em datalogger ou envio para um computador (aplicação remota por link de dados ou transmissão por satélite). Podem ser registrados, por exemplo, grandezas elétricas, como a tensão CC e CA, corrente CC e CA, potência CA, energia CA diária, energia CA acumulada entregue à rede, frequência e os parâmetros meteorológicos e térmicos, como a irradiância no plano dos geradores e a temperatura de operação dos módulos (GREENPRO, 2004). As maneiras como os módulos fotovoltaicos são combinados com as topologias de inversores se apresentam em quatro configurações diferentes.

I. Inversor Central Os inversores do tipo central são aqueles em que todo o arranjo fotovoltaico (grupo

de módulos em série e paralelo) está conectado em um só inversor. Nesse tipo de topologia, cada série necessita de um diodo de bloqueio, o que acarreta em perdas. Além disso, no caso de falha do inversor, todo o arranjo FV é desconectado. Nesse tipo de conexão não é possível realizar o seguimento individual do ponto de máxima potência e o seu custo é menor em relação às outras topologias (LUQUE; HEGEDUS, 2011).

II. Inversor string Os inversores do tipo série são aqueles em que cada série do gerador FV tem seu

próprio inversor. Nessa topologia, como não há necessidade de diodo de bloqueio, as perdas devido ao diodo são inexistentes (MASTERS, 2004).

Como cada série tem seu próprio SPMP, as perdas por sombreamento são

reduzidas, fazendo com que a eficiência do sistema seja aumentada. Essa configuração aumenta a confiabilidade do sistema, porém aumentando o custo devido a maior quantidade de equipamentos (LUQUE; HEGEDUS, 2011).

35

III. Inversor multi-string

Os inversores do tipo multi-string são aqueles em que há um seguidor do ponto de

máxima potência para cada série. Esse inversor apresenta as vantagens de vários inversores em série em um só dispositivo (MASTERS, 2004).

IV. Inversor integrado Os módulos com inversor integrado, ou módulo CA, são aqueles em que há a

integração de um inversor a um único módulo FV. Essa tecnologia acaba com as perdas por dispersão entre módulos, além de prover um ajuste ótimo entre a geração e os processos de SPMP e inversão (BRITO, 2006).

Outra divisão que pode ser realizada é em relação à quantidade de estágios em que

o inversor atua. São três as topologias de inversores conectados à rede elétrica: • Inversor de um estágio: em um único estágio de processamento são

realizados o MPPT e o controle da corrente injetada na rede (BRITO, 2006). • Inversor de dois estágios: um conversor CC-CC realiza o MPPT enquanto

um conversor CC-CA é responsável pelo controle da corrente injetada na rede (BRITO, 2006).

• Inversor de múltiplos estágios: vários conversores CC-CC respondem pelo MPPT, e um único conversor CC-CA cuida da corrente injetada na rede (BRITO, 2006).

5.4. Sistema Fotovoltaico da Ekó House

O projeto da Ekó House tem como foco a geração de energia. Dessa forma, toda a área correspondente ao telhado foi utilizada para a colocação de painéis fotovoltaicos para a geração elétrica. No projeto foram analisadas diferentes tecnologias de painéis fotovoltaicos e formas de integração com o edifício. Entre as tecnologias disponíveis no mercado, foram selecionados os painéis monocristalinos com a melhor eficiência de geração, maximizando a geração por unidade de área.

No processo de planejamento, foram realizadas simulações de geração nas cidades de São Paulo e Madri, onde foi considerada uma demanda média utilizando dados de consumo médio em residência de brasileiros de classe média-alta

A integração dos módulos fotovoltaicos com a arquitetura permite que os parâmetros de geração sejam maximizados e adequados para a região onde será instalada a Ekó House. Como citado no item 5.2. – Meteorologia e Solarimetria – o ângulo de inclinação dos módulos é um fator importante para a geração. Pensando nisso, o telhado da Ekó House foi projetado para que a inclinação possa ser controlada, permitindo que os módulos possam ficar em cinco diferentes ângulos (10º, 15º, 20º, 25º e 30º). Esse fator permite que a Ekó House funcione como uma usina microgeradora de energia na maior parte do território brasileiro.

