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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ INSTITUTO DE SISTEMAS ELÉTRICOS E ENERGIA

Desenvolvimento de Projeto e Modelo de Implementação de Sistema Fotovoltaico no Campus Universitário

Kam Wei Liu Tiago Toshiro Eto

Itajubá, Outubro de 2017

UNIFEI – ISEE Trabalho Final de Graduação

ii

UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ INSTITUTO DE SISTEMAS ELÉTRICOS E ENERGIA

Kam Wei Liu Tiago Toshiro Eto

Desenvolvimento de Projeto e Modelo de Implementação de Sistema Fotovoltaico no Campus Universitário

Monografia apresentada ao Instituto de Sistemas Elétricos e Energia, da Universidade Federal de Itajubá, como parte dos requisitos para obtenção do título de Engenheiro Eletricista.

Orientador: Credson de Salles Co orientador: Roberto Akira Yamachita

Itajubá, outubro de 2017


iii

Dedicatória

Este trabalho é dedicado àqueles pleiteiem se lançar à conquista novos horizontes

através do conhecimento, com audácia de indagar e lançar-se por caminhos

jamais trilhados à luz da sabedoria daqueles que nos antecederam.


iv

Agradecimentos

Os agradecimentos são dedicados à Universidade, aos professores e técnicos-

administrativos que colaboraram neste caminho trilhado para a conquista do título de

engenheiro eletricista durante todos esses anos. Em especial agradecemos aos professores

Credson Salles e Roberto Akira Yamachita pela orientação e apoio para o desenvolvimento do

trabalho final.

A nossos pais e familiares que tanto se empenharam conosco, dando todo apoio e

suporte, tornando cada conquista um ato coletivo. Nesta jornada a bagagem de vida que se leva

é mais que conhecimento, tem-se todas amizades e experiências adquiridas que são

inesquecíveis, estes são os agradecimentos à Unifei.


v

Resumo

A energia solar é a mais abundante, praticamente inesgotável fonte de energia disponível, sendo

uma solução ambiental para mitigação de gases de efeito estufa no mundo e, em muitos casos,

capazes de minimizar impactos socioambientais decorrentes da implantação de usinas e

sistemas convencionais, como no caso de grandes empreendimentos hidrelétricos e

termelétricos. O uso desta energia através da tecnologia dos painéis fotovoltaicos terá enormes

benefícios a longo prazo, proporcionando aumento da segurança energética e permitindo a

maior fluência do desenvolvimento humano, de forma que custos adicionais nos incentivos para

a implantação, por muitos considerado precoce, desta tecnologia devem ser considerados como

investimento sábio. Neste trabalho através da confluência desses bancos de dados da estação

meteorológica do IRN (Instituto de Recursos Naturais), do monitoramento do consumo e

demanda de energia elétrica do campus universitário e das contas emitidas pela Cemig, será

realizado a análise para o dimensionamento da usina fotovoltaica sem o banco de baterias,

buscando o payback deste investimento. Na análise deste problema, a modelagem da carga e o

potencial energético do campus utilizar-se-á os softwares: Excel e MATLAB. Obtendo-se

gráficos, modelos e grandezas necessárias para elaboração do estudo econômico em busca do

melhor equilíbrio técnico-econômico para o desenvolvimento do modelo de estudo e

viabilidade do projeto.

Palavras chave: Energia Elétrica, Fotovoltaico, Geração Renovável, Análise Econômica,


vi

Abstract

The solar energy it’s the most plentiful, a virtually inexhaustible source of energy, being an

environmental solution to dwindle the effects of greenhouse gases around the globe, and in

many cases, it’s also capable of lessen the socio-environmental damages that conventional

power plants do, e.g. hydroelectric and thermoelectric. The use of this technology will have

huge impact on the long term, providing more reliability and allowing a smoother human

development, in such a way that the additional cost and incentives, that for many is deemed

precocious, should be considered as a wise investment. Within this work is a confluence

between two data banks the first is a meteorological data from IRN (Institute of Natural

Resources) and the second from the energy monitoring of consumption and demand of a

university campus along with the electrical bill from Cemig, the analysis of a plant without

battery bank will be made, seeking it’s payback time. To model the load of the campus will be

used Excel along with MATLAB, in order to obtain the plots, models and magnitudes needed

to elaborate the economical study searching it’s best technical-economic equilibrium to develop

a model of study and viability to this project.

Key words: Photovoltaic, Electrical Engineering, Renewable Energy, Economical Analysis.


vii

Sumário

1 INTRODUÇÃO .............................................................................................................. 15

1.1 Relevância do Tema ............................................................................................... 16

1.2 Visão e Valores ........................................................................................................ 17

1.3 Caminho Percorrido ............................................................................................... 17

1.3.1 Tecnologia empregada .............................................................................................. 18

1.3.2 Ferramentas computacionais .................................................................................... 18

1.4 Estrutura do Trabalho ............................................................................................... 19

2 CONCEITOS PRELIMINARES .................................................................................. 20

2.1 Energia Solar .......................................................................................................... 20

2.2 Painel Fotovoltaico ................................................................................................. 23

2.2.1 História da tecnologia fotovoltaica ........................................................................... 23

2.2.1.1 Marcos históricos .............................................................................................. 23

2.2.2 Aspectos Construtivos do painel fotovoltaico .......................................................... 25

2.2.2.1 Célula fotovoltaica genérica ............................................................................. 25

2.2.2.2 Circuitos equivalentes das células fotovoltaicas .............................................. 26

2.2.2.3 Associação de células em série ......................................................................... 29

2.2.2.4 Associação de células em paralelo ................................................................... 29

2.2.2.5 Arranjos das células fotovoltaicas em módulos e painéis ................................ 30

2.2.3 Orientação do painel fotovoltaico............................................................................. 32

2.3 Conversão de Energia CC/CA ............................................................................... 33

2.3.1 Onda quadrada .......................................................................................................... 34

2.3.2 Onda senoidal modificada ........................................................................................ 34

2.3.3 PWM ......................................................................................................................... 34

