tcc - samuel souza - 2014

Centro Universitrio Jorge Amado Graduao em Engenharia

Bacharelado em Engenharia Eltrica

Samuel Fernando Machado Alves Souza

Implementao do Sistema Fotovoltaico Conectado Rede no Centro Universitrio Jorge Amado: Estudo de Caso no

Estacionamento do Campus Paralela Salvador/BA

Salvador-BA Julho/2014




Salvador-BA Julho/2014

Monografia apresentada Coordenao do Curso de Engenharia Eltrica, do Centro Universitrio Jorge Amado, como requisito de avaliao da disciplina Trabalho de Concluso de Curso, para obteno do grau de Bacharel em Engenharia Eltrica. Orientador:

Profa. MSc. Antnia Ferreira dos Santos Cruz




Trabalho de Concluso de Curso apresentado coordenao do curso de Engenharia Eltrica do Centro Universitrio Jorge Amado, para obteno do ttulo de Engenheiro Eletricista.

Banca Examinadora

Prof. MSc. Antonia Ferreira dos Santos Cruz UNIFACS, Universidade Salvador.

Prof. MSc. Mariana Torres Strauch UNIFACS, Universidade Salvador.

Prof. Dr. Renato Jos Pino de Arajo POLI/USP, Escola Politcnica da Universidade de So Paulo.

Aprovado em 07/07/2014

Dedico ao Rei dos reis esta, bm como todas s minhas demais conquistas; a honra, a glria, a fora e o poder ao rei Jesus, nunca me deixes esquecer que tudo o que tenho, tudo o que sou, o que vier a ser. Vem de Ti, entrego a Ti, pertence a Ti, Senhor...

Dedico s meus melhores maiores presentes, meus amados pais, minhas irms, meus familiares, meus amigos, meu amor...

i

Os teus olhos viram o meu embrio; todos os dias determinados

para mim foram escritos no teu livro antes de qualquer deles

existir. Como so preciosos para mim os teus pensamentos,

Deus! Como grande a soma deles! Se eu os contasse seriam

mais do que os gros de areia. Se terminasse de cont-los, eu

ainda estaria contigo.

Salmos 139:16-18

ii

AGRADECIMENTOS

Ao Deus eterno imortal, invisvel, mas real. Honrado seja por minha jornada acadmica. Aos meus amados pais Antonio Fernando Gonalves Souza e Sueli Cristina Machado Alves Souza pela minha formao como um ser pensante e socivel, revelando atravs da minha educao suas belas qualidades, virtudes e realizaes. As minhas irms, em especial, Nair Cristina Machado Alves Souza pelo imenso carinho. Aos meus familiares por somarem com suas experincias e habilidades. A minha noiva Lorena Morais Ramos pela cumplicidade e motivao de todas as horas. Aos meus amigos pela alegria e aprendizado em cada etapa da minha vida. Aos meus irmos e irms em Cristo de Jerusalm pelo apoio atravs das oraes. Aos meus colegas da graduao, em especial, Carlos Peterson da Silva Conceio, Ismael Daltro de Sousa, Lucas da Costa Corte Imperial, Rmulo das Mercs Santos e Yure Temstocles Santos Rosa pela parceria nos projetos e apresentaes, e nos complexos estudos da engenharia eltrica. Aos meus professores da graduao, em especial, Andr Gustavo de Almeida Santos, Antnia Ferreira dos Santos Cruz, Clvis Andrade de Almeida, Elizabeth da Rocha Couto, Jos Luiz de Souza Freitas, Luiz Srgio da Rocha Cavalcanti, Osvaldo Lvio Soliano Pereira e Renato Jos Pino de Arajo, pela amizade e excelente metodologia de ensino no compartilhamento dos seus conhecimentos tcnicos e prticos. Ao meu coordenador da graduao Marco Aurlio Oliveira Lima pelas aes positivas ao longo do Curso de Engenharia Eltrica. Aos meus supervisores Engs Eletricistas, Alexandre Camargo, Ariosvaldo Pereira, Daniela Machado, Mrcio Teixeira e Vagner Medeiros, e aos meus amigos da CRF Coordenao da Rede Fsica, da SEC Secretaria de Educao do Estado da Bahia pelo enorme esforo despreendido na concretizao desta monografia. A todos os colaboradores das instituies e empresas onde estudei, estagiei e trabalhei pela confiana e oportunidades ofertadas. A todos (as) que direta ou indiretamente, contriburam na realizao deste sonho.


iii

RESUMO

Este trabalho caracteriza a gerao descentralizada de energia eltrica, oriunda de fonte alternativa e renovvel (energia solar), a partir de aspectos de viabilidade tcnica, regulatria e econmica do potencial de implementao de um sistema fotovoltaico conectado rede (SFCR) de 9,9 kWp, no Centro Universitrio Jorge Amado atravs de um estudo de caso, no estacionamento do campus Paralela Salvador/BA. So demonstradas as etapas de elaborao e dimensionamento do projeto, bem como a viso do retorno de investimento; tendo como premissa que neste tipo de sistema o inversor est conectado em paralelo rede da concessionria e quando a energia gerada pelo sistema fotovoltaico for maior que o consumo, a energia excedente injetada na rede da concessionria. Palavras-chave: Gerao descentralizada, Fonte alternativa e renovvel, Energia solar, Sistema fotovoltaico conectado rede, Elaborao e dimensionamento do projeto, Retorno do investimento.

iv

ABSTRACT

This study characterizes the decentralized generation of electricity derived from alternative and renewable sources (solar energy), from technical, regulatory and economic aspects of the potential feasibility of implementing a system on-gride (SFCR) 9,9 kWp, in Centro Universitrio Jorge Amado through a case study in the campus parking Paralela - Salvador/BA. It demonstrated the steps of drafting and dimensioning of the project as well as the vision of the pay back; with the premise that this type of system the inverter is connected in parallel with the utility grid and when the energy generated by the PV system is greater than the demand, the excess energy is injected into the utility grid. Keywords: Decentralized generation, Alternative and renewable source, Solar energy, System on-gride, Drafting and dimensioning of the project, Pay back.

v

LISTA DE FIGURAS

Figura 01: Fluxograma das aplicaes prticas de energia solar 22

Figura 02: Composio do espectro da radiao solar 24

Figura 03: rbita da Terra em torno do Sol, com variao anual do ngulo de declinao solar 25

Figura 04: O ngulo de declinao mximo no inicio do inverno e do vero (solstcios) e nulo no incio do

outono e da primavera (equincios)

25

Figura 05: Definio da posio do Sol atravs dos ngulos azimutal, zenital e da altura solar 26

Figura 06: ngulo de inclinao do mdulo e ngulo de inclinao dos raios solares 27

Figura 07: Diagrama de fluxo de potncia global (em W/m2) 30

Figura 08: Linha do Znite e ngulo Zenital 31

Figura 09: A Massa de Ar depende do ngulo Zenital do Sol 32

Figura 10: Componentes da radiao solar 33

Figura 11: Insolao mdia anual da Estao do INMET em Salvador 34

Figura 12: Potencial de energia solar global 35

Figura 13: Variao da radiao solar global horizontal no Brasil 37

Figura 14: Sistema fotovoltaico interligado rede eltrica 39

Figura 15: Componentes de um mdulo fotovoltaico 40

Figura 16: Associao geradores fotovoltaicos 40

Figura 17: Circuito equivalente bsico para uma clula fotovoltaica (modelo com diodo) 41

Figura 18: Representao do processo de converso fotovoltaica 42

Figura 19: Curvas caractersticas I V de corrente e tenso e P V de potncia e tenso de um mdulo

fotovoltaico de silcio, sob condies-padro de ensaio (STC)

43

Figura 20: Curva caracterstica I V de um mdulo fotovoltaico com influncia de diferentes temperaturas

(para irradincia de 1000 W/m2, espectro AM 1,5)

44

Figura 21: Curva caracterstica de um mdulo fotovoltaico em nveis de irradiao 44

Figura 22: Clula fotovoltaica de silcio monocristalino 48

Figura 23: Clulas fotovoltaicas de silcio policristalino 49

Figura 24: Painel de silcio amorfo hidrogenado 50

Figura 25: Funcionamento de um inversor CC-CA para conexo rede eltrica 54

vi

Figura 26: Esquema de funcionamento interno de um inversor grid-tie 55

Figura 27: Caixa de juno (esquerda) e diagrama de ligaes (direita) de um mdulo de 240 Wp, com 60

clulas em srie (20 para cada diodo), onde VOC = 36,9 V

57

Figura 28: Geradores descentralizados, instalados nas proximidades dos pontos de consumo, em oposio

gerao com grandes usinas longe dos centros de carga

58

Figura 29: Sistema de tarifao net metering com o medidor bidirecional 60

Figura 30: Micro e a Minigerao Distribuda 61

Figura 31: Esquema das etapas de acesso de Microgeradores ao Sistema de Distribuio da Coelba 63