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5.4.1. Módulos

Os módulos fotovoltaicos são agrupamentos de células solares responsáveis pela captação da energia do sol e conversão em energia elétrica (Figura 12). O modelo escolhido para o sistema fotovoltaico da Ekó House foi o SPR 230 WHT, da marca SunPowerTM, e as características desse painel, segundo a STC(5), encontram-se na Tabela 14.

Figura 12. SunPower SPR 230 WHT Fonte: SunPower, 2012.

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Tabela 14. Dados elétricos13 e mecânicos do painel fotovoltaico SPR 230 White

DADOS ELÉTRICOS 13

Potência Máxima (+/- 5%) Máx. 230 W

Tensão Máxima Potência Vmp 41 V

Corrente de Máxima Potência Imp 5,61 A

Tensão de Circ. Aberto Voc 48,7 V

Corrente de Curto-Circuito Isc 5,99 A

Tensão Máx. do Sistema IEC, UL 1000 V , 600 V

Parâmetros de Temperatura

Potência (- 0,38%/°C)

Tensão (Voc) (-132,5 m/°C)

Corrente (3,5 mA/°C)

Potência/ Unid. Área 185 W/m²

Eficiência 18,50%

DADOS MECÂNICOS

Células Solares 72 Sun Power All-Back Contact

Monocrystalline

Vidro 3,2 mm - temperado

Junction Box IP - 65 rated with 3 bypass diodes

Peso 15 kg

Dimensões (L x P x A) 1559 x 46 x 798 mm

Como verificado na Figura 12, o primeiro subsistema é constituído por 24 módulos

SUNPOWER SPR 230 WHT. Na Figura 13, este pode ser conferido, dividido em três strings, oito módulos para cada string, com uma potência de pico máxima 5520 Wp.

13 STC (Standard-Test-Conditions) definem uma temperatura de junção da célula em 25°C, irradiância total de 1.000 W/m² normal à superfície de ensaio e espectro AM 1,5 (ABNT, 2006).

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Figura 13. Subsistema Fotovoltaico 1.


O subsistema fotovoltaico pode ser verificado na Figura 14, em que foi utilizada a mesma configuração de conexões, de proteção e de cabeamento.

Figura 14. Subsistema Fotovoltaico 2. Fonte: elaboração própria, 2012.

Na Tabela 15 são mostrados os valores de potência, tensão e corrente em série dos subsistemas fotovoltaicos, utilizando os dados da Tabela 2 e as figuras 8 e 9.

Tabela 15. Valores de potência, tensão e corrente para o subsistema fotovoltaico em série.

DADOS ELÉTRICOS PAINEL

FOTOVOLTAICO PV – SÉRIE

Potência nominal Pmax (W) 230 1840 Tensão máxima Vmpp (V) 41 328 Tensão de circuito-aberto Voc (V) 48,7 389,6 Corrente de máxima potência Impp (A) 5,61 5,61 Corrente de curto-circuito Isc (A) 5,99 5,99

Para a realização da conexão entre os módulos fotovoltaicos foi utilizado um cabo MultiContact, conforme pode ser visto na Figura 15, resistente a luz solar devido à exposição feita.

Figura 15. Multi Contact Kris Tech Wire (5,26mm²). Tipo XLP RHW – 2,600V,15 A. Resistente à luz solar.


Para a proteção do sistema foi utilizado um disjuntor da Schneider EletricTM (Figura 16) e para a proteção contra surtos, outro equipamento da Schneider EletricTM, conforme podem ser vistas as características na Figura 17, demonstração na Tabela 16.

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Tabela 16. Dispositivos utilizados para a proteção dos painéis fotovoltaicos.

Figura 16: Schneider Eletric CH60 Modular DC Circuit Breaker.

Fonte: Schneider-electric, 2011.

Características técnicas:

• 2P/CURVA C • Tensão nominal (Vn): 220V • Corrente nominal (In): 10A • Tensão máxima (Ve): 500VDC

• Capacidade de interrupção (Icu): 10kA

Figura 17: Schneider Electric PRD 40r – 600 DC Surge Arrester.


Características técnicas:

• Tensão nominal (Um): 600V. • Corrente nominal de descarga (In): 15kA.