3 AQUISIÇÃO DOS DADOS ........................................................................................... 35

3.1 Dados Meteorológicos ............................................................................................ 35

3.2 Consumo Energético .............................................................................................. 37

3.3 Dados de Consumo – Contas de Energia Elétrica ............................................... 38

4 TRATAMENTO DOS DADOS E FERRAMENTAS UTILIZADAS ....................... 40

4.1 Trabalhando os Bancos de Dados ......................................................................... 40

4.2 Confluência dos Bancos de Dados ......................................................................... 40


viii

4.2.1 Do coeficiente de sombra ......................................................................................... 42

4.2.2 Curva de Permanência .............................................................................................. 43

4.2.3 Média da irradiação solar mensal ............................................................................. 45

4.2.4 Meio dia Solar .......................................................................................................... 45

4.2.5 Da confluência entre os dados de irradiação e consumo .......................................... 48

5 ESTUDO DE VIABILIDADE TÉCNICA E FINANCEIRA ..................................... 50

5.1 Estudo de Viabilidade Técnica .............................................................................. 50

5.1.1 Determinação da quantidade de placas ..................................................................... 50

5.1.2 Determinação da área de ocupação .......................................................................... 53

5.2 Estudo de Viabilidade Financeiro ......................................................................... 56

5.2.1 Custos ....................................................................................................................... 56

5.2.2 Retorno do investimento ........................................................................................... 57

6 RESULTADOS E DISCUSSÃO ................................................................................... 58

6.1 Dos conceitos implementados em MATLAB........................................................ 58

6.2 As vertentes do projeto desenvolvido.................................................................... 59

7 CONCLUSÃO ................................................................................................................. 61

REFERÊNCIAS ..................................................................................................................... 62


ix

Lista de Figuras

Figura 1 - Inclinação da Terra .................................................................................................. 21

Figura 2 – Translação da Terra e estações do ano .................................................................... 21

Figura 3 - Variação do dia x Estação do ano no hemisfério sul ............................................... 21

Figura 4 - Diagrama simbólico dos processos de interação da radiação solar com a atmosfera

terrestre. .................................................................................................................................... 22

Figura 5 - Evolução da eficiência dos fotovoltaicos................................................................. 24

Figura 6 - Célula fotovoltaica genérica .................................................................................... 25

Figura 7 - Circuito equivalente da célula fotovoltaica ............................................................. 26

Figura 8 - Parâmetros importantes para as células FV; a) corrente de curto circuito ISC e b)

tensão em circuito aberto VOC ................................................................................................ 26

Figura 9 - Variação da corrente em uma célula FV com a luminosidade ................................ 27

Figura 10 - Variação da corrente e tensão em uma célula FV em função da irradiação solar . 27

Figura 11 - Duas células ligadas em série (circuito equivalente simplificado) ........................ 28

Figura 12 - Circuito equivalente completo com Rp e Rs ......................................................... 28

Figura 13 - Associação de células em série .............................................................................. 29

Figura 14 - Associação em paralelo ......................................................................................... 29

Figura 15 – Formação de painel e arranjo de painéis ............................................................... 30

Figura 16 – Módulo fotovoltaico .............................................................................................. 31

Figura 17 – Configuração do sistema fotovoltaico sem banco de baterias .............................. 31

Figura 18 – Características nominais do módulo fotovoltaico ................................................. 32

Figura 19 – Orientação e inclinação da placa fotovoltaica conforme a latitude ....................... 33

Figura 20 – Modelos e porte de inversores .............................................................................. 33

Figura 21- Estação meteorológica do campus Unifei ............................................................... 35


x

Figura 22 - Equipamento de medição da irradiação solar ........................................................ 35

Figura 23- Amostragem da insolação solar diária .................................................................... 36

Figura 24 - Demanda energética mensal - outubro de 2014 ..................................................... 37

Figura 25 – Consumo energia elétrica normalizado pelo ano de 2015 .................................... 39

Figura 26 - Irradiação solar de uma semana de janeiro de 2015 .............................................. 43

Figura 27 – Curva de Permanência .......................................................................................... 44

Figura 28 - Análise anual da sazonalidade da irradiação solar................................................. 45

Figura 29 - Distribuição do meio dia solar semanal ................................................................. 45

Figura 30 - Insolação diária medida ......................................................................................... 46

Figura 31 – Irradiação solar diária com filtragem manual – mês chuvoso............................... 46

Figura 32 - Irradiação solar diária com filtragem manual – mês seco ..................................... 47

Figura 33 - Média mensal da irradiação solar .......................................................................... 47

Figura 34 - Consumo x geração – junho de 2015 ..................................................................... 48

Figura 35 - Consumo x geração – novembro de 2015 .............................................................. 49

Figura 36 - Determinação do valor do K .................................................................................. 51

Figura 37 – Exemplo de layout de instalação das placas fotovoltaicas .................................... 51

Figura 38 - Modelo de suporte para instalação das placas fotovoltaicas em lajes e telhados .. 52

Figura 39 – Layout modelo para instalação das placas fotovoltaica em lajes .......................... 52

Figura 39 - Coberturas de estacionamento com placas fotovoltaicas ....................................... 52

Figura 41 – Geração x Consumo normalizada por 2015 .......................................................... 53

Figura 43 - Projeção da área de instalação das placas fotovoltaicas ........................................ 54

Figura 44 - Área de ocupação para instalação das placas......................................................... 55

Figura 45 - Cálculo do valor presente ...................................................................................... 57