Figura 32: Esquema simplificado com inversor na interface de conexo 66

Figura 33: Esquema de medio do sistema de compensao de energia 67

Figura 34: Vista externa da edificao do Centro Universitrio Jorge Amado 74

Figura 35: Irradiao solar diria mdia (kWh/m2.dia) 76

Figura 36: Localizao da rea disponvel para instalao do SFCR na Unijorge 79

Figura 37: Diagrama unifilar do sistema 81

vii

LISTA DE SIGLAS

ABEELICA Associao Brasileira de Energia Elica

ABINEE Associao Brasileira da Indstria Eltrica e Eletrnica

ABNT Associao Brasileira de Normas Tcnicas

ANEEL Agncia Nacional de Energia Eltrica

BT Baixa Tenso

CCEE Cmara de Comercializao de Energia Eltrica

CENSOLAR Centro de Estudos de Energia Solar

CEPEL Centro de Pesquisas de Energia Eltrica

COELBA Companhia de Eletricidade do Estado da Bahia

CPV Fotovoltaica com Concentrao

CRESESB Centro de Referncia para Energia Solar e Elica Srgio de Salvo Brito

DHTI Distoro Harmnica Total de Corrente

DSSC Clula Solar Sensibilizada por Corante

EPE Empresa de Pesquisa Energtica

EPIA Associao Europeia da Indstria

FAPEPE Fundao de Apoio ao Ensino, Pesquisa e Extenso de Itajub

IEC Comisso Eletrotcnica Internacional

INMET Instituto Nacional de Meteorologia

INMETRO Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia

viii

INPE Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais

IPCC Painel Intergovernamental de Mudanas Climticas

MME Ministrio de Minas e Energia

MPPT Rastreador do Ponto de Potncia Mxima

NASA Administrao Nacional de Aeronutica e Espao

NBR Norma Brasileira

NOCT Temperatura Nominal de Operao da Clula

NREL Laboratrio Nacional de Energias Renovveis

OPV Fotovoltaica Orgnica

P&D Pesquisa e Desenvolvimento

PRODIST Procedimentos de Distribuio de Energia Eltrica da Aneel

SFCR Sistema Fotovoltaico Conectado Rede

SFV Sistema Fotovoltaico

SIN Sistema Interligado Nacional

STC Condio Padro de Ensaio

SWERA Levantamento de Recursos Energticos Solar e Elico

UNIJORGE Centro Universitrio Jorge Amado

WRC Centro Mundial de Radiao

ix

LISTA DE SMBOLOS

m Micrmetro

kW p Quilowatt-pico

kWh/m 2 /dia Quilowatt-hora por metro quadrado dirio

kWh Quilowatt-hora

TWh Terawatt-hora

TW Terawatt

HSP/dia Horas de sol pleno por dia

d Declinao solar

c Velocidade da luz no vcuo

K Kelvin

W p Watt-pico

l Comprimento de onda

km/s Quilmetro por segundo

h Constante de Planck

Frequncia

ngulo azimutal

AM Massa de ar

G 0 Irradincia extraterrestre

W/m 2 Watt por metro quadrado

f

a

x

MJ Megajoules

Wh/m 2 Watt-hora por metro quadrado

Si Silcio

a-Si Silcio amorfo

c-Si Silcio cristalino

eV Eltron-volt

m/s Metro por segundo

MW p Megawatt-pico

MWh Megawatt-hora

GW Gigawatt

kW Quilowatt

Altura solar

ngulo de inclinao do painel

ngulo de incidncia do raio solar

m 2 Metro quadrado

DC (CC) Corrente contnua

MW Megawatt

AC (CA) Corrente alternada

ngulo zenital do sol

p-Si Silcio policristalino

m-Si Silcio monocristalino

s

z

xi

G Irradincia solar incidente

CuInSe 2 (CIS) Disseleneto de cobre e ndio

CuInGaSe 2 (CIGS) Disseleneto de cobre, glio e ndio

CdTe Telureto de cdmio

J Joules

Hz Hertz

P Variao da potncia ativa injetada

I V Corrente e tenso

P V Potncia e tenso

ISC Corrente de curto-circuito

IMP Corrente no ponto de mxima potncia

V MP Tenso no ponto de mxima potncia

PMP Ponto de operao de mxima produo de potncia

V OC Tenso de circuito aberto

D Diodo semicondutor

R S Resistncias em srie

R P Resistncias em paralelo

FF Fator de forma

Coeficiente trmico

nc-Si Silcio nanocristalino

kHz Quilohertz

tK

xii

LISTA DE TABELAS

Tabela 01: Escolha do ngulo de inclinao do mdulo 28

Tabela 02: Inclinao ideal dos mdulos nas capitais brasileiras 29

Tabela 03: Eficincia das melhores clulas fotovoltaicas fabricadas em laboratrios at 2012 52

Tabela 04: Comparao de caractersticas de inversores para conexo rede com e sem transformador 56

Tabela 05: Forma de Conexo em Funo da Potncia na tenso de 220/127V 65

Tabela 06: Forma de Conexo em Funo da Potncia na tenso de 380/220V 65

Tabela 07: Requisitos de Proteo 68

Tabela 08: Resposta s condies anormais de tenso 69

Tabela 09: Limite de variao de frequncia da rede 70

Tabela 10: Limite de distoro harmnica de corrente 71

Tabela 11: Faixas de fator de potncia 71

Tabela 12: Dados eltricos e fsicos dos mdulos ST235P (60) 77

Tabela 13: Dados eltricos e fsicos dos inversores Sunteams3000 82

Tabela 14: Clculo mensal da energia produzida por meio de um sistema de 9,9 kWp com mdulos

fotovoltaicos, em Salvador

84

Tabela 15: Composio oramentria do SFCR de 9,9 kWp, em Salvador 87

Tabela 16: Clculo de valor futuro com aporte mensal de R$ 9.750,00 e rendimento de 6% ao ano por 25

anos

90

xiii

SUMRIO

1. INTRODUO

19

2. POTENCIAL ENERGTICO SOLAR 22

2.1 A ENERGIA SOLAR 22

2.2 A RADIAO SOLAR 23

2.2.1 Geometria Sol-Terra 24

2.2.2 Massas de Ar 29

2.2.3 Irradincia 32

2.2.4 Insolao 34

2.3 A RADIAO SOLAR NO BRASIL 35

3. SISTEMA FOTOVOLTAICO CONECTADO REDE 38

3.1 COMPONENTES DOS SFCRS 39

3.1.1 Mdulos Fotovoltaicos 39

3.1.2 Inversores Grid-Tie 54

3.1.3 Caixa de Juno 57

4. GERAO DISTRIBUDA DE ENERGIA ELTRICA 58

4.1 A RESOLUO NORMATIVA N 482/2012 DA ANEEL 59

4.2 A NORMA DE CDIGO SM04.14-01.011/2012 DA COELBA

62

4.2.1 Solicitao de Acesso 63

4.2.2 Obras 64

4.2.3 Solicitao de Vistoria 64

4.2.4 Caractersticas do sistema de distribuio da Coelba em BT 64

4.2.5 Forma de Conexo 65

4.2.6 Conexo de Geradores por meio de Inversores 65

4.2.7 Sistema de Medio 67

4.2.8 Requisitos de Proteo para a Conexo 67

4.2.9 Requisitos de Qualidade 68

5. ESTUDO DE CASO: IMPLEMENTAO DO SFCR NA UNIJORGE 74

5.1 DESCRIO DO LOCAL 74

5.2 DIMENSIONAMENTO DO SFCR

75

5.2.1 Radiao Solar 76

5.2.2 Escolha do Mdulo 77

5.2.3 Energia Produzida pelo SFCR com um mdulo 77

5.2.4 Nmero de Mdulos 78

5.2.5 rea Total Disponvel para Instalao dos Mdulos 78

5.2.6 Especificao dos Inversores 80

5.2.7 Medidores 82

6. ESTUDO DE CASO: VIABILIDADE ECONMICA DO SFCR 83

6.1 ESTIMATIVA DE ENERGIA PRODUZIDA PELO SISTEMA 83

6.2 ESTIMATIVA DE ENERGIA ECONOMIZADA

85

6.3 COMPOSIO ORAMENTRIA DO SFCR

86

6.4 PERODO DE RETORNO SIMPLES

87

6.5 PERODO DE RETORNO DESCONTADO

88

6.6 TEMPO DE RETORNO DE INVESTIMENTO

89

7. METODOLOGIA APLICADA AOS ESTUDOS

91

8. RESULTADOS E DISCUSSO

92

9. CONCLUSES

93

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

94

ANEXOS 98

19

1. INTRODUO

As fontes renovveis de energia eltrica so cada vez mais estudadas e aperfeioadas

ao longo das ltimas dcadas. Em virtude da diminuio das reservas de petrleo no

planeta e da crescente preocupao com a reduo dos impactos ambientais

decorrentes deste padro de gerao, diversos pases, a exemplo, da Alemanha e da

Holanda, promovem expressivamente a utilizao destas fontes para produo de

eletricidade.

O Brasil apresenta condies favorveis para continuar dispondo de uma matriz

energtica de baixo contedo de carbono devido ao potencial hidrulico existente no

pas. As centrais hidreltricas representam em mdia 70% da gerao de eletricidade,

sendo o topo da estrutura energtica brasileira como fonte primria, oferecendo para a

sociedade, da tica dos efeitos globais sobre o clima, uma energia limpa. Outra fonte

renovvel com importante participao no balano energtico nacional a biomassa

com cerca de 8% e mais recentemente tem assistido a uma penetrao significativa da

energia elica e solar (EPE, 2013).

Com o intuito da gerao sustentvel e complementaridade dos regimes sazonais

crticos das hidreltricas, polticas pblicas foram implementadas nos ltimos anos.

Citando a gerao distribuda que atenua as emisses de poluentes derivados da

queima de combustveis fsseis (base da gerao trmica de backup brasileira) atravs

da participao de outras fontes alternativas de energia. Adicionalmente, o pas dispe

de diversas opes de gerao de energia limpa e competitiva para sua expanso,

incluindo a solar, a cogerao, a biomassa e a energia elica (ABEELICA, 2013).

A energia solar destaca-se, pelo fato de ser praticamente inesgotvel, sendo usada

para a produo de eletricidade atravs de painis solares e clulas fotovoltaicas. No

Brasil, a quantidade de sol abundante durante quase todo o ano, sendo privilegiado

em termos de radiao solar, estimulando o uso deste recurso. Na regio Nordeste, em

especial na Bahia, com amplo potencial de recursos renovveis, com baixo custo de

oportunidade, amplia a garantia da confiabilidade do sistema eltrico nacional.

20

Atualmente, em termos de participao na energia solar no mundo, o Brasil

insignificante (0,04%), mas especialistas de outros pases veem o mercado brasileiro

como emergente nesse segmento, tanto pelas perspectivas econmicas e de consumo

como pelo potencial disponvel de gerao (RAUSCHMAYER, 2013).

Com a publicao, em abril de 2012, da Resoluo Normativa ANEEL 482, que

estabelece as condies gerais para o acesso de microgerao e minigerao

distribuda aos sistemas de distribuio de energia eltrica e o estabelecimento do

sistema de compensao na compra desta energia pelos consumidores (net-metering)

institucionaliza-se no pas uma efetiva oportunidade para expanso da energia solar

fotovoltaica de pequeno porte.

RAUSCHMAYER (2013) afirma que essas regras j so um passo importante, mas,

para que o pas cumpra a expectativa de elevar a participao dessa fonte na matriz

energtica nos prximos anos, ser preciso baratear os preos dos equipamentos a

taxao sobre os importados considerada elevada, investir em treinamento de mo de

obra e garantir uma participao mais ativa do governo no desenvolvimento do

mercado e das tecnologias.

O objetivo deste trabalho, portanto, apresentar atravs de uma analise tcnica,

normativa e econmica, a implementao de um sistema fotovoltaico conectado rede,

com potncia instalada de 9,9 kWp, no estacionamento principal do Centro Universitrio

Jorge Amado (UNIJORGE), campus Paralela, Salvador/BA.

A presente monografia est dividida em quatro captulos e uma concluso, que

abordam os seguintes assuntos:

- Captulo 1 apresenta o embasamento inicial do fenmeno elementar, inerente

energia solar e as suas aplicaes. Em sequencia sero introduzidos os

componentes relacionados radiao solar. O captulo ser encerrado com a

apresentao da radiao solar no Brasil.

21

- Captulo 2 haver a descrio dos diferentes tipos de sistemas fotovoltaicos.

Ser dado ainda destaque aos SFCRs e os seus componentes, os quais constituem

o foco dessa monografia. E por fim sero apresentados os mdulos fotovoltaicos,

suas tipologias e seu funcionamento.