• Corrente máxima de descarga (Imax): 40kA.

5.4.2. Inversor

O inversor é um dispositivo elétrico que converte sinal elétrico CC em um sinal elétrico CA. Para a escolha do inversor é necessário realizar cálculos de dimensionamento.

Através da Tabela 15, temos que a corrente de curto-circuito (Ioc) é de 5,99A e a corrente de máxima potência (Imp) 5,61A. Considerando um fator de segurança no valor de 1,25 para as três strings de cada subsistema, na Tabela 17 é mostrado o cálculo das correntes Isc’ e Imp’ que servem de parâmetro para o dimensionamento da corrente no inversor.

Tabela 17. Cálculo da corrente DC do inversor.

Corrente de curto-circuito Isc = 5,99A Isc’ = 5,99 x 3 x 1,25 = 22,5A

Corrente de máxima potência Imp = 5,61A Imp’ = 5,61A x 3 x 1,25= 21A

Corrente DC do inversor 26A

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Através da Tabela 15, e considerando um fator de segurança de 1,25, é utilizada a

tensão de circuito aberto para o cálculo do valor de tensão máxima do inversor na Tabela 18.

Tabela 18. Cálculo de tensão máxima no inversor.

Tensão de circuito aberto Voc = 389,6 Voc’ = 389,6 x 1,25 = 487,5V

Tensão Máxima no Inversor 600V

Finalmente, através da Equação 10 é calculado o valor do último parâmetro a ser considerado: o cálculo do ponto de máxima potência (Pmpp).

Equação 10: -.++ = /�012�0

Assim, na Tabela 19 é demonstrado o valor do ponto de máxima potência (Pmpp) em

cada subsistema, levando em conta que em um subsistema existem três strings de painéis fotovoltaicos.

Tabela 19. Dimensionamento da potência máxima que o inversor pode ser utilizado.

Tensão de máxima potência Vmp 328V

Corrente de máxima potência Imp 5,61A

Potência máxima Pmpp 1840W

Potência máxima por subsistema

5,520W

Potência máxima no inversor 5,750W

Fonte : elaboração própria, 2013.

Na Tabela 20 são demonstrados todos os parâmetros necessários para o dimensionamento e a escolha de um inversor adequado para cada subsistema.

Tabela 20. Parâmetros para o dimensionamento e escolha do inversor adequado.

Corrente DC do inversor 26A

Tensão Máxima no Inversor 600V

Potência máxima no inversor 5,750W


A potência máxima instalada do sistema fotovoltaico é de 11,04kWp. Portanto, foram escolhidos dois inversores para completar o sistema da Ekó House, da marca SMATM modelo SUNNY MINI CENTRAL 5000A, como mostrado na Figura 18, juntamente com suas características na Tabela 21.

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Figura 18. Inversor escolhido da marca e modelo SMA SUNNY MINI CENTRAL 5000A.

Fonte: SunPower, 2013.

Tabela 21. Características elétricas e gerais do Inversor SMA Sunny Mini Central 5000A.

DADOS ELÉTRICOS

Entrada (DC)

Potência Max. DC (cos φ=1) 5750 W

Tensão Máx. – Entrada 600 V

MPP - faixa de tensão 246 V - 480V

Tensão mín./tensão inicial 211 V / 300 V

Corrente máx. 26 A

Corrente máx. por string 26 A

Saída (AC)

Potência nominal (@230 V, 50 Hz) 5000 W

Potência Aparente Máx. 5500 VA

Tensão nominal 220 V

Alcance da Faixa de frequência 60 Hz

Corrente máx. 26 A

Equilíbrio de Potência Sim

Eficiência

Eficiência Máx. 96,10%

Proteção

Monitoramento - Falta Plugues/Grid Sim/Sim

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Proteção contra inversão de polaridade Sim

DADOS GERAIS

Dimensões (L / A / P) 468/613/242 mm

Peso 62 kg

Faixa de Operação - Temperatura - 25°C.+60°C

Consumo interno (Noite) 0,25 W

O inversor é conectado diretamente aos dispositivos de proteção contra surtos (Figura 17), e cada inversor se responsabiliza por três strings. Essa conexão é demonstrada na Figura 19.