xi

Lista de Abreviaturas e Siglas

ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas

CA Corrente alternada

CC Corrente contínua

CEMIG Companhia Energética de Minas Gerais

Crea-SP Conselho Regional de Engenharia Arquitetura e Agronomia de São

Paulo

CSP Concentrating Solar Power

CTASP Comissão de Trabalho, de Administração e Serviço Público

Excel Software para edição de planilhas da empresa Microsoft

FF Fator de preenchimento

GD Geração distribuída

IGBT Transistores bipolares de porta isolada

IRN Instituto de Recursos Naturais

ISEE Instituto de Sistemas Elétricos e Energia

LRC The Lewis Reaserch Center da NASA

MATLAB Software de computação numérica da empresa MathWorks

Mi,j Valor do elemento da matriz na posição i,j

Mixj Matriz de dimensões i linhas por j colunas

MME Ministério de Minas e Energia

Mosfet Transistor de efeito de campo metal

NASA National Aeronautics and Space Administration

NREL National Renewable Energy Laboratory

NREL National Renewable Energy Laboratory

ONS Operador Nacional do Sistema Elétrico

Pay Back Tempo necessário para que o investimento se pague

Psh Peak Sun Hours

Psk Peak Sun Hours

PV Painel Fotovoltaico

PWM Pulse-Width Modulation


xii

SCR Silicon controlled rectifier

SI Sistema Internacional de Unidades

TFG Trabalho Final de Graduação

THD Total harmonic distortion

UNIFEI Universidade Federal de Itajubá


xiii

Lista de Símbolos

d distância entre a Terra e Sol em km

�� Tensão de circuito aberto

�� Corrente de curto-circuito

�� Fotovoltaico

� Constante de proporcionalidade do número de placas

� Rendimento

Resistência em paralelo

�� Tensão no diodo

� Resistência série

� Ângulo de inclinação das placas para compensar a latitude

� Diferencial de posição para o cálculo da curva de permanência

� Probabilidade da irradiação escolhida ser superada

� Potência de geração

� Saldo energético

� Área de placas

� Número de placas

�� Potência de pico do sistema

��çã� Área ocupada por uma placa levando em consideração o

espaçamento entre ela e as outras.


xiv

Lista de Tabelas

Tabela 1 – Geração e potência instalada solar no mundo - 2014 16

Tabela 2 – Relatório de contas de energia elétrica 38

Tabela 3 – Relação de prédios para implantação do sistema fotovoltaico 54

Tabela 4 - Relação de prédios e potências fotovoltaicas 55

Tabela 5 – Resumos do investimento do projeto 56

Tabela 6 - Coeficiente de sombra 59


15

1 Introdução A energia, no seu contexto mais amplo, é elemento essencial e intrínseco à vida. Gerir

o uso da energia é vital em qualquer sociedade funcional, cabendo à capacidade do ser humano

em captar, transformar e utilizar as mais diversas formas de energia, além de ser de suma

importância ao desenvolvimento, possibilitando adaptar-se ao meio ambiente e evoluir.

O Homem na busca da compreensão: formas, tipos, utilidades e fontes de energia,

sempre optou pela maior facilidade de uso e versatilidade, o que converge no mundo moderno:

a energia elétrica, sendo oriunda das mais diversas fontes e a com massificada utilização.

Devido ao seu altíssimo consumo e fontes limitadas, ou naturalmente, ou economicamente faz

a sociedade científica e mais especificamente os engenheiros buscarem novas fontes de energia

para geração da energia elétrica. As mais diversas fontes podem ser citadas: térmicas,

hidráulicas, nuclear, maremotrizes, geotérmicas, eólicas.

Dentre todas as fontes, nos dias atuais, a energia solar tem abrilhantado os olhos da

sociedade globalmente. O Sol que se encontrava como coadjuvante no cotidiano, regulando

apenas o tempo, retoma sua importância, assim como foi um dia. Lembrando que o mesmo em

várias sociedades e culturas foi venerado, a exemplo: egípcios, incas, astecas, gregos, romanos,

brasileiro.

Neste contexto os avanços tecnológicos promovidos pelos pesquisadores com a ação

conjunta dos engenheiros viabilizaram a construção de sistema fotovoltaico para geração de

energia elétrica. Assim o Sol, sido considerado um deus, e depois de um longo período “nas

trevas”, retoma posição de protagonista.

Voltando o foco ao Brasil, é notório que possui alto potencial energético na geração de

energia através de sistemas fotovoltaicos, pois é beneficiado pela abundante radiação solar

predominante em quase todos os meses do ano.

Neste trabalho intitulado: Desenvolvimento de Projeto e Modelo de Implementação de

Sistema Fotovoltaico no Campus Universitário, através análise da viabilidade técnica,

econômica e ambiental, que promove a convergência do ser Engenheiro Eletricista.


16

1.1 Relevância do Tema

No cenário mundial o uso fontes de energia renovável para geração de eletricidade tem

ganhando cada vez mais importância, tendo em vista que as grandes potências econômicas

mundiais têm se conscientizado que o desenvolvimento sustentável deixa de ser uma alternativa

e sim uma obrigação. Com recente avanço das tecnologias em materiais, o ramo de geração de

energia elétrica através de sistema fotovoltaico tem proporcionado notório crescimento de uso

de painéis fotovoltaicos (PV) em países desenvolvidos.

Conforme a tabela 1 do o Relatório Energia Solar no Brasil e Mundo Ano referência –

2015 [6] emitido pelo MME (Ministério de Minas e Energia) em 20/07/2016, tem-se que a Itália

apresentou o maior percentual de geração solar em relação à sua geração total, de 9,3%, seguida

da Grécia (7,8%). A Espanha tem o maior fator de capacidade, de 29,3%, em razão da presença

de mais de 40% de potência instalada de CSP1 (Concentrating Solar Power), tendo de 7

horas a 8 horas em estoque de calor, para gerar nos períodos sem sol. Os cinco primeiros países

em potência instalada respondem por 68% do total mundial. Em 2018, o Brasil deverá estar

entre os 20 países maiores geradores de energia solar, ao se considerar a operação da potência

já contratada, de 2,6 GW.

Tabela 1 – Geração e potência instalada solar no mundo - 2014

Fonte: Relatório Energia Solar no Brasil e Mundo Ano de referência – 2015, emitido pelo MME em 20/07/2016.

1 A tecnologia CSP - Concentrating Solar Power consiste em concentrar a luz solar em um receptor, que recolhe e transfere a energia solar para um fluido de transferência de calor, que pode ser usado para fornecer calor para aplicações de uso final, ou para gerar eletricidade em motores térmicos, ou via turbinas a vapor convencionais.


17

Observando este cenário energético, ambiental e econômico mundial, associado ao fato

que o Brasil está particularmente bem situado geograficamente e que recentemente, 30/08/2017,

o projeto de nº 4.536/12 foi aprovado na CTASP (Comissão de Trabalho, de Administração e

Serviço Público) e retribuir à Universidade Federal de Itajubá (Unifei) os conhecimentos

obtidos ao longo dos anos de graduação são a motivação para o desenvolvimento deste trabalho.