- Captulo 3 explicita o enquadramento da legislao brasileira em gerao

distribuda de energia, apresentando a Resoluo Normativa N 482/2012 ANEEL;

ressaltando-se os pontos favorveis da micro e minigerao bem como o seu

sistema de compensao. Logo aps ser analisada norma da COELBA que

fomenta a conexo da microgerao distribuda, tornando possvel a compreenso

dos requisitos legais que devem ser seguidos na implementao do sistema

conectado rede na UNIJORGE, desde a solicitao de registro da instalao at a

efetivao da conexo rede.

- Captulo 4 dimensiona o sistema fotovoltaico de microgerao de energia eltrica

de 9,9 kWp, no Centro Universitrio Jorge Amado, com a definio do local;

apresentao da quantidade e modelo dos mdulos fotovoltaicos e dos inversores

CC/CA adotados no projeto; e finalmente apresentada a interconexo e o sistema

de medio que feito tanto da energia fotogerada como da energia consumida.

- Captulo 5 apresenta a anlise econmica do sistema fotovoltaico descrito no

captulo anterior com base na estimativa de produo eltrica do sistema;

demonstra a forma de calcular a estimativa da energia que pode ser produzida pelos

mdulos, considerando a irradiao solar no local e calculando assim a

produtividade e o fator de capacidade do sistema; prosseguindo, apresenta-se o

clculo da energia economizada, ou seja, a energia que deixar de ser comprada da

concessionria. Com a demonstrao dos custos da instalao do sistema

fotovoltaico de 9,9 kWp, analisada a viabilidade econmica, ao longo de sua vida

til.

- Concluso discute os resultados do sistema fotovoltaico conectado rede a ser

implementado e apresenta algumas sugestes para a fase de execuo do projeto.

22

2. POTENCIAL ENERGTICO SOLAR

2.1. A ENERGIA SOLAR

O Sol o responsvel indireto pela origem de praticamente todas as outras fontes de

energia do planeta. A energia solar chega ao globo terrestre em forma luminosa e

trmica, sendo utilizada diretamente como fonte de energia ativa (heliotrmica,

fotovoltaica e solar trmica) e passiva (arquitetura bioclimtica). Entre os processos de

aproveitamento desta energia exemplificados na figura 1, os mais usados atualmente

so o aquecimento de gua e a produo fotovoltaica de energia eltrica.

Figura 1 Fluxograma das aplicaes prticas de energia solar.

Fonte: Adaptado de PEREIRA et. al. (2004).

No Brasil, o aquecimento mais utilizado nas regies Sul e Sudeste, devido s

caractersticas climticas, e a gerao fotovoltaica, nas regies Norte e Nordeste, em

comunidades isoladas da rede eltrica (ANEEL, 2005).

23

2.2. A RADIAO SOLAR

A Terra recebe anualmente 1,5125 x 1018 kWh (quilowatt-hora) de energia solar

(FRAIDENRAICH; LYRA, 1995). Adotando o raio mdio terrestre no valor de 6.371 km,

e considerando a irradincia incidente sobre esta rea projetada, sendo de 1.367 W/m2

(watt por metro quadrado), conclui-se que a potncia total disponibilizada pelo Sol a

Terra, no topo da atmosfera, de aproximadamente 174 mil TW.

Segundo Villalva; Gazoli (2012) a radiao solar formada de ondas eletromagnticas

com frequncias e comprimentos de ondas diferentes que chegam a Terra por meio do

espao extraterrestre. A frequncia e comprimento de onda so grandezas

inversamente proporcionais, contudo, energia e frequncia se relacionam de forma

direta. Nesse sentido, atravs da equao 1, denominada de Plank-Einstein se

estabelece uma relao entre frequncia e energia, de uma onda eletromagntica.

fhE .

(1)

Onde,

E - Energia da onda, expressa em joules (J) ou eletrons-volt (eV),

h - Constante de Planck cujo valor 6,636 (J.s),

f - Frequncia em hertz (Hz).

Deslocando no vcuo do espao a uma velocidade constante de, aproximadamente,

300.000 km/s (quilmetro por segundo), a luz uma onda eletromagntica e se

relaciona com o comprimento de onda e a frequncia atravs da e quao 2.

fc . (2)

24

Sendo,

c - Velocidade da luz no vcuo,

- Comprimento de onda, expressa em submltiplos de metros,

f - Frequncia da onda em hertz (Hz).

Nem toda luz emitida pelo sol visvel a olho humano, mas pode ser detectada de

outras formas: em um feixe de luz solar existem diferentes frequncias de ondas

eletromagnticas cujo conjunto denomina-se espectro de radiao solar, conforme

figura 2 (VILLALVA; GAZOLI, 2012).

Figura 2 Composio do espectro da radiao solar.

Fonte: METEOROPOLE (2014).

2.2.1. Geometria Sol-Terra

2.2.1.1. Declinao Solar ( )

Em seu movimento de translao, a Terra, descreve em trajetria elptica um plano

inclinado com relao ao plano do Equador de aproximadamente 23,5 (vide a figura 4).

A variao da elevao do Sol no horizonte em relao mesma hora, ao longo dos

dias, deve-se a esta inclinao que origina as estaes do ano e dificulta para uma

determinada data, a preciso dos clculos da posio solar.

25

A declinao solar ( ) o ngulo dos raios solares com relao ao plano equatorial

(VILLALVA; GAZOLI, 2012). Este ngulo apresentado na figura 3, varia ao longo do ano

de acordo com a posio do Sol, dentro dos limites adotados na figura 4:

Figura 3 rbita da Terra em torno do Sol (variao anual do ngulo de declinao).

Fonte: VILLALVA; GAZOLI (2012).

A trajetria do movimento aparente do Sol para um determinado dia em certa localidade

na Terra determinada pela soma da declinao solar com a latitude local.

Figura 4 O ngulo de declinao mximo no inicio do inverno e do vero (solstcios)

e nulo no incio do outono e da primavera (equincios).


____________________________ 1 O Norte Geogrfico, tambm conhecido como Norte Verdadeiro, aproximadamente o ponto ao norte no qual o

eixo de rotao da Terra se encontra com a superfcie. O Norte Geogrfico define latitude 90 Norte. Para qualquer direo que voc siga a partir desse ponto, voc sempre estar indo para o Sul.

26

2.2.1.2. ngulo Azimutal ( a )

Segundo Villalva; Gazoli (2012) azimute ( a ) o ngulo de incidncia dos raios solares

em relao ao norte geogrfico1. O sol, durante a sua trajetria no cu desde o

nascente e at o poente, apresenta diferentes ngulos azimutais ao longo do dia.

2.2.1.3. Altura Solar ( s )

O ngulo de inclinao da trajetria solar com o plano horizontal recebe o nome de

ngulo da altura solar, como ilustra a figura 5. Onde tambm so mostrados os ngulos

azimutal e zenital, que foram apresentados anteriormente.

Figura 5 Definio da posio do Sol atravs dos ngulos azimutal, zenital e da altura

solar.


O valor do ngulo da altura solar ( s ) depende da localizao geogrfica do observador

e do ngulo da declinao solar (VILLALVA; GAZOLI, 2012).

27

2.2.1.4. ngulo de Incidncia dos Raios Solares

A forma de incidncia dos raios solares sobre a superfcie da Terra depende da posio

do Sol no cu, sendo determinada pelos ngulos azimutal e zenital e pela altura solar. A

figura 6, mostra como incidem os raios do Sol em um mdulo solar.

Figura 6 ngulo de inclinao do mdulo e ngulo de inclinao dos raios solares.


Conforme Villalva; Gazoli (2012) o mdulo solar instalado com ngulo de inclinao

( ) em relao ao solo e tem sua face voltada para o norte geogrfico. Os raios solares

incidem sobre a superfcie do mdulo com o ngulo de inclinao ( ), definido em

relao reta perpendicular superfcie do modulo. Em cada dia do ano conforme a

altura solar ( s ) varia, o mdulo recebe os raios do Sol com uma inclinao diferente.

O melhor aproveitamento da energia solar ocorre quando os raios incidem

perpendicularmente ao mdulo, com ngulo 0 . Logo, para maximizar a captao

desta energia, a inclinao do mdulo deve ser ajustada diariamente, adequando-se ao

valor da altura solar naquele dia.

____________________________ 2 Estes valores so apenas recomendados, para resultados mais precisos podem ser utilizados os ngulos

fornecidos pelo programa SUNDATA. Um programa desenvolvido pelo Cepel, para apoio ao dimensionamento de um SFV. O mesmo baseado no banco de dados CENSOLAR - Centro de Estudos de la Energia Solar (alm de outras fontes), contendo valores de irradiao diria mdia mensal no plano horizontal para cerca de 350 pontos no Brasil e em pases vizinhos. A irradiao solar global diria mdia mensal de uma localidade pode ser encontrada com as suas coordenadas geogrficas. Esse programa pode ser acessado atravs da pgina do Cresesb: www.cresesb.cepel.br.

28

2.2.1.5. ngulo de Inclinao do Mdulo Solar ( )

O mdulo solar com o ngulo de inclinao fixo no consegue a sua mxima captao

dos raios solares em todos os dias ou meses do ano, mas possvel, uma boa

produo mdia anual de energia quando adotado para uma latitude geogrfica um

ngulo de inclinao. A tabela 1 demonstra o ngulo recomendado para diversas faixas

de latitude, onde no se adota instalao de mdulos com ngulos inferiores a 10 (dez

graus) para se evitar o acmulo de gua e facilitar a limpeza natural com a chuva.

Tabela 1 Escolha do ngulo de inclinao do mdulo.

Latitude geogrfica

do local

ngulo de inclinao

recomendado2

0 a 10 = 10

11 a 20 = latitude

21 a 30 = latitude + 5

31 a 40 = latitude + 10

41 ou mais = latitude + 15

Fonte: MANUAL BOSCH SOLAR MODULES (2012).

A orientao do mdulo com sua face voltada para o norte geogrfico (ou sul, quando

no hemisfrio Norte) permite o aproveitamento da radiao solar diria incidente. Em

posio horizontal, a captao de energia minimizada nos meses de inverno, quando

a altura solar ( s ) menor; j nos meses de vero, esta maximizada, devido a maior

altura solar. Por outro lado, na posio vertical a produo de energia maior no

inverno e menor no vero (VILLALVA; GAZOLI, 2012).

____________________________ 3 Inclinao latitude: mxima produo anual.

29

A inclinao ideal dos mdulos nas capitais brasileiras indicada na tabela 2, sendo

voltada para a linha do Equador (direo Norte, para a maioria destas cidades).

Tabela 2 Inclinao ideal dos mdulos nas capitais brasileiras.

CidadeInclinao ideal3

dos mdulos (O)

Belo Horizonte - MG 20

Vitria - ES 20

Rio de Janeiro - RJ 23

So Paulo - SP 24

Curitiba - PR 25

Florianpolis - SC 28

Porto Alegre - RS 30

Campo Grande - MS 21

Cuiab - MT 16

Goinia - GO 17

Braslia - DF 16

Demais Capitais 10

Fonte: TCHNE (2012).