Figura 19. Conexão dos módulos fotovoltaicos aos inversores #1 e #2.

As conexões realizadas no inversor podem ser visualizadas na Figura 20. O inversor admite cabos específicos de corrente contínua (DC), provindos do sistema de módulos fotovoltaicos, e disponibiliza a energia em corrente alternada (AC) para o painel elétrico responsável pela distribuição de energia.

Para dimensionar esses cabos em uma distância curta, deve ser verificada a capacidade de corrente máxima que o sistema pode fornecer, segundo a NBR 5410.

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Através da Tabela 21, temos que a corrente máxima que o inversor pode suportar é de 26ª, e a distância do inversor para o painel elétrico é de aproximadamente 5m. Segundo SunLabTM, a bitola a ser utilizada para uma corrente de 26A a uma distância de 5m é de 6mm².

Figura 20. Conexões de entrada e saída do inversor.

Na Figura 21 é demonstrado o esquema de conexão dos inversores com os dispositivos de medição responsáveis para controlar a geração de energia.

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Figura 21. Conexão dos inversores com os dispositivos de proteção e de medição da Ekó House.

Para a realização de medições de potência instantânea de geração, fator de potência, demanda instantânea da residência, balanço energético instantâneo e acumulado, foram utilizados medidores de energia, conforme a Figura 22, e para a proteção do sistema, Figura 23, utilizado na Ekó House para a parte de corrente alternada do sistema fotovoltaico. As características técnicas e elétricas dos dispositivos estão demonstrados na Tabela 22.

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Tabela 22. Dispositivos de medição de energia e proteção que foram utilizados no sistema fotovoltaico.

Figura 22. Medidor de Energia – Schneider

Eletric PM90.


Características Técnicas:

• Medidas de Tensão de Entrada: 50 – 450 V – AC

• Medidas de Corrente de Entrada: 5 – 1000 A/ 5 A

• Máximo Consumo: <4W • Pulso de Saída: 350 V – DC e

130mA – 25ºC no Pico

Figura 23. Disjuntor Schneider Eletric k32a AC.


Características Técnicas:

• 2p/CURVE C • Tensão Máxima: 415 V • Tensão nominal: 415 V • Tensão de pulso nominal: 4kV • Capacidade de Interrupção: 5kA

O esquema do sistema fotovoltaico da Ekó House com todas as suas conexões,

proteções e dispositivos utilizados desde a geração dos módulos fotovoltaicos até a conexão do grid pode ser visualizado na Figura 24.

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Figura 24. Esquema do sistema fotovoltaico completo da Ekó House.

5.4.3. Proteção

A subestrutura dos painéis fotovoltaicos será conectada ao aterramento para evitar o contato com uma tensão perigosa se o isolamento elétrico falhar. Molduras de metal dos painéis fotovoltaicos estão em contato com a estrutura metálica de suporte e ambos estão em contato com o telhado de metal. O sistema de aterramento usa a estrutura de revestimento metálico para conectar a cobertura da casa ao chão.

Os módulos fotovoltaicos e o seu método de ligação à terra foram atribuídos de forma a proteger todos os elementos fotovoltaicos. Para isso, foi utilizado um kit fornecido pelo fabricante do inversor.

Os cabos utilizados são de 6mm2, com isolamento de tensão de 1kV. Para os módulos fotovoltaicos foram utilizados cabos no padrão FLEX-SOL-XL (área da seção transversal de 10AWG), especialmente utilizado em instalações fotovoltaicas com duplo isolamento e um fio fino de cobre. Esses cabos são robustos, flexíveis e seu design compacto garante que as propriedades elétrica e mecânica sejam constantes durante toda a vida útil do sistema fotovoltaico. Ele pode suportar temperaturas extremas que variam de -40°C a +120°C, além de possuir resistência às influências ambientais, como ozônio, UV e hidrólise.

Para cada subsistema fotovoltaico, temos instalado um disjuntor de 32A e um disjuntor geral de 70A, a fim de proteger a instalação elétrica fotovoltaica de danos causados por sobrecarga ou curto-circuito. Também se instalou um disjuntor residual atual (RCCB), após cada circuito AC existe um disjuntor em caso de falha na proteção do lado AC.