1.2 Visão e Valores

A Unifei tendo importância e papel significativo na história da engenharia elétrica

brasileira através inúmeras pesquisas, publicações e engenheiros atuantes no mercado de

trabalho nacional e internacional, deve também possuir a responsabilidade em ações efetivas e

benéficas à comunidade Unifei.

Esta notoriedade vem da característica marcante da Unifei é incentivar e ensinar através

de atividade práticas, ou seja, “mão na massa”, que gera um aumento do aprendizado e fixação

do conhecimento. De encontro a este ideal, o desenvolvimento deste trabalho de análise e

proposta de implantação do sistema fotovoltaico no campus Unifei proporciona a oportunidade

de ampliar horizonte de forma frutífera, dando a possibilidade de aplicar “em casa” esta grande

capacidade de realização do engenheiro eletricista Unifei.

O uso da tecnologia fotovoltaica no campus universitário contribuirá diretamente com

o desenvolvimento, ao proporcionar mitigação dos custos com energia elétrica, além disto, será

atrativo para novos investimentos, tanto na área de pesquisas, como de reconhecimento de

atitude vanguardista.

1.3 Caminho Percorrido

Este trabalho foi desenvolvido através da soma dos conhecimentos adquiridos no curso de

graduação de engenharia elétrica, pesquisa técnica, cientifica, operacional e comerciais, assim

como traz as vivências profissionais na área de construção civil e instalações elétricas dos

graduandos quando propõem uma abordagem voltada ao que tange à viabilidade técnica e

econômica.

O víeis deste trabalho busca maior proximidade à realidade e aplicação, desta forma, um

estudo de caso é o mais adequado, o que, justifica o uso de dados reais da estação meteorológica,

de consumo e demanda média do campus universitário ser a pedra fundamental para o

desenvolvimento.


18

1.3.1 Tecnologia empregada

O efeito fotoelétrico foi descoberto por Alexandre Edmond Becquerel2 em 1839, mas

apenas explicado por Albert Einstein3 em 1905, que se baseia na emissão de elétrons quando

um material, geralmente semicondutor, é submetido à radiação eletromagnética. A evolução da

eficiência da célula fotovoltaica tem sido surpreendente, partindo aproximadamente de 14% de

eficiência no início dos anos 70 quando começou a ser empregada e chegando aos 27,6% nas

células à base de silício em 2016 pela Kaneka Solar Energy, segundo a NREL (National

Renewable Energy Laboratory). Os avanços tecnológicos na engenharia de materiais em células

fotovoltaicas possuem custo elevado, o que torna inviável o emprego de outros materiais e

assim serão desconsideradas.

As placas utilizadas no sistema de geração de energia elétrica por efeito fotovoltaico são

confeccionadas em proporções similares de até 2 m², a instalação pode ocorrer em arranjos em

série e paralelo, a fim do aumento da tensão terminal e corrente de carga, respectivamente,

conforme as diversas necessidades.

Para elaboração deste trabalho será desconsiderado o uso de banco de baterias, devido

o tempo de vida útil das baterias é pequeno, geralmente de 5 anos, comparado com a placa,

previsto em 25 anos e possuindo elevado custo de manutenção para garantir o seu bom

funcionamento com eficiência e além disto o ciclo de recarga é comprometido pelas intempéries

do local de instalação. A eficiência global do sistema fotovoltaico está estimada em 25% para

projetos sem banco de baterias.

1.3.2 Ferramentas computacionais

Para análise do grande volume de amostras para irradiação solar, consumo e demanda

média do campus universitário faz-se necessário o uso de ferramentas como MATLAB e Excel.

No tratamento inicial dos dados o Excel apresenta interface mais amigável e intuitiva,

facilitando o trabalho na filtragem de dados espúrios e organização. Já para os cálculos

matemáticos que envolvem matrizes, operações cíclicas e plotagem de gráficos o MATLAB se

mostra ferramenta poderosa e mais adequada para a necessidade.

2 Alexandre Edmond Becquerel descobriu o efeito fotovoltaico, aos 19 anos, enquanto fazia experimentos no laboratório de seu pai, ele inseriu cloreto de prata numa solução ácida e observou que quando exposta à luz do sol, uma corrente elétrica era gerada. 3 Albert Einstein, explica o fenômeno observado por Becquerel, A.L., o que denominou efeito fotoelétrico, e por esse motivo, ele foi laureado com o Prêmio Nobel de Física em 1921.


19

1.4 Estrutura do Trabalho

O capítulo 2 apresenta os conceitos essenciais para melhor compreensão deste trabalho,

já no capitulo 3 é mostrado os dados utilizados e suas fontes. O detalhamento da metodologia

será abordado no capitulo 4, com apresentação do propósito do algoritmo. O estudo de

viabilidade técnica e o dimensionamento da usina da fotovoltaica é realizado no capitulo 5.

A análise financeira é discorrida no capitulo 6, composta pelo desenvolvimento do custo

de implantação e tempo de retorno do investimento. No capítulo 7 os resultados são discutidos

juntamente com o projeto executivo e propostas de implantação.

Finalmente, o capitulo 8 contém as conclusões e sugestões para trabalhos futuros.


20

2 Conceitos Preliminares

A apresentação de conceitos essenciais para a compreensão do desenvolvimento deste

trabalho e tomadas de decisões ao longo do presente estudo são apresentados a fim

contextualizar o uso sistema fotovoltaico.

Roger A. Messenger e Jerry Ventre [1] em seu livro “Photovoltaic Systems Engineering.

3. ed. Florida: Boca Raton: CRC Press, 2010” descrevem a geração de energia pelo efeito

fotovoltaico aos mínimos detalhes, porém, o que chama a atenção a priori é a evolução do custo

por watt desta tecnologia que partiu dos US$ 50/W em 1977 e ficando abaixo US$ 3/W em

2007.

No Brasil programas governamentais como o “Luz para Todos”, vem democratizando

o acesso à energia elétrica, desde 2003 (MME). Por exemplo, em áreas onde as linhas de

transmissão não alcançam, o programa implanta pequenos centros de geração fotovoltaico para

atender as cargas locais.

Atualmente a tecnologia fotovoltaica está recebendo cada vez mais investimentos em

pesquisa da iniciativa privada e as otimizações são cada vez mais impactantes. Este constante

investimento e programas sociais que proporcionam acesso à energia elétrica adota cada vez

mais a tecnologia fotovoltaica como uma alternativa plausível para geração de energia elétrica,

pois agrega a versatilidade da GD (geração distribuída) e sustentabilidade, por ser uma fonte de

energia renovável.