2.2.2. Massas de ar

A radiao solar que atinge o topo da atmosfera da Terra se origina da regio da

fotosfera do Sol, camada tnue com aproximadamente 300 km de espessura e

temperatura superficial da ordem de 5800 K. Contudo, esta no apresenta um modelo

de regularidade, em virtude, das camadas externas solares (cromosfera e coroa), como

pontos quentes e frios e erupes cromosfricas (CRESESB, 2014).

Os processos fsicos de espalhamento e absoro com os constituintes atmosfricos

(como vapor de gua, ar, partculas em suspenso, dentre outros) e a superfcie do

planeta atenuam a radiao solar ao atravessar a atmosfera.

30

Trenberth et. al. (2009) com base em medies espaciais peridicas realizadas de

maro de 2000 a novembro de 2005, atualizaram o diagrama de fluxo de potncia

global permitindo anlises mais qualitativas dos fluxos de energia terrestre. Na Figura 7

esto representados estes fluxos do sistema Atmosfera-Terra.

Figura 7 Diagrama de fluxo de potncia global (em W/m2).

Fonte: TRENBERTH et. al. (2009).

O valor da irradincia solar incidente no topo da atmosfera um fluxo mdio anual

recebido ao longo das 24 horas de um dia (341,3 W/m2). Conforme figura acima, dos

54% da irradincia solar incidente no topo da atmosfera, refletida (7%) e absorvida

(47%) pela superfcie da Terra (os 46% restantes so absorvidos ou refletidos

diretamente pela atmosfera). Concluindo-se que cerca de 94 mil TW chegam

efetivamente superfcie terrestre da potncia total disponibilizada pelo Sol Terra.

Assim, ao incidirem na atmosfera terrestre, a radiao do Sol realiza um maior ou

menor percurso na massa de ar: trajeto esse determinado pelo ngulo de incidncia

dos raios solares (ngulo zenital) em relao linha do znite, conforme figura 8.

31

Figura 8 Linha do Znite e ngulo Zenital.


Conforme VILLALVA; GAZOLI (2012), a espessura da massa de ar atravessada pelos

raios solares na atmosfera depende do ngulo zenital do Sol. O clculo da massa de

ar, definida pela sigla AM (Air Mass) calculada pela equao 3.

z

AMcos

1 (3)

Na qual,

z - ngulo zenital do Sol.

As regies do planeta Terra apresentam um diferente perfil de radiao, devido a

fatores que interferem na distribuio desta no espectro como localizao geogrfica,

hora do dia, dia do ano, condies climticas, altitude entre outros. Os pases situados

na zona tropical, entre Cncer e Capricrnio, so mais iluminados e quentes que os

demais, em virtude, das massas de ar reduzirem as suas interferncias e os raios

solares incidirem com ngulos azimutais menores.

32

Figura 9 A Massa de Ar depende do ngulo Zenital do Sol.


O comportamento mdio anual da radiao solar em pases localizados entre os

trpicos de Cncer e o crculo polar rtico corresponde distribuio espectral AM 1,5

como visto na figura 9. A tecnologia fotovoltaica tendo surgido em pases temperados,

tem como referncia a massa de ar no valor AM 1,5 (VILLALVA; GAZOLI, 2012).

2.2.3. Irradincia

A irradincia uma grandeza que quantifica a radiao solar em uma determinada rea

expressa pela unidade W/m2 (watt por metro quadrado). Como a potncia uma

grandeza que expressa energia transportada durante certo intervalo de tempo, logo,

quanto maior a potncia da radiao solar, maior ser a quantidade de energia

transportada em um dado instante de tempo.

A superfcie da Terra registra cerca de 1000 W/m2 de potncia valor padronizado na

indstria fotovoltaica entretanto no espao sideral, sobre uma superfcie perpendicular

aos raios solares na distncia mdia Terra-Sol, denominada irradincia extraterrestre,

se estima a constante solar ( 0G ) de, aproximadamente, 1367 W/m2 (adotado pelo WRC

World Radiation Center).

33

O clculo da irradincia em W/m2 alm de parmetro para controle de qualidade das

clulas e mdulos fotovoltaicos evidencia-se como uma importante ferramenta na

avaliao da eficincia dos dispositivos e sistemas fotovoltaicos.

Figura 10 Componentes da radiao solar.

Fonte: PINHO et. al. (2008).

A energia solar pode atingir de forma direta numa superfcie absorvedora em terra ou

sofrer diversos efeitos antes que isso ocorra, devido s interaes com os gases

atmosfricos e nuvens. Podem tambm haver reflexes no solo e em objetos prximos,

assim a radiao total ou global que atinge a superfcie absorvedora o somatrio de

trs componentes direta, difusa e albedo (superfcie inclinada), como apresentado na

figura 10.

Radiao direta a componente da radiao global que chega em linha reta do Sol

e incide sobre o plano horizontal com uma inclinao que depende do ngulo zenital

deste astro;

34

Radiao difusa corresponde poro que atinge a superfcie absorvedora aps ter

sido espalhada pelos gases atmosfricos ou refletida pelas nuvens;

Radiao refletida ou Albedo corresponde componente da radiao que atinge o

corpo absorvedor aps ter sido refletida pelo solo e por outros objetos prximos.

2.2.4. Insolao

Insolao a medida expressa, em unidade de Wh/m2 (watt-hora por metro quadrado),

referente energia solar que incide sobre uma rea de superfcie plana num dado

intervalo de tempo.

A Alemanha com a maior parte do seu territrio com ndices inferiores a 3500 Wh/m2

dirios de insolao, comparado ao Brasil que apresenta valores mdios entre 4500 e

6000 Wh/m2, atualmente o pas lder mundial no setor de gerao fotovoltaica (CCEE

Cmara de Comercializao de Energia Eltrica) com capacidade instalada de cerca

de 20 GW (gigawatt). (VILLALVA; GAZOLI, 2012).

Figura 11 Insolao mdia anual da Estao do INMET em Salvador.

Fonte: INMET (2014).

35

Os dados prticos de insolao so utilizados no dimensionamento dos sistemas

fotovoltaicos e esto disponibilizados em tabelas, mapas de insolao ou atravs de

ferramentas online, a exemplo do site do INMET - Instituto Nacional de Meteorologia

que monitora a insolao mdia anual nas regies do Brasil, conforme a figura 11.

2.3. A RADIAO SOLAR NO BRASIL

O aproveitamento da energia solar em uma regio determinado, principalmente, em

funo de sua localizao no globo terrestre. As regies localizadas nos crculos

polares e nos trpicos possuem um potencial mdio de radiao, enquanto as regies

localizadas entre as linhas tropicais expressam altos nveis de irradiao conforme o

Manual de Energia Alternativa do Centro de Pesquisas de Energia Eltrica CEPEL

(2001 apud MAGAGNIN, 2010).

O Brasil possui elevados ndices solarimtricos, devido a grande parte do seu territrio

(cerca de 90%) esta localizado na regio considerada de alto potencial de energia solar,

entre os trpicos e na proximidade da linha do Equador, representado na figura 12.

Figura 12 Potencial de energia solar global.

Fonte: FAPEPE (2007).

36

Conforme o Plano Nacional de Energia 2030 (2008) que reproduz dados do Atlas

Solarimtrico do Brasil, a radiao solar brasileira varia de 8 a 22 MJ (megajoules) por

metro quadrado (m2) durante o dia, equivalente a 2 a 6 kWh/m2, sendo que as

variaes so menores nos meses de maio a julho, variando de 2 a 5 kWh/m2.

A regio Sul e parte da Sudeste, citando a costa norte do estado de Santa Catarina,

litoral do Paran e o litoral sul de So Paulo, expressam os menores valores de

irradiao global mdia no pas, cerca de 4 kWh/m2/dia, devido s caractersticas do

clima temperado e a influncia de massas de ar polares contriburem para o aumento

da nebulosidade nessa regio, principalmente durante os meses de inverno.

O litoral leste brasileiro, do Rio Grande do Sul ao recncavo baiano, de forma geral,

apresentam os menores ndices de irradiao. Segundo o trabalho complementar ao

atlas solarimtrico (SWERA, 2008) os maiores valores de irradiao direta anual so

observados no vale do rio So Francisco, na Bahia.

Na regio Nordeste, particularmente no semirido se apresenta os maiores valores de

irradiao solar global, com a maior mdia e a menor variabilidade anual entre as

regies geogrficas. Alm dos melhores ndices, com valores tpicos de 200 a 250

W/m2 de potncia contnua, o que equivale entre 1752 kWh/m2 a 2190 kWh/m2 por ano

de radiao incidente, sendo comparvel s principais regies do mundo, como a

cidade de Dongola, no deserto do Sudo, e a regio de Dagget, no Deserto de Mojave,

Califrnia (REIS, 2011).

37

Figura 13 Variao da radiao solar global horizontal no Brasil.

Fonte: INPE - SWERA (2006).

O valor mximo de radiao global no Brasil, equivalente a 6,5 kWh/m2, ocorre no norte

do estado da Bahia, prximo fronteira com o estado do Piau, como apresentado na

figura 13. Durante todo o ano, condies climticas conferem um regime estvel de

baixa nebulosidade e alta incidncia de irradiao solar para essa regio semirida.

38

3. SISTEMA FOTOVOLTAICO CONECTADO REDE

Um sistema de energia solar fotovoltaico produz energia eltrica atravs da radiao

solar, sendo classificado basicamente em duas categorias distintas: Sistemas isolados

(Off-grid) e Sistemas conectados rede (On-grid ou Grid-tie).

Sistemas isolados so empregados em locais remotos onde no h o atendimento de

energia eltrica ou quando o custo da conexo rede eltrica elevado; adotando-se

em seu funcionamento o armazenamento da energia produzida em baterias que

abastecem em perodos sem sol, aparelhos eltricos ou se pode armazenar atravs de

energia gravitacional, quando se bombeia gua para tanques em sistemas de

abastecimento. (CRESESB, 2006).

J os sistemas fotovoltaicos conectados a rede eltrica (SFCRs) no armazenam

energia, toda a energia gerada consumida ou entregue diretamente rede. So

vantajosos com relao aos sistemas isolados por no utilizarem baterias e

controladores de carga, sendo uma fonte complementar ao sistema eltrico de grande

porte ao qual esto conectados.

Os SFCRs operam em paralelismo com a rede pblica de energia que abastece a

populao. Neste sistema a eletricidade produzida para o consumo local, podendo

reduzir ou eliminar a energia demandada da rede da concessionria ou mesmo gerar

excedentes de energia eltrica (VILLALVA; GAZOLI, 2012).

Segundo Guzzo (2008) estes sistemas podem ser centralizados, como as usinas de

gerao de eletricidade demonstrada na figura 14, tanto micro e minissistemas

descentralizados de gerao distribuda; sendo sua potncia fotovoltaica instalada

bastante varivel, atingindo centenas de kWp em centrais fotovoltaicas e dezenas de

kWp para alimentao de cargas residenciais.

39

Figura 14 Sistema fotovoltaico interligado rede eltrica.

Fonte: ABB (2010).