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Os componentes do sistema devem passar por uma lista completa de verificação de manutenção. Ao longo do tempo, o pó se acumula nos painéis fotovoltaicos e afeta significativamente a eficiência do sistema. Dessa forma, os painéis devem ser limpos regularmente para minimizar a perda de eficiência. Duas limpezas por ano irão atender adequadamente às necessidades da planta.

5.4.4. Cálculo da energia produzida

Para garantir o suprimento de energia elétrica para uma residência, em um sistema fotovoltaico, conhecendo o seu consumo de energia, é necessário projetar um sistema que exceda o consumo em pelo menos 20%, de forma a garantir maior confiabilidade.

No caso da Ekó House, como já demonstrado na Tabela 10, o consumo médio mensal é de 1037,85kWh/mês. Portanto o sistema necessita gerar no mínimo 1245,42Kwh/mês para atender o requisito de confiabilidade pré-determinado.

Sabendo que o sistema foi projetado com 48 painéis fotovoltaicos de 230kW, São Paulo está na latitude (S) 23° 30’ (23,50), longitude (W) 46º 37’14 e possui uma irradiação diária solar média nos últimos dez anos, dada na Tabela 23, para superfícies horizontais e que a eficiência dos dois inversores SMA Sunny Mini Central 5000A é de 96,10%, desconsiderando possíveis perdas do sistema em função do efeito Jaule, sombreamento e arrefecimento do sistema fotovoltaico, é possível calcular o potencial de geração do sistema como mostrado na Equação 11.

Tabela 23. Irradiação Solar Média – superfícies horizontais (kWh/m²/dia). Média de 10 anos para a cidade de São Paulo.

MÊS IRRADIAÇÃO

SOLAR (KWH/M²/DIA)

Janeiro 5,44

Fevereiro 5,08

Março 4,69

Abril 4,05

Maio 3,4

Junho 3,28

Julho 3,41

Agosto 4,11

Setembro 3,86

Outubro 4,8

Novembro 5,38

Dezembro 5,53 Fonte: NASA15

14 Dados obtidos do site Maps of World. Disponível em: http://www.mapsofworld.com/lat_long/brazil-lat-long.html. Acesso em: 19/06/2013. 15 Disponível em: http://eosweb.larc.nasa.gov/sse. Acesso em 10/06/2013.

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Equação 11:

EG=Pg*Nm*Im*Ei*D

Onde: EG= Energia gerada total em kWh no mês; Nm= Número de módulos fotovoltaicos; Im= Irradiância média diária; Ei= Eficiência do inversor; D= Número de dias no mês.

Portanto, a energia possível a ser produzida anualmente pode ser verificada na Tabela 24.

Tabela 24. Cálculo mensal da energia produzida por um sistema de 11,04 kWp na cidade de São Paulo.

MÊS DIAS IRRADIAÇÃO

SOLAR (KWH/M²)

POTÊNCIA INSTALADA

(KWP)

RENDIMENTODO

INVERSOR

ENERGIA MENSAL

PRODUZIDA (KWH)

Janeiro 31 5,44 11,04 97% 1805,93

Fevereiro 28 5,08 11,04 97% 1523,22

Março 31 4,69 11,04 97% 1556,95

Abril 30 4,05 11,04 97% 1301,12

Maio 31 3,4 11,04 97% 1128,71

Junho 30 3,28 11,04 97% 1053,75

Julho 31 3,41 11,04 97% 1132,03

Agosto 31 4,11 11,04 97% 1364,41

Setembro 30 3,86 11,04 97% 1240,08

Outubro 31 4,8 11,04 97% 1593,47

Novembro 30 5,38 11,04 97% 1728,40

Dezembro 31 5,53 11,04 97% 1835,81

Total 17263,87 Fonte: elaboração própria, 2013.

Com base na Tabela 24, podemos concluir que o sistema fotovoltaico instalado na Ekó House, com potência nominal de 11,04kWp, irá produzir anualmente 17263,87kWh e que a produção diária média anual é de 47,38kWh/dia, ou seja, para cada kWp instalado serão produzidos 1563,76kWh por ano, conhecido como a produtividade anual do sistema.