2.1 Energia Solar

A Terra gira em uma órbita elíptica em torno do Sol, o qual está situado em um dos

focos da elipse. A distância (d) entre eles pode ser descrita em km em função dos dias do ano

com � = 1, sendo o primeiro dia de janeiro da seguinte forma:

= 1,5 ∗ 10! ∗ "1 + 0,017 ∗ %&� '()*+,-.(/(.* 023456 Eq. 1

O eixo de rotação da terra está inclinado de 23,45° no plano translacional, mostrada na

Figura 1, o que torna os dias mais longos no verão, tendo sua máxima duração no dia 21 de

dezembro e mais curtos no inverno, com menor duração no dia 21 de junho, para todos no

hemisfério sul, que é ilustrado nas Figuras 2 e 3. Sendo a latitude um intensificador, ou seja, o

Sol fica mais alto no verão quando se caminha em direção de latitudes maiores.


21

Figura 1 - Inclinação da Terra

Fonte: https://professordanielgeo.wordpress.com/2014/03/24/gabarito-comentado-do-teste/

Figura 2 – Translação da Terra e estações do ano

Fonte: http://www.geografiaparatodos.com.br/

Figura 3 - Variação do dia x Estação do ano no hemisfério sul

Fonte http://dx.doi.org/10.1590/1806-9126-rbef-2016-0301


22

Estes efeitos quando associados ao relevo, composição atmosférica, altitude e latitude

servem para criar modelos teóricos para quantizar a irradiação direta e a difusa. Na Figura 4 os

principais processos de interação da radiação solar e da radiação térmica no sistema Atmosfera-

Terra são representados de forma simplificada, onde os valores numéricos representam a fração

de energia em cada processo radiativo na atmosfera e modificado a partir do modelo elaborado

por Gambi4[5].

Figura 4 - Diagrama simbólico dos processos de interação da radiação solar com a atmosfera terrestre.

Fonte: Atlas de irradiação solar do Brasil – 2ª. versão para irradiação global derivada de satélite e validada na

superfície. Brasília: Instituto Nacional de Meteorologia, 1998

Entretanto, como exposto na introdução este trabalho utiliza dados reais, dado a

possibilidade de acesso aos dados de irradiação direta da estação meteorológica localizado no

campus.

O processo de radiação solar ocorre através da emissão de ondas eletromagnéticas

devido a fissão nuclear ocorrida no Sol, que basicamente gera energia com o decaimento da sua

massa. Estima-se que o Sol em 1 hora é capaz de suprir 1 ano das necessidades energéticas da

Terra [1]. A energia irradiada percorre cerca de 150 milhões de quilômetros, considerando as

perdas no caminho, a atmosfera terrestre recebe 1.367 W/m² que comumente é referido como

constante solar. Outro meio de se expressar irradiação é por [psh] (peak sun hours) este método

é embasado na integração da irradiação média diária e calculado quantas horas esta integral

sustenta 1,0 [kW/m²].

4 Waldegino Gambi de Almeida, em sua tese de mestrado, com o título avaliação de um modelo físico estimador de irradiância solar baseado em satélites geoestacionários, implementa e otimiza o modelo estimador BRAZILSR e avaliando as potencialidades e limitações.


23

2.2 Painel Fotovoltaico

A conversão de energia contida nos fótons de luz em energia elétrica é denominada

efeito fotovoltaico, os materiais capazes de efetuar esta conversão são denominados materiais

fotovoltaicos.

2.2.1 História da tecnologia fotovoltaica

Fótons com comprimento de onda curto e possuindo uma quantidade de energia

suficiente conseguem remover elétrons de um material fotovoltaico, este fato é básico no

desenvolvimento dos geradores fotovoltaicos. A seguir são apresentados os principais marcos

históricos no desenvolvimento dos materiais fotovoltaicos.

2.2.1.1 Marcos históricos

1839 – Edmund Becquerel, físico francês, descobriu o efeito fotovoltaico, observando

que a energia elétrica disponível entre dois eletrodos metálicos submersos em uma solução

eletrolítica aumentava quando a solução era exposta à luz.

1873 – Willoung Smith descobre a fotocondutividade do selênio.

1877 – W.G. Adams e R.E. Day observaram o efeito fotovoltaico no selênio sólido e

constroem a primeira célula de selênio.

1904 – Albert Einstein publica seu trabalho sobre o efeito fotovoltaico.

1921 – Albert Einstein ganha o premio Nobel por suas teorias explicando o efeito

fotovoltaico.

1923 – Czochralski iniciou o desenvolvimento para obtenção de cristais perfeitos de

silício.

1951 – O desenvolvimento da junção P-N possibilitou a produção de uma célula de

germânio monocristalino.

1954 – Os pesquisadores dos laboratórios Bell, D.M. Chapin, C.S. Fuller, e G.L. Pearson

publicaram os resultados de seus descobrimentos, células solares com eficiências em torno de

4,5%.

1958 – Foi feita a primeira aplicação prática de um sistema fotovoltaico, o satélite

artificial Vanguard I foi alimentado parcialmente com energia fotovoltaica.

1962 – No Japão instalou-se um sistema fotovoltaico de 242 W em um farol.


24

1974 a 1977 – Foram criadas as primeiras companhias de energia solar. The Lewis

Reaserch Center da NASA (L e RC) fez as primeiras aplicações para atendimento de locais

isolados. Neste período a potência instalada superou 500 kW, células com eficiência de 15,2%.

1978 – O “L-RC” da NASA instalou um sistema fotovoltaico de 3,5 kWp na reserva

indígena Papago (Arizona). Foi utilizado para bombear água e abastecer quinze casas,

atendendo: iluminação, bombeamento de água, refrigeração e lavanderia. O sistema foi

utilizado até a chegada de linhas de transmissão de eletricidade em 1983 e a partir daí o sistema

passou a ser utilizado exclusivamente para bombeamento de água.

1980 – A partir dos anos oitenta conseguiu-se melhorias significativas na eficiência das

células fotovoltaicas, conforme mostrado na Figura 5.