3.1. COMPONENTES DOS SFCRs

Em um sistema grid-tie a energia produzida normalmente injetada na rede eltrica

que funciona como uma espcie de bateria, recebendo esta energia para

compensao em outro momento. Este sistema composto por mdulos fotovoltaicos,

inversores e cabos, estruturas de fixao para os mdulos e protees eltricas.

3.1.1. Mdulos Fotovoltaicos

As clulas agrupadas sobre uma estrutura rgida e conectadas eletricamente formam os

mdulos fotovoltaicos e fornecem, em condies nominais de teste, tenses eltricas

entre 0,5 e 0,6 V e potncias entre 1,0 e 1,5 W (EPE, 2012).

Os mdulos so dimensionados de acordo com a energia eltrica necessria ao

sistema, adotando-se normalmente clulas arranjadas em ligaes srie-paralelo

produzindo maiores tenses e correntes. A figura 15 mostra os componentes de um

mdulo solar fotovoltaico tpico.

40

Figura 15 Componentes de um mdulo fotovoltaico.

Fonte: BOSCH SOLAR ENERGY AG (2011).

O arranjo srie-paralelo dos mdulos permite o atendimento a cargas maiores conforme

descrito na figura 16. Sendo fabricados em diversas potncias, comumente variam no

mercado entre 50 e 250 W, para os compostos de silcio cristalino e entre 50 a 100 W,

para os mdulos de filmes finos (VILLALVA; GAZOLI, 2012).

Figura 16 Associao geradores fotovoltaicos.


41

3.1.1.1. Composio dos mdulos fotovoltaicos

A clula fotovoltaica representa a unidade bsica para converso direta da energia

contida na radiao luminosa em eletricidade. Esta converso um fenmeno fsico

conhecido como efeito fotovoltaico, verificado pela primeira vez por Alexandre-Edmond

Becquerel, em 1839 onde se constatou uma diferena de potencial nos extremos de

uma estrutura de material semicondutor quando exposta luz.

A separao dos portadores de carga pela juno P-N o que origina o efeito

fotovoltaico, ocorrente em qualquer diodo semicondutor exposto radiao solar. Logo,

as clulas fotovoltaicas podem ser entendidas essencialmente como diodos de grande

rea otimizados para o aproveitamento deste efeito (CRESESB, 2014). A figura 17

apresenta o circuito equivalente para uma clula fotovoltaica, onde o diodo, D,

representa a participao da juno P-N e as resistncias em srie e paralelo so

representadas, respectivamente, por RS e RP.

Figura 17 Circuito equivalente bsico para uma clula fotovoltaica (modelo com diodo).

Fonte: CRESESB (2014).

A estrutura de uma clula fotovoltaica composta por duas camadas de material

semicondutor P e N, uma grade de coletores metlicos superior e uma base metlica

inferior, sendo estes os terminais eltricos que fazem a coleta da corrente eltrica

produzida pela ao luminosa.

42

Figura 18 Representao do processo de converso fotovoltaica.

Fonte: ZILLES et. al. (2012).

Conforme Zilles et. al. (2012) se estas duas extremidades que so fundamentais na

criao de um campo eltrico interno, forem conectadas por um condutor, haver

circulao de eltrons enquanto houver radiao solar incidindo no semicondutor como

ilustra a figura 18.

Os dispositivos de converso fotovoltaica adotam materiais compostos de elementos

que produzem pares de portadores de carga (eltrons e lacunas), em geral,

semicondutores de silcio, cujos tomos se caracterizam por possurem quatro eltrons

que se ligam aos vizinhos, formando uma rede cristalina.

3.1.1.2. Curvas caractersticas dos mdulos fotovoltaicos

De acordo com Villalva; Gazoli (2012) um mdulo fotovoltaico no funciona como uma

fonte eltrica convencional, no apresenta uma tenso de sada constante nos seus

terminais e a tenso eltrica depende da sua corrente e vice-versa.

43

O mdulo se comporta como uma fonte de corrente at certo limite. Suas curvas

caractersticas I V e P V e os principais parmetros eltricos esto destacados na

figura 19.

Figura 19 Curvas caractersticas I V de corrente e tenso e P V de potncia e

tenso de um mdulo fotovoltaico de silcio, sob condies-padro de ensaio (STC).

.


A eficincia do mdulo fotovoltaico expressa, em STC Standard Test Conditions,

sendo a relao entre a potncia mxima de sada do mdulo normalizado pela rea do

mdulo em m2 e o padro de irradincia de 1000 W/m2, espectro solar AM 1,5 e

temperatura do mdulo de 25C. Os principais fatores que afetam a eficincia da

converso fotovoltaica so a temperatura ambiente de operao e a intensidade da

irradiao solar incidente sobre o mdulo (EPE, 2012).

A tenso fornecida pelo mdulo fotovoltaico em seus terminais e consequentemente a

sua potncia, que o produto desta tenso e da sua corrente, diminuem em

temperaturas mais altas; j a corrente que o mdulo fornece no se altera com a

variao da temperatura conforme curva caracterstica na figura 20.

44

Figura 20 Curva caracterstica I V de um mdulo fotovoltaico com influncia de

diferentes temperaturas (para irradincia de 1000 W/m2, espectro AM 1,5).


O mdulo capaz de fornecer a corrente mxima especificada em seu catlogo a uma

irradincia solar de 1000 W/m2 (na temperatura de 25C), contudo, esta corrente varia

proporcionalmente com a irradincia (VILLALVA; GAZOLI, 2012). A figura 21 demonstra

a curva caracterstica da tenso e da corrente de um mdulo fotovoltaico em diferentes

nveis de irradiao.

Figura 21 Curva caracterstica de um mdulo fotovoltaico em nveis de irradiao.

Fonte: KYOCERA (2013).

45

3.1.1.3. Parmetros eltricos dos mdulos fotovoltaicos em STC

Com as curvas caractersticas I V e P V apresentadas na figura 19, os parmetros

eltricos em STC que caracterizam os mdulos fotovoltaicos podem ser determinados:

Tenso de circuito aberto (VOC): o valor da tenso eltrica, medida em volts [V],

que o mdulo fornece entre os seus terminais quando no h corrente eltrica

circulando ou no existe nada ligado ao mdulo. o ponto de mxima tenso que se

pode produzir um mdulo fotovoltaico (VILLALVA; GAZOLI, 2012).

Corrente de curto-circuito (ISC): Medida em ampres (A), a corrente mxima que se

pode obter quando o mdulo recebe 1000 W/m2 de radiao solar. medida quando a

tenso eltrica em seus terminais igual zero (CRESESB, 2014).

Tenso de mxima potncia (VMP): Valor da tenso nos terminais do mdulo quando

fornece sua potncia mxima em STC. Ou seja, a tenso do mdulo no ponto de

mxima potncia (VILLALVA; GAZOLI, 2012).

Corrente de mxima potncia (IMP): Analogamente, a corrente de mxima potncia

o valor da corrente nos terminais do mdulo quando fornecida a sua potncia mxima

na condio padronizada de teste (VILLALVA; GAZOLI, 2012).

Potncia de pico ou mxima potncia (PMP): a mxima potncia fornecida pelo

mdulo em STC, ou seja, o valor que corresponde ao produto da corrente de mxima

potncia (IMP) pela tenso de mxima potncia (VMP) (VILLALVA; GAZOLI, 2012).

Fator de forma (FF): Razo entre a mxima potncia do mdulo fotovoltaico (PMP) e

o produto da corrente de curto-circuito (ISC) com a tenso de circuito aberto (VOC). O FF

definido pela equao 4 (CRESESB, 2014):

46

OCSC

MP

VI

PFF

(4)

Eficincia (): Parmetro que define quo efetivo o processo de converso de

energia solar em energia eltrica. Representa a relao entre a potncia eltrica

produzida pelo mdulo e a potncia da energia solar incidente. expressa pela

equao 5 (CRESESB, 2014):

%1001000

A

PMP (5)

Onde,

A - rea do mdulo, expressa em (m2),

1000 - Irradincia solar incidente adotada para STC em (W/m2).

3.1.1.4. Parmetros eltricos dos mdulos fotovoltaicos em NOCT

As condies operacionais reais, em diversos casos, no so representadas em STC.

Assim a NOCT Nominal Operating Cell Temperature define uma temperatura normal

para a operao das clulas nos mdulos, na qual os parmetros eltricos podem se

aproximar mais das caractersticas efetivas verificadas em campo.

Todo mdulo quando exposto em circuito aberto a uma irradincia de 800 W/m2 em um

ambiente com temperatura do ar a 20C e sofrendo ao de vento com velocidade de 1

m/s adota uma temperatura nominal para suas clulas.

A NOCT est relacionada s propriedades trmicas e pticas dos materiais

empregados na construo do mdulo fotovoltaico e geralmente varia entre 40 e 50C.

O coeficiente trmico tK para o mdulo calculado com a NOCT informada pelo

fabricante atravs da equao 6 (CRESESB, 2014):

47

800

20NOCT

K t (6)

Sendo,

tK - Coeficiente trmico para o mdulo em (C/W.m-2),

NOCT - Nominal Operating Cell Temperature do mdulo, expressa em (C),

20 - Temperatura ambiente definida para medida da NOCT em (C),

800 - Irradincia definida para a medida da NOCT, adotada em (W/m2).

3.1.1.5. Matria-prima das clulas fotovoltaicas

Segundo Zilles et. al. (2012) o efeito fotovoltaico caracterizado em certos materiais

semicondutores com capacidade de absorver a energia contida nos ftons presentes na

radiao solar incidente, transformando-a em energia eltrica. Dentre os elementos

mais utilizados na indstria fotovoltaica esto: o silcio (Si), monocristalino, policristalino

e amorfo; o disseleneto de cobre e ndio (CuInSe2 CIS); o disseleneto de cobre, glio

e ndio (CuInGaSe2 CIGS); e o telureto de cdmio (CdTe).

O silcio ainda a matria-prima mais utilizada para a produo das clulas e dos

mdulos fotovoltaicos e com os avanos das pesquisas tornam-se mais flexveis,

eficientes e durveis. As tecnologias mais comuns aplicadas na fabricao destas

clulas e mdulos so classificadas em trs geraes:

A primeira gerao dividida em duas cadeias de produo: silcio monocristalino (m-

Si) e silcio policristalino (p-Si), que representam mais de 85% do mercado, por ser

considerada uma tecnologia consolidada e confivel, e pela melhor eficincia

comercialmente disponvel (CRESESB, 2014).

48

Os mdulos compostos de clulas de silcio cristalino so comumente de colorao azul

devido ao fato de que a clula apresenta a melhor eficincia na converso de energia

solar para eltrica.

Silcio monocristalino (m-Si):

Sendo a mais antiga tecnologia fotovoltaica, as clulas m-Si so, em geral, as que

apresentam as maiores eficincias. As fotoclulas comerciais obtidas com o processo

de desoxidao em grandes fornos, purificao e solidificao atingem uma eficincia

de at 16% podendo chegar em 25% em clulas feitas em laboratrios e coeficiente de

temperatura entre -0.37 a -0.52 %/C.