6. CONSIDERAÇÕES FINAIS

Neste relatório foi apresentado o sistema elétrico na visão de consumo e geração e concluiu-se que o conceito de residência de energia zero provém de que o consumo seja igual à produção durante um ano completo.

O consumo de energia em um ano da Ekó House é de aproximadamente 10MWh, o que representa 215kWh/ano por m². A geração de energia em um ano da casa-solar é de aproximadamente 17MWh, o que representa uma geração de 361kWh/ano por m².

Para a diminuição do consumo excessivo calculado, pode ser considerada a escolha de outro sistema de HVAC mais eficiente, pois na simulação realizada no relatório o sistema de HVAC representa aproximadamente 20% do consumo anual da casa. Já o sistema de iluminação por LED, de baixo consumo, representou aproximadamente 10% do consumo anual de energia, lembrando que o sistema de automação está incluso.

Além disso, o sistema de água deve ser repensado na implementação do projeto, pois representa o maior consumo entre os sistemas: em torno de 42%. Por fim, a escolha dos equipamentos elétricos vai além de uma escolha de baixo consumo: devem ser considerados todos os aspectos e as características para a obtenção de uma alta eficiência energética ligada diretamente ao conforto.

Portanto, pode-se concluir que a Ekó House é uma residência de energia zero e que a sua geração ultrapassa mais de 70% do que realmente precisa consumir, verificando assim que ela pode atuar tanto de forma isolada, gerando energia para outras casas em seu entorno, como em cidades, onde o excedente poderá ser vendido à rede, conforme a regulamentação atual.

7. REFERÊNCIAS BIBILIOGRÁFICAS

ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 11704: Sistemas fotovoltaicos - Classificação. Rio de Janeiro, 2008a. ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 5410: Instalações Elétricas de Baixa Tensão. Segunda edição. 30.09.2004. Válida a partir de. 31.03.2005. BRITO, M.C.; SILVA, J.A. Energia Fotovoltaica: conversão de energia solar em eletricidade. Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa. Artigo publicado na revista O instalador, Julho de 2006. CRESESB – CEPEL Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio de Salvo Brito; BALDINI, R; et al. Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaico.2004. ELETROBRAS/CEPEL. Estudo fotométrico de lâmpadas de LED. Alessandra da Costa Barbosa. Departamento de Laboratórios do Fundão – DLF. Disponível em: <http://www2.cepel.br/iwil/dia2/Workshop%20LED%20-%20Alessandra%20Barbosa.pdf>. Acesso em 28/02/2013. ELEKTRO / PRYSMIAN – Instalações Elétricas Residenciais. São Paulo. Brasil. 2006. Disponível em: http://www.prysmian.com.br/export/sites/prysmian-ptBR/energy/pdfs/Manualinstalacao.pdf. Acesso em 01. mar. 2013. ENERGYPLUS. Programa de simulação computacional. Disponível em: http://www.eere.energy.gov/buildings/energyplus. Acesso em 10. jun. 2013. EPE – Empresa de Pesquisa Energética. Análise da Inserção da Geração Solar na Matriz Elétrica Brasileira. Rio de Janeiro. Maio de 2012. FRAIDENRAICH, N.; LYRA, F.J. Energia Solar. Fundamentos e tecnologias de conversão heliotermoelétrica e fotovoltaica. Editora Universitária da UFPE, (1995) (ISBN 85-7315-024-6). GREENPRO. Energia Fotovoltaica: Manual sobre tecnologias, projeto e instalação. União Europeia, 2004. IBGE – Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística. Tabela 1.18 - Média de moradores em domicílios particulares ocupados, por situação do domicílio e localização da área, segundo as Grandes Regiões e as Unidades da Federação – CENSO DEMOGRÁFICO 2010. Disponível em http://www.ibge.gov.br/home/estatistica/populacao/censo2010/tabelas_pdf/Brasil_tab_1_18.pdf. Acesso em 21. jun. 2013. INMETRO – PROCEL. Eficiência Energética para Refrigeradores. Disponível em: http://www.inmetro.gov.br/consumidor/pbe/refrigeradores.pdf. Acesso em 20. jun. 2013.

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8. ANEXOS

8.1. Projeto Elétrico

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8.2. Projeto de Iluminação

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