1992 – As células fotovoltaicas, do tipo Metal Insulator Semicondutor (MIS) atingiram

eficiência de 24% .

1998 – As células fotovoltaicas, do tipo Silício Monocristalino, chegam a 24,7% de

eficiência.

2005 – A produção anual de fotovoltaicos atingiu 3 GWp.

2007 – A produção anual de fotovoltaicos atingiu 4,3 GWp.

2010 – A produção anual de fotovoltaicos atingiu 24 GWp.

2012 – A produção anual de fotovoltaicos ultrapassa 36 GWp.

2015 – A produção anual de fotovoltaicos ultrapassa 227 GWp.

Figura 5 - Evolução da eficiência dos fotovoltaicos

Fonte: Adaptado de National Center for Photovoltaics (www.nrel.gov/pv/) – 2003


25

2.2.2 Aspectos Construtivos do painel fotovoltaico

Os painéis são constituídos da associação de células fotovoltaicas que utilizam o

princípio descrito no item 1.3.1, sendo que cada célula é capaz de gerar menos de 5 W à

aproximadamente 0,6 V em tensão continua (CC).

2.2.2.1 Célula fotovoltaica genérica

Ao expor a junção semicondutora PN à luz solar, fótons são absorvidos e formam pares

de “lacuna-elétron”. As cargas se movimentarão nas vizinhanças da junção, sob o efeito do

campo elétrico da região de depleção, ficando da seguinte forma:

a) As lacunas são forçadas a ir para a região P;

b) Os elétrons são forçados a ir para a região N.

Ocorrendo o acúmulo de lacunas na região P e de elétrons na região N, proporcionando

a criação de uma tensão elétrica, e assim circular corrente elétrica para uma carga externa,

conforme ilustrado na Figura 6.

Figura 6 - Célula fotovoltaica genérica

Fontes: MASTERS, G.M.; Renewable and Efficient Electric Power Systems, 2004


26

2.2.2.2 Circuitos equivalentes das células fotovoltaicas

A célula fotovoltaica pode ser representada por um circuito equivalente, sendo uma

fonte de corrente resultante da conversão solar em paralelo com um diodo real. Existem duas

situações de particular interesse nos elementos fotovoltaicos reais e seus circuitos equivalentes,

conforme descrito a seguir:

a) A corrente que flui quando os terminais são colocados em curto (ISC);

b) A tensão em circuito aberto (VOC).

O circuito equivalente da fonte de corrente em paralelo com um diodo é mostrado na

Figura 7 e as correntes e tensões com os terminais em curto e em aberto na Figura 8.

Figura 7 - Circuito equivalente da célula fotovoltaica

Fonte: MASTERS, G.M., Renewable and Efficient Electric Power Systems, 2004

Figura 8 - Parâmetros importantes para as células FV; a) corrente de curto circuito ISC e b) tensão em circuito aberto VOC


Das representações acima, e considerando a temperatura de 25°C, obtém-se:

( )38,90 1dV

scI I I e⋅

= − − [A] Eq. 2

00,0257 ln 1sc

oc

IV

I

= ⋅ + [V] Eq. 3


27

Analisando as equações tem-se que a corrente de curto-circuito é diretamente

proporcional a irradiância, isto significa, que se pode traçar as curvas de tensão e corrente em

função da intensidade da luz solar incidente, dado as duas situações extremas mostradas na

Figura 9 e 10.

Figura 9 - Variação da corrente em uma célula FV com a luminosidade


Figura 10 - Variação da corrente e tensão em uma célula FV em função da irradiação solar


Diante do constatado na análise realizada, pode se inferir que a tensão elétrica é

aproximadamente 0,6 V e que duas células conectadas em série, terá a corrente elétrica cessada

na ocorrência parcial de sombra, confirme ilustrado na Figura 11.


28

Figura 11 - Duas células ligadas em série (circuito equivalente simplificado)


Havendo sombra na célula 1 e a célula 2 iluminada, a corrente cessa para a carga.

A célula real apresenta perdas, que são representadas por uma resistência em paralelo

com o diodo (Rp), além de uma resistência série (Rs) para que o modelo represente o diodo real,

conforme a Figura 12.

Para que Rp cause uma perda menor que 1% deve-se usar a relação a seguir:

Rp > 100 * Voc / Isc

Para que Rs cause uma perda < 1% deve-se usar a relação a seguir:

Rs < 0,01 * Voc / Isc

As equações para a célula completa, ficam:

( )38,90 1dV d

scp

VI I I e

R⋅

= − − −

[A] Eq. 4

oc d sV V I R= − ⋅ [V] Eq. 5

Figura 12 - Circuito equivalente completo com Rp e Rs



29

2.2.2.3 Associação de células em série

A tensão nos terminais da célula fotovoltaica sendo em torno de 0,6 [V], como mostrado

anteriormente, e adotando-se este valor como padrão. Na associação de células em série a tensão

terminal é o somatório da tensão de cada célula, como mostrado na Figura 13 e equação 6.

Figura 13 - Associação de células em série

Fonte: Kam Wei Liu e Tiago Toshiro Eto

1

0,6n

i

i

V V n=

= = ⋅∑ [V] Eq. 6

Sendo n o número de células associadas em série.

2.2.2.4 Associação de células em paralelo

A corrente será composta pelo somatório das correntes de cada célula quando realizada

a associação em paralelo. Ilustrado na Figura 14 e determinado pela equação 7.

Figura 14 - Associação em paralelo


1 21

n

i n

i

I I I I I=

= = + + +∑ … [A] Eq. 7


30

2.2.2.5 Arranjos das células fotovoltaicas em módulos e painéis

As associações das células em série e em paralelo são feitas objetivando alcançar

determinado valor de potência para o módulo fotovoltaico.

Recomenda-se o uso de um diodo de by-pass colocado em paralelo com a célula para

servir de caminho alternativo para a corrente, protegendo desta forma o módulo no caso de

defeito em uma célula ou quando da ocorrência de sombreamento em uma única célula. Este

procedimento evita que a célula sombreada (com potência muito reduzida) funcione como carga

para as demais, podendo neste caso ser danificada irreversivelmente.

Outra proteção recomendada é a colocação de um diodo de bloqueio na saída do módulo

para evitar que uma corrente reversa.