As clulas monocristalinas conforme figura 22 so fabricadas devido serragem dos

lingotes de silcio monocristalino, obtidos a partir do silcio purificado, extrado do

mineral quartzo, muito abundante na crosta terrestre (VILLALVA; GAZOLI, 2012).

Figura 22 Clula fotovoltaica de silcio monocristalino.

Fonte: MB SOLAR (2012).

Silcio policristalino (p-Si):

Basicamente, as tcnicas de fabricao de clulas policristalinas so as mesmas da

fabricao das clulas monocristalinas, diferindo apenas que nestas no h formao

49

de um nico cristal; mas o material de p-Si composto de pequenos cristais, com

dimenses da ordem de centmetros. Logo, a sua eficincia citando Siqueira (2013)

diminui um tanto em comparao s clulas m-Si, alcanando eficincia mxima de

13,5% em escalas industriais e 20,4% em laboratrios.

As clulas policristalinas so mais baratas que as de silcio monocristalino, em virtude,

dos menores rigores de controle no processo de preparao das clulas. O lingote de

p-Si formado por um aglomerado de inmeros cristais, com tamanhos e orientaes

espaciais diferentes, que so fundidos e solidificados. Por causa das bordas das

partculas dos cristais, estas clulas tm eficincias ligeiramente inferiores s dos seus

concorrentes monocristalinos, entretanto, as duas tecnologias coexistem no mercado e

apresentam relaes custo-benefcio muito prximas (VILLALVA; GAZOLI, 2012).

As clulas policristalinas acabadas possuem aparncia heterognea e aspecto bastante

distinto das clulas de m-Si como mostra a figura 23.

Figura 23 Clulas fotovoltaicas de silcio policristalino.

Fonte: MB SOLAR (2012).

A segunda gerao, comercialmente denominada de filmes finos, dividida em trs

cadeias produtivas: silcio amorfo (a-Si), CIS ou CIGS e o CdTe. Apresentando menor

eficincia do que a primeira, esta gerao tem pequena parcela do mercado; compete

com a tecnologia silcio cristalino (c-Si) (CRESESB, 2014).

50

Silcio amorfo hidrogenado (a-Si):

O material denominado amorfo aquele que no apresenta estrutura cristalina, mas,

ainda assim, preserva suas propriedades de semicondutor. Nessas clulas as camadas

so extremamente finas, muitas vezes tendo no mais do que 0,5 m (micrmetro) de

espessura e seus nveis de eficincia so baixos, no ultrapassam 10,1%, se

comparado com as clulas cristalinas (AMRICA DO SOL, 2012).

O custo por metro quadrado de clulas a-Si , em mdia, a metade do custo das

clulas de silcio cristalino e o seu coeficiente de temperatura varia de -0,1 a -0,3 %/C.

Sua aplicao bastante verstil, principalmente em projetos integrados as edificaes

com mdulos solares flexveis, inquebrveis, leves, semitransparentes e com

superfcies curvas conforme a figura 24.

Figura 24 Painel de silcio amorfo hidrogenado.

Fonte: DELTA ENERGIE (2013).

51

Disseleneto de cobre ndio (CIS):

As clulas compostas com disseleneto de cobre e ndio (CuInSe2 CIS) de pequenas

reas produzidas em laboratrio apresentam eficincias em torno dos 18% e os

mdulos de grande rea, comercialmente disponveis atingem eficincias ao redor de 9

12%, bem superior s clulas a-Si. Esta tecnologia, assim como as clulas de silcio

amorfo apresentam uma excelente aparncia esttica, permitindo diversas aplicaes

arquitetnicas.

Disseleneto de cobre, glio e ndio (CIGS):

As clulas CIGS (CuInGaSe2) tm o seu custo muito elevado. A insero no mercado

de clulas fotovoltaicas desta tecnologia pequena, cerca de 0,2% de participao,

sendo o seu rendimento entre 7 19,6% e coeficiente de temperatura variando de -0,39

a -0,45%/C.

Telureto de Cdmio (CdTe):

A tecnologia CdTe recente competidora das tecnologias c-Si e a-Si, emprega filmes

finos de telureto de cdmio. Estas clulas no so difundidas em larga escala devido

alta toxicidade do cdmio (Cd) e escassez do telrio (Te), um material raro.

Assim como as clulas a-Si, os custos de produo do CdTe so atrativamente baixos

para produo em grande escala. Representam 1,1% do mercado de clulas

fotovoltaicas e os seus mdulos so encontrados no mercado internacional com

eficincia entre 9 18,3%.

Esta tecnologia demonstra coeficiente de temperatura variando de -0,2 a -0,36 %/C,

havendo desta forma, uma reduo de eficincia do sistema fotovoltaico com o

aumento das temperaturas, assim como a tecnologia baseada em c-Si.

52

A terceira gerao, em fase de Pesquisa e Desenvolvimento (P&D), testes e produo

em pequena escala, j demonstrou um potencial com altas eficincias, contudo, o seu

custo ainda no competitivo com as tecnologias que atualmente dominam o mercado.

dividida em trs cadeias: clula fotovoltaica multijuno e clula fotovoltaica para

concentrao (Concentrated Photovoltaics CPV), clulas sensibilizadas por corante

(Dye-Sensitized Solar Cell DSSC) e clulas orgnicas ou polimricas (Organic

Photovoltaics OPV).

A eficincia das melhores clulas fotovoltaicas fabricadas com diferentes materiais e

tecnologias so apresentadas na tabela 3. A mxima eficincia foi obtida com clulas

fotovoltaicas multijuno, atingindo o valor de 37,7%. Estas clulas so compostas de

elementos dos grupos 13, 14 e 15 da tabela peridica (ou IIIA, IVA e VA da antiga

classificao dos elementos na tabela peridica) e a combinao dos materiais permite

a melhor absoro dos ftons de grande parte do espectro solar. Para as clulas

fotovoltaicas de Si fabricadas em laboratrio a eficincia atinge 25% (CRESESB, 2014).

Tabela 3 Eficincia das melhores clulas fotovoltaicas fabricadas em laboratrios at

2012.

Eficincia (%)

Monocristalino 25,0 0,5

Policristalino 20,4 0,5

CIGS (CuInXGa(1-X)Se2) (f ilme fino) 19,6 0,6

CdTe (f ilme fino) 18,3 0,5

Silcio Amorfo Amorfo (a-Si) (f ilme fino) 10,1 0,3

11,9 0,4

10,7 0,3

InGaP/GaAs/InGaAs 37,7 1,2

a-Si/nc-Si/nc-Si (f ilme fino) 13,4 0,4Multijuno

Calcognios

Compostos II B-VI A

(ou 12-16)

Silcio Cristalino

Clulas Sensibilizadas por Corantes (DSSC)

Clulas Orgnicas (filme fino)

Tecnologia

Fonte: Adaptado de GREEN et. al. (2013).

54

3.1.2. Inversores Grid-Tie

Os inversores para conexo de SFCRs, tambm conhecidos como inversores grid-tie,

assim como nos sistemas isolados, alimentam consumidores em corrente alternada

(AC) por meio da converso de energia eltrica de corrente contnua (DC) produzida

pelo mdulo fotovoltaico. Podem ser inversores centrais (vrios mdulos ligados a um

inversor) ou os recentes microinversores (para cada mdulo utiliza-se um inversor).

Nos sistemas isolados os inversores CC-CA, fornecem tenses eltricas alternadas nos

seus terminais, preferencialmente na forma de onda senoidal pura. J os inversores

para conexo rede funcionam como fontes de corrente senoidal, fornecendo apenas

corrente eltrica quando conectado a uma rede eltrica (VILLALVA; GAZOLI, 2012).

Figura 25 Funcionamento de um inversor CC-CA para conexo rede eltrica.


____________________________ 1

Os inversores com a tecnologia MPPT possuem a funcionalidade de maximizar a potncia fornecida pelos mdulos

fotovoltaicos, buscando que os mdulos sempre funcionem no seu ponto mximo de potncia (PMP).

2 Strings so conjuntos de mdulos ligados em srie.

55

O funcionamento de um inversor CC-CA para a conexo rede eltrica ilustrado na

figura 25. O sistema de controle eletrnico transforma o inversor em uma fonte de

corrente; onde a corrente nos terminais de sada do inversor, ou seja, a injetada pelo

inversor na rede eltrica tenha o formato senoidal e esteja sincronizada com a tenso

senoidal da rede.

Os mdulos fotovoltaicos para os SFCRs devem ser sempre dimensionados de acordo

com as caractersticas eltricas das entradas do inversor grid-tie utilizado: faixa til de

tenso contnua na entrada ou faixa de tenso do sistema MPPT1 (rastreamento do

ponto de mxima potncia); mxima tenso contnua na entrada; nmero mximo de

strings2 na entrada; tenso e frequncia na conexo com a rede CA; potncia nominal

CC (entrada) e CA (sada) de acordo com a figura 26.

Figura 26 Esquema de funcionamento interno de um inversor grid-tie.

Fonte: Adaptado de FILHO (2012).

O arranjo fotovoltaico conectado, ao injetar energia eltrica na rede, obrigatoriamente,

utiliza inversores projetados para no operar na ausncia ou falha do fornecimento de

eletricidade pela concessionria (VILLALVA; GAZOLI, 2012).

____________________________ 3 O fenmeno denominado ilhamento ocorre quando num determinado trecho da rede, a demanda de potncia

igual gerao FV e um (ou mais) SFCR(s) permanece(m) funcionando e alimentam a carga quando a rede da distribuidora desenergizada. Assim, os inversores para SFCRs devem ser dotados de proteo anti-ilhamento, o que implica que estes desconectem automaticamente da rede eltrica, sempre que interrompido o fornecimento de energia por motivo de falha ou de manuteno programada da concessionria.

56

Este sistema conhecido como anti-ilhamento fornece segurana para operao e

manuteno de equipamentos, instalaes e pessoas quando detectado a condio de

ilhamento3, na qual a rede de distribuio est desconectada ou fora de operao

(desligada), alm de evitar a falta de sincronismo do SFV com a rede.

Alguns inversores dos sistemas conectados rede tambm incorporam um

transformador de acoplamento. Estes podem ser de baixa frequncia (60 Hz) para

acoplar a tenso de sada na rede, ou de alta frequncia (kHz), que tem menores

perdas e menores dimenses, porm custos mais elevados (CRESESB, 2014). A tabela

4 apresenta uma comparao e caractersticas de inversores para SFCR com e sem

transformador.

Tabela 4 Comparao de caractersticas de inversores para conexo rede com e

sem transformador.