Discorrido dos princípios de funcionamento da célula fotovoltaica, circuitos básicos

para funcionamento e proteção, tem-se o dispositivo comercialmente produzido: painéis

fotovoltaicos, estes por sua vez são a unidade de dimensionamento do sistema fotovoltaico. A

seguir na Figura 15 é ilustrado a formação desde da célula, painel e arranjo de painéis, na Figura

16 é mostrado alguns painéis disponíveis no mercado.

Figura 15 – Formação de painel e arranjo de painéis



31

Figura 16 – Módulo fotovoltaico

Fonte: http://www.sssolar.com.br – representante Solar World no Brasil

Desta forma cada módulo ou placa é capaz de produzir em torno de 300 W, variando de

acordo com a aplicação e fabricante.

A carga em geral não está casada com a geração, em tensão e corrente, assim outros

arranjos são possíveis: carga recebe a tensão e corrente necessária de um banco de baterias

através de um controlador, o controlador recebe energia de um banco e outro meio de cogeração

e em seguida alimentando a carga, o painel fotovoltaico conectado a inversor e conectado à rede

de distribuição.

Conforme citado, a proposta de usina fotovoltaica deste trabalho foca em utilizar o

sistema sem banco de baterias, conforme ilustrado na Figura 17.

Figura 17 – Configuração do sistema fotovoltaico sem banco de baterias



32

O material semicondutor que constitui as células tem sua condutibilidade influenciada

pela temperatura, ou seja, o aumento de temperatura prejudica a formação dos caminhos para a

corrente elétrica fluir, proporcionando diminuição da tensão elétrica, que por sua vez traduz-se

em diminuição da potência elétrica da placa. A tensão elétrica de circuito aberto do Silício cai,

aproximadamente, 2,3 mV/°C. Os estudos tecnológicos visam aumentar a potência de saída das

células fotovoltaica através da maximização do Fill Factor (FF) que se pela maximização da

foto-corrente e a corrente de saturação reversa do semicondutor, enquanto se diminui a

resistência série e aumento da resistência shunt.

Deste forma os fabricantes tem produzidos painéis que possibilitem a maximização da

eficiência dos módulos fotovoltaicos sob as condições ambientais adversas, a seguir na Figura

18 tem-se o data-sheet de um fabricante.

Figura 18 – Características nominais do módulo fotovoltaico

Fonte: http://www.sssolar.com.br – representante Solar World no Brasil

2.2.3 Orientação do painel fotovoltaico

A convenção para quem se situa no hemisfério sul é de orientar os painéis para o norte,

com um ângulo Ψ igual a latitude ou numa faixa de 15� para mais ou para menos, sendo o

primeiro priorizando gerar mais energia no inverno em detrimento do verão, e o segundo o

oposto, conforme ilustrado na Figura 19. Valendo ressaltar que as afirmações diametralmente

opostas para quem se situa no hemisfério norte são verdadeiras, pois o raciocínio é o mesmo.


33

Figura 19 – Orientação e inclinação da placa fotovoltaica conforme a latitude


Um caso especial seria a orientação para o oeste. Este tipo de orientação visa transladar

para a direita o ponto de geração máxima da curva de irradiação direta, gerando 71,4% a mais

no seu pico do que no mesmo horário da orientação tradicional, ao custo de gerar 14,89% do

que o sistema tradicional ao longo de um ano.

2.3 Conversão de Energia CC/CA

Para uso da energia elétrica gerada pelos painéis fotovoltaicos faz-se necessário a

conversão de tensão contínua para tensão alternada, o que nos remete ao uso de inversores.

Os inversores encontrados no mercado são encontrados desde pequenas potências até

potências elevadas, em torno de 1 kVA a 3.000 kVA, operando em tensões de saída

127/220/380/440/550 V, assim atendendo uma vasta gama de cargas. Na Figura 20 é mostrado

estes equipamentos.

Figura 20 – Modelos e porte de inversores

Fonte: http://www.weg.net/catalog/weg/BR/pt/search?text=fotovoltaico


34

Este equipamento que se utiliza da eletrônica de potência, pode ser apresentado em 3

tipos:

• Onda quadrada

• Onda senoidal modificada

• PWM (Pulse Width Modulated)

2.3.1 Onda quadrada

O tipo mais simples de inversor, basicamente alterna entre os valores de tensão positivo

e negativo na frequência desejada, sendo frequentemente associado a transformadores, com o

emprego de MOSFETs. Este tipo de inversor possui distorção harmônica total (THD) elevada.

2.3.2 Onda senoidal modificada

Este tipo de inversor é uma ponte H em multinível, que utiliza transistor MOS ou SCRs,

no quesito de distorção harmônica é menor e sua potência de saída é menor, quando comparado

com a onda quadrada.

2.3.3 PWM

Através do emprego dos transistores IGBT ou MOSFET em ponte o inversor utiliza o

chaveamento de tensão na carga, com a razão cíclica apropriada, assim a saída se aproximará

do nível de tensão desejado. A forma de onda é controlada pela sucessão dos pulsos, a amplitude

através do controle do ciclo de trabalho e a frequência pela repetição dos pulsos sucessivos.

Uma das grandes aplicações da técnica PWM no controle de motores AC, através da frequência

de excitação do motor. O THD deste tipo de inversor é menor de 5%.


35

3 Aquisição dos Dados Conforme pontuado nos capítulos anteriores serão utilizados dados meteorológicos, de

consumo e demanda de energia elétrica obtidos e medições reais. Nos tópicos a seguir será

apresentado as formas de aquisição dos dados.

3.1 Dados Meteorológicos

O monitoramento das condições ambientais do campus universitário é uma das

atividades realizadas pelo IRN, através da estação meteorológica instalada no campus,

conforme a Figura 21.

Figura 21- Estação meteorológica do campus Unifei


A instrumentação utilizada é a Davis Vantage Pro2, que possui diversas

instrumentações para medição das mais diversas grandezas atmosféricas, tais como:

temperatura, umidade, velocidade do vento direção do vento pluviometria e irradiação solar,

sendo mostrado na Figura 22 e evidenciado os sensores responsáveis pela medição da irradiação

solar.