Com transformador Sem transformador

maior peso e volume menor peso e volume

maiores perdas (perdas magnticas e hmicas) o

que resulta em menor eficincia

permite que o painel fotovoltaico opere numa

tenso mais baixa

menor interferncia eletromagntica maior interferncia eletromagntica

os circuitos c.c. e c.a so isolados

menores requisitos de proteo

pode ser necessria a instalao de dispositivos de proteo

adicionais (disposto diferencial-residual, disjuntor de corrente

direcional etc.), conforme a regulamentao local, devido falta de

isolamento entre os circuitos c.c. e c.a.

maior eficincia, principalmente se no possuir estgio de converso

c.c.-c.c. (para isso tem que operar com tenso do gerador fotovoltaico

superior tenso de pico da rede)


Os inversores para SFCRs so muitas vezes garantidos pelos fabricantes por perodos

de 5 a 10 anos.

____________________________ 4

Os diodos de bypass (ou de passagem) ligados em paralelo com as clulas, ajudam minimizar o efeito do sombreamento nos mdulos fotovoltaicos, onde mesmo escurecidas h continuidade da produo de energia eltrica pelos outros mdulos.

57

3.1.3. Caixa de Juno

Os mdulos fotovoltaicos comerciais apresentam uma caixa de conexes denominada

de caixa de juno ilustrada na figura 27. A caixa de juno recebe os terminais das

conexes eltricas das clulas fotovoltaicas e aloja os diodos de bypass4 do mdulo.

Figura 27 Caixa de juno (esquerda) e diagrama de ligaes (direita) de um mdulo

de 240 Wp, com 60 clulas em srie (20 para cada diodo), onde VOC = 36,9 V.


Na parte externa, os cabos eltricos de conexo do mdulo so conectados caixa de

juno atravs de dois conectores padres conhecido como MC4 externos conforme a

figura acima.

58

4. GERAO DISTRIBUDA DE ENERGIA ELTRICA

A produo de energia eltrica prxima ao centro de consumo ou na prpria instalao

consumidora denomina-se gerao distribuda e caracterizada pela utilizao de

fontes renovveis de energia. Este modelo se contrape gerao centralizada de

energia eltrica, formato adotado em quase todo o mundo para seus setores

energticos (ZILLES et. al., 2012).

A gerao distribuda diverge do modelo tradicional de gerao de energia do Brasil

baseado em grandes usinas construdas em locais distantes das cargas; aumentando-

se a oferta de eletricidade no pas, assim como a eficincia energtica, refletindo em

economia nos investimentos em distribuio e transmisso de energia, reduo no

carregamento das redes, a minimizao das perdas e a diversificao da matriz

energtica, conforme apresentado na figura 28.

Figura 28 Geradores descentralizados, instalados nas proximidades dos pontos de

consumo, em oposio gerao com grandes usinas longe dos centros de carga.

Fonte: Revista O SETOR ELTRICO (2012).

O uso da gerao distribuda com fontes renovveis de energia eltrica tem crescido

em todo o mundo e tambm no Brasil, as energias solar fotovoltaica e elica so as

fontes alternativas com maior potencial para utilizao (VILLALVA; GAZOLI, 2012).

59

4.1. A RESOLUO NORMATIVA N 482/2012 ANEEL

A Agncia Nacional de Energia Eltrica (ANEEL) publicou em 17 de abril de 2012, a

Resoluo Normativa de n 482 que estabelece os parmetros regulatrios para a

microgerao e a minigerao distribuda conectados rede de distribuio, assim

como o sistema compensatrio de energia eltrica, viabilizando a gerao distribuda de

pequeno porte no Brasil.

Desse modo, conforme disposto no art. 2, incisos I e II so adotadas as seguintes

definies para microgerao e minigerao distribuda:

I - microgerao distribuda: central geradora de energia eltrica, com potncia instalada menor ou igual a 100 kW e que utilize fontes com base em energia hidrulica, solar, elica, biomassa ou cogerao qualificada, conforme regulamentao da ANEEL, conectada na rede de distribuio por meio de instalaes de unidades consumidoras; II - minigerao distribuda: central geradora de energia eltrica, com potncia instalada superior a 100 kW e menor ou igual a 1 MW para fontes com base em energia hidrulica, solar, elica, biomassa ou cogerao qualificada, conforme regulamentao da ANEEL, conectada na rede de distribuio por meio de instalaes de unidades consumidoras. (ANEEL, 2012).

Conforme prescrito pela ANEEL (2012) no se estabelece o custo dos geradores, nem

tampouco eventuais condies de financiamento, sendo a iniciativa de instalao da

micro ou minigerao distribuda competida ao consumidor. Logo, o consumidor deve

analisar a relao custo/benefcio para instalao dos geradores, com base em

diversas variveis como:

Tipo da fonte de energia (painis solares, turbinas elicas, geradores a biomassa);

Tecnologia dos equipamentos;

Porte da unidade consumidora e da central geradora;

Localizao (rural ou urbana);

Valor tarifrio qual a unidade consumidora est submetida;

Condies de pagamento/financiamento do projeto e

Existncia de outras unidades consumidoras de mesma titularidade.

60

Alm disso, esta resoluo adicionou a Seo 3.7 (Acesso de Micro e Minigerao

Distribuda) ao Mdulo 3 do PRODIST - Procedimentos de Distribuio, criando um

sistema de compensao de energia eltrica, onde o excedente no consumido da

energia produzida pela unidade consumidora, com a microgerao ou minigerao

distribuda, seja injetada no sistema da concessionria. Tais regras so vlidas para

consumidores que utilizem geradores com fontes incentivadas de energia (hdrica,

solar, biomassa, elica e cogerao qualificada), conforme definido no art. 2, inciso III:

III - sistema de compensao de energia eltrica: sistema no qual a energia ativa injetada por unidade consumidora com microgerao distribuda ou minigerao distribuda cedida, por meio de emprstimo gratuito, distribuidora local e posteriormente compensada com o consumo de energia eltrica ativa dessa mesma unidade consumidora ou de outra unidade consumidora de mesma titularidade da unidade consumidora onde os crditos foram gerados, desde que possua o mesmo Cadastro de Pessoa Fsica (CPF) ou Cadastro de Pessoa Jurdica (CNPJ) junto ao Ministrio da Fazenda (ANEEL, 2012).

Este sistema de compensao tambm conhecido como net metering em diversos

pases do mundo; onde uma unidade consumidora de energia instala pequenos

geradores (a exemplo, painis solares fotovoltaicos e pequenas turbinas elicas) para

produo de energia eltrica. Alm da colocao de um medidor eletrnico

(bidirecional) que registra tanto a energia consumida como a energia injetada na rede

da concessionria como mostra a figura 29.

Figura 29 Sistema de tarifao net metering com o medidor bidirecional.

Fonte: EUDORA SOLAR (2012).

61

Caso o micro e/ou minigerador utilize mais eletricidade do que produziu, ser pago o

equivalente de quilowatt-hora consumido referente s tarifas s quais corresponde o

estabelecimento. Por outro lado, o consumidor produzindo mais energia do que

consumiu, este saldo positivo de energia servir para se abater o consumo em outro

posto tarifrio ou na fatura do ms subsequente.

Os crditos de energia gerados so vlidos durante o perodo de 36 meses, sendo

possvel a utilizao desses crditos em outra unidade (desde que as duas unidades

consumidoras estejam na mesma rea de concesso e sejam da mesma titularidade),

de acordo com a figura 30. As informaes estaro na fatura do consumidor, com o

objetivo de controle desta, bem como o saldo de energia existente.

Figura 30 Micro e a Minigerao Distribuda.

Fonte: ANEEL (2013).

O pagamento das unidades consumidoras conectadas em baixa tenso (grupo B),

ainda que injetada energia na rede (sendo gerao superior ao consumo), ser

baseado no custo de disponibilidade valor em reais equivalente a 30 kWh

(monofsico), 50 kWh (bifsico) ou 100 kWh (trifsico). Em situao anloga, para os

62

consumidores conectados em alta tenso (grupo A), ser zerada a parcela de energia

da fatura, mas ser faturada normalmente a parcela correspondente demanda

contratada.

As orientaes gerais para a insero de sistemas geradores on-grid ou grid-tie foram

estabelecidas pela resoluo n 482, contudo, as exigncias e as caractersticas das

conexes desses sistemas com a rede eltrica so estabelecidas pelas empresas

concessionrias a partir de normas tcnicas nacionais e internacionais.

4.2. A NORMA DE CDIGO SM04.14-01.011/2012 DA COELBA

Em 21 de dezembro de 2012 Companhia de Eletricidade do Estado da Bahia

(COELBA) atravs da Norma Conexo de Microgeradores ao Sistema de Distribuio

em Baixa Tenso de Cdigo SM04.14-01.011/2012 forneceu as orientaes bsicas e

os requisitos tcnicos para novas conexes ou alteraes de conexes existentes, dos

consumidores do sistema de compensao de energia com microgerao distribuda.

Dentro destas condies gerais foram apresentadas as especificaes para

configurao de microgerao distribuda em baixa tenso (BT), com potncia instalada

menor ou igual a 100 kW, atravs de fontes renovveis, regulamentadas pela ANEEL.

Independente da classe de tenso de fornecimento, os consumidores cobertos pela

rea de concesso da Coelba, devem comunicar a eventual utilizao ou instalao de

grupos geradores de energia, sendo condicionado anlise de projeto, inspeo, teste

e liberao para funcionamento. No sendo permitidas execues de quaisquer

alteraes no sistema de interligao de gerador particular com a rede, sem que sejam

aprovadas as modificaes por parte da concessionria, aps esta liberao.

As etapas dos procedimentos de acesso ao sistema de distribuio esto detalhados no

Mdulo 3 do PRODIST e aplicam-se tanto a novos acessantes quanto alterao de

carga/gerao, sendo importante o cumprimento das etapas de Solicitao de Acesso e

63

Parecer de Acesso para esta viabilizao. Essas etapas so apresentadas de forma

sucinta na figura 31.

Figura 31 Esquema das etapas de acesso de Microgeradores ao Sistema de

Distribuio da Coelba.

Fonte: COELBA (2012).

4.2.1. Solicitao de Acesso

Atravs de formulrios especficos por tipo de fonte geradora, anexos I e II, a solicitao

formalizada sendo encaminhados Coelba pelo acessante que se prope na

interligao do sistema de microgerao ao sistema de distribuio de BT. Os relatrios

renem as informaes tcnicas e bsicas necessrias para os estudos pertinentes ao

acesso, assim como os dados que posteriormente devem ser enviados a ANEEL para

fins de registro da unidade de gerao. Ser anexado a estes formulrios, o projeto das

instalaes de conexo, sendo incluso o memorial descritivo, localizao, arranjo fsico

e os diagramas.

64

4.2.2. Obras

As obras so implantadas aps celebrao do acordo operativo e liberao formal da

acessada com vistoria das instalaes e a ligao do microgerador. Sendo de

responsabilidade do acessante as obras referentes conexo de uso restrito e das

instalaes do ponto de conexo obedecendo s caractersticas tcnicas, normativas,

padres e procedimentos especficos do sistema de distribuio da Coelba, de acordo

com os projetos aprovados na fase de solicitao do acesso, alm das normas da

ABNT.

A execuo de obras de reforma ou reforo na rede de distribuio para viabilidade da

conexo da microgerao compete Coelba, podendo o acessante assumir tais obras

e a acessada ressarcir os custos conforme Resoluo Normativa ANEEL 482/2012.

4.2.3. Solicitao de Vistoria

A acessante deve informar Coelba sobre a concluso das obras necessrias para

incio da operao do sistema de microgerao. Esta realizar no prazo de at 30

(trinta) dias, a verificao das instalaes e as suas conformidades ao projeto aprovado

no Parecer de Acesso, assim como no momento da conexo da gerao rede, sero

realizados testes que comprovem o funcionamento do sistema anti-ilhamento.

4.2.4. Caractersticas do sistema de distribuio da Coelba em BT

As redes de distribuio trifsicas e monofsicas em baixa tenso da Coelba possuem

neutro comum, contnuo, multi e solidamente aterrado, derivando do secundrio dos

transformadores trifsicos/monofsicos de distribuio, conectados em estrela aterrada.

A configurao deste sistema sempre radial com transferncia quando possvel e as

suas tenses so padronizadas em: 380/220 V e 220/127 V.

65

4.2.5. Forma de Conexo

O ponto de conexo da unidade consumidora o mesmo que interliga os

microgeradores ao sistema eltrico de BT, em funo da sua potncia, nas tenses de

220/127V e de 380/220V, conforme, respectivamente, as tabelas 5 e 6.

Tabela 5 Forma de Conexo em Funo da Potncia na tenso de 220/127V.

Potncia Instalada Forma de Conexo

< 10 kW Monofsico, bifsico ou trifsico

10 a 20 kW Bifsico ou trifsico

> 20 kW Trifsico

Fonte: Adaptado da COELBA (2012).

Tabela 6 Forma de Conexo em Funo da Potncia na tenso de 380/220V.

Potncia Instalada Forma de Conexo

< 15 kW Monofsico, bifsico ou trifsico

15 a 25 kW Bifsico ou trifsico

> 25 kW Trifsico


4.2.6. Conexo de geradores por meio de inversores

Os sistemas de microgeradores distribudos conectam geradores por meio de

inversores com funo ativa anti-ilhamento, sendo capazes de desconectar

automaticamente a microgerao aps a interrupo do fornecimento de energia por

parte da Coelba; garantindo a segurana das instalaes e de pessoas em servios de

manuteno na rede eltrica da concessionria.

66

Os inversores so obrigatoriamente certificados pelo INMETRO, sendo aceitos

certificados dos laboratrios nacionais acreditados ou internacionais conveniados a este

rgo. A utilizao de inversor como interface de conexo de geradores elicos, solares

ou microturbinas, se baseia no esquema simplificado da figura 32, a seguir.

Figura 32 Esquema simplificado com inversor na interface de conexo.

.


67

4.2.7. Sistema de Medio

As unidades consumidoras inclusas ao sistema de compensao de energia devem

utilizar o sistema de medio de energia, no mnimo bidirecional, ou seja, medir a

energia ativa injetada da rede e a energia ativa consumida da rede. Sendo instalados

dois medidores unidirecionais em srie, sendo um medidor para o fluxo direto e outro

medidor para o fluxo reverso em relao rede, conforme visto na figura 33.

Figura 33 Esquema de medio do sistema de compensao de energia.


Para os clientes existentes a concessionria se responsabiliza pela instalao da

medio da energia injetada na rede (fluxo reverso) e, se caso necessrio, a

substituio do medidor destinado medio de consumo por medidor adequado

caber ao cliente s adequaes necessrias no padro de entrada, incluindo a

instalao da nova caixa de medio, bem como a diferena entre o custo do medidor

existente e dos novos medidores.

4.2.8. Requisitos de Proteo para a conexo

Nos sistemas que se conectam a rede atravs de inversores, no so instalados um

dispositivo de seccionamento visvel (DSV) aps a caixa de medio do padro de

____________________________ 1 Chave seccionadora visvel e acessvel que a acessada usa para garantir a desconexo da central geradora

durante manuteno em seu sistema, exceto para microgeradores que se conectam a rede atravs de inversores.

2 Elemento de interrupo automtico acionado por proteo.

3 No necessrio rel de proteo especfico, mas um sistema eletroeletrnico que detecte tais anomalias e que

produza uma sada capaz de operar na lgica de atuao do elemento de interrupo.

68

entrada e as protees relacionadas na tabela 7, podem estar inseridas nos referidos

equipamentos, sendo desnecessria a redundncia de protees.

Tabela 7 - Requisitos de Proteo.

Requisito de Proteo Potncia Instalada at 100 kW

Elemento de desconexo 1 Sim

Elemento de interrupo 2 Sim

Proteo de sub/sobretenso Sim 3

Proteo de sub/sobrefrequncia Sim 3

Proteo de sobrecorrente Sim

Rel de sincronismo Sim

Anti-ilhamento Sim


Os requisitos de proteo exigidos para as unidades consumidoras que faam a adeso

ao sistema de compensao e se conectem a rede de baixa tenso seguem as

determinaes contidas na Seo 3.7 do PRODIST.

4.2.9. Requisitos de Qualidade

A qualidade da energia produzida pelos sistemas de microgerao s cargas locais e

rede eltrica da Coelba regida por prticas e normas referentes tenso, cintilao,

frequncia, distoro harmnica e fator de potncia. Os desvios destes padres se

caracterizam pela condio anormal de operao, e os sistemas devem ser capazes de

identificar esse desvio e cessar o fornecimento de energia rede da concessionria.

____________________________

4 O tempo mximo de desligamento refere-se ao tempo entre o evento anormal de tenso e a atuao do sistema de

gerao distribuda (cessar o fornecimento de energia para a rede). O sistema de gerao distribuda deve permanecer conectado rede, a fim de monitorar os parmetros da rede e permitir a reconexo do sistema quando as condies normais forem restabelecidas.

69

4.2.9.1. Tenso em regime permanente

O fornecimento de energia pelo sistema de gerao distribuda rede deve ser

interrompido quando a tenso da rede sai da faixa de operao especificada na tabela

8. As seguintes condies devem ser cumpridas, com tenses eficazes e medidas no

ponto de conexo comum:

Tabela 8 Resposta s condies anormais de tenso.

Tenso no ponto de conexo comum

(% em relao V nominal)Tempo mximo de desligamento 4

V < 80% 0,4 s

80% V 110% Regime normal de operao

110% < V 0,2 s


4.2.9.2. Faixa operacional de frequncia

O sistema de microgerao conectado rede atravs de inversores deve operar em

sincronismo e dentro dos limites de variao de frequncia definidos para a rede

conforme tabela 9.

____________________________

5 A reduo da potncia ativa injetada na rede baseada na equao 7:

RffP alnorede )]5,0([ min (7)

Sendo,

P - Variao da potncia ativa injetada (em %) em relao potncia ativa injetada no momento em que a frequncia excede 60,5 Hz (PM);

redef - Frequncia da rede;

alnof min - Frequncia nominal da rede;

R - Taxa de reduo desejada da potncia ativa injetada (em %/Hz), ajustada em - 40 %/Hz. A resoluo da medio de frequncia deve ser 0,01 Hz.

Se, aps iniciado o processo de reduo da potncia ativa, a frequncia da rede reduzir, o sistema de gerao distribuda deve manter o menor valor de potncia ativa atingido (PM PMximo) durante o aumento da frequncia.

6 O gradiente de elevao da potncia ativa injetada na rede deve ser de at 20 % de PM por minuto.

70

Tabela 9 Limite de variao de frequncia da rede.

Frequncia da

rede

Fornecimento de energia

pela gerao distribuda

Frequncia necessria para

retorno do fornecimento rede

Tempo mximo

de reconexo

f < 57,5 Hz Cessado f = 59,9 Hz 0,2 s

Reduo da potncia ativa injetada 5 60 Hz 0,05 Hz

Aumento da potncia ativa injetada 6 ________

f > 62 Hz Cessado f = 60,1 Hz 0,2 s

300 s60,5 Hz < f < 62 Hz

Fonte: Dados coletados da COELBA (2012).

4.2.9.3. Harmnicos e distoro da forma de onda

A distoro harmnica total de corrente (DHTI) deve ser inferior a 5%, na potncia

nominal do sistema de microgerao, sendo cada harmnica individual limitada pelos

valores apresentados na tabela 10.

71

Tabela 10 Limite de distoro harmnica de corrente.

Harmnicas mpares Limite de distoro

3 a 9 < 4,0 %

11 a 15 < 2,0 %

17 a 21 < 1,5 %

23 a 33 < 0,6 %

Harmnicas pares Limite de distoro

2 a 8 < 1,0 %

10 a 32 < 0,5 %


4.2.9.4. Fator de potncia

O sistema de gerao distribuda deve operar dentro das faixas de fator de potncia

conforme tabela 11, quando a potncia ativa injetada na rede for superior a 20% da

potncia nominal do gerador.

Tabela 11 Faixas de fator de potncia.

Potncia nominal do

sistema de microgeraoFator de Potncia Tolerncia de Trabalho (Ajustes)

Pn 3 kW FP = 1 Na faixa de 0,98 indutivo at 0,98 capacitivo

3 kW < Pn 6 kW FP ajustvel Na faixa de 0,95 indutivo at 0,95 capacitivo

Pn > 6 kW FP ajustvel Na faixa de 0,90 indutivo at 0,90 capacitivo

Fonte: Dados coletados da COELBA (2012).

Aps mudana na potncia ativa, o sistema de microgerao deve ser capaz de ajustar

a potncia reativa de sada automaticamente para corresponder ao FP predefinido.

72

4.2.10. Requisitos de Segurana

So requisitos necessrios a operao segura e correta dos sistemas de gerao

conectados rede eltrica. A funo de proteo dos equipamentos pode ser

executada pelo dispositivo interno ao inversor para as conexes que o utilizem como

interface com a rede.

4.2.10.1. Variaes de tenso e frequncia

So requeridas respostas do sistema de microgerao conectado rede eltrica

quando as condies anormais de operao surgem nesta rede. Esta resposta garante

a segurana das equipes de manuteno da rede e das pessoas em geral, bem como

evita danos aos equipamentos conectados rede, incluindo o prprio sistema de

gerao distribuda.

4.2.10.2. Proteo contra ilhamento

O fornecimento de energia rede cessado pelo sistema de gerao distribuda em

at 2 segundos aps a perda da rede (ilhamento). Os inversores aplicados nos

sistemas fotovoltaicos devem atender ao estabelecido na ABNT NBR IEC 62116.

4.2.10.3. Aterramento

O sistema de microgerao deve estar conectado ao sistema de aterramento da

unidade consumidora.

4.2.10.4. Proteo contra curto-circuito

O dispositivo de proteo contra sobrecorrentes responsvel pela limitao e

interrupo d

tcc - samuel souza - 2014

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