Figura 22 - Equipamento de medição da irradiação solar

Fonte: https://www.davisnet.com/solution/vantage-pro2/ (modificado)


36

As medidas utilizadas neste trabalho são apenas de irradiação solar direta, que é

realizada à taxa média de uma amostra a cada 10 minutos. As ondas irradiadas pelo Sol ocupam

uma grande variedade de comprimento de onda, sendo divididas em ultravioleta, visível e

infravermelha, dessas faixas tem-se que o infravermelho é absorvido pela atmosfera e a maior

parte do ultravioleta é convertido em energia.

O funcionamento da estação meteorológica iniciou-se em meados de 2012,

disponibilizando banco de dados composto por, aproximadamente, 262.800 amostras. A Figura

23, mostra as medições obtidas durante um dia.

Figura 23- Amostragem da insolação solar diária



37

3.2 Consumo Energético

O departamento de engenharia da prefeitura do campus universitário realiza o

monitoramento do consumo e demanda da energia elétrica.

Inicialmente em 2011, o monitoramento era apenas o fator de potência, consumo e

demanda globais. Devido a expansão da infraestrutura do campus iniciou-se o monitoramento

de cada instituto separadamente, possibilitando o melhor controle da demanda a fim de não

ultrapassar a demanda contratual junto a concessionária Cemig.

O banco de dados da demanda energética possui, aproximadamente, 210.240 amostras,

obtidas na taxa de uma leitura a cada 15 minutos. A Figura 24, mostra a monitoramento da

demanda mensal.

Figura 24 - Demanda energética mensal - outubro de 2014



38

3.3 Dados de Consumo – Contas de Energia Elétrica

O cerne deste trabalho é a análise de um projeto benéfico para à instituição, desta forma

é apresentado na Tabela o cenário atual das contas de luz está disposto na Tabela 2, que será

utilizada como base para o cálculo da viabilidade econômica no Capítulo 5.

Tabela 2 – Relatório de contas de energia elétrica

DADOS PARA RELATÓRIO DE GESTÃO TCU

CEMIG Distribuição S.A

2015 2016

MÊS kWh VALOR MENSAL kWh VALOR MENSAL

JAN 185.643 R$ 72.445,00 179.843 R$ 96.682,63

FEV 179.135 R$ 74.549,44 201.593 R$ 104.308,37

MAR 219.743 R$ 121.492,70 257.440 R$ 133.407,90

ABR 209.067 R$ 111.015,95 245.547 R$ 127.527,96

MAI 195.996 R$ 107.398,42 220.131 R$ 118.281,96

JUN 182.922 R$ 105.790,55 219.467 R$ 122.425,85

JUL 173.967 R$ 100.511,75 183.812 R$ 101.958,42

AGO 201.826 R$ 117.283,79 213.500 R$ 116.661,45

SET 216.472 R$ 122.977,20 222.899 R$ 122.596,76

OUT 234.393 R$ 132.906,98 242.442 R$ 130.940,16

NOV 235.870 R$ 127.335,55 226.126 R$ 119.006,90

DEZ 199.571 R$ 107.488,84 214.177 R$ 102.240,14

TOTAL 2.434.605 R$ 1.301.196,17 2.626.977 R$ 1.396.038,50

Fonte: Dados da prefeitura do campus Unifei Itajubá

Ressaltando que os valores sofrem alterações conforme as tarifações por bandeira:

verde, amarela, vermelha, o que significa, que pode haver consumos da mesma quantidade de

energia elétrica e valores mensais faturados diferentes.

O histórico de consumo normalizado para 2015 é mostrado na Figura 25, ficando

evidente o crescimento consumo energético do campus nos últimos anos e a necessidade de

ações afim de minimizar a necessidade de alterações de contrato junto a Cemig. Ressaltando

que tais alterações contratuais buscaria o aumento da demanda contratada, o que se traduz em

aumento de custos. Estes dados são importantes na determinação do número de placas, pois


39

aponta para um crescimento da carga instalada e assim tornando o fornecimento via

concessionária cada vez mais limitado.

Devido algumas ações de modernização e sistemas mais econômicos, por exemplo

substituição das lâmpadas fluorescentes e vapor de sódio por lâmpadas LED, houve uma

redução na velocidade de aumento da carga no último ano, o que não se traduz em redução da

carga. Desta forma está sendo considerado uma taxa de crescimento da carga instalada em 5%

ao ano.

Figura 25 – Consumo energia elétrica normalizado pelo ano de 2015



40

4 Tratamento dos Dados e Ferramentas Utilizadas Como apresentado, aos dados utilizados são compostos por elevado volume de amostras

e cada grandeza a leitura é realizada em taxas de amostragem distinta. Afim de equalizar tais

dados, neste capitulo será descrito as metodologias aplicadas através das ferramentas

computacionais empregadas, tendo assim o tratamento adequado das amostras e viabilizando

as análises.

4.1 Trabalhando os Bancos de Dados

Os bancos de dados que temos são de duas grandezas, da irradiação solar em W/m² que

estão em 144 amostras por dia e da demanda de carga em kWh/m² que estão em 96 amostras

diárias, pelo período de cinco anos. A pureza do banco de dados é a qualidade principal de

qualquer trabalho de base estatística, porque um prédio não se sustentará sem uma fundação

robusta e resiliente. Devido a este fato, será expurgado todo e qualquer dado que apresente

alguma anomalia, ou seja, caso apresente alguma falha, seja porque o aparelho não mediu

alguma amostra do dia, ou porque mediu com erros grosseiros, todas as amostras deste dia

devem ser eliminadas, de forma a preservar ao máximo a qualidade destes bancos.

Os dados de irradiação, após serem refinados via Excel, foram separados por mês e

depois adquiridos pelo MATLAB e trabalhados em dois loops, um para cada mês e outro para

cada ano. Tendo organizado os dados o programa irá automaticamente separar os dias em

colunas e contar o número de colunas para receber o número de dias.

4.2 Confluência dos Bancos de Dados

Neste será discorrido o processo realizado para o casamento dos dados, a fim de

viabilizar as operações matriciais do MATLAB. Por simplicidade adotou-se que quando, dentro

de uma matriz qualquer 8�9�, o índice subscrito k de uma amostra qualquer dessa matriz é o

tempo em minutos desta amostra (e.g.: 5:,: =5;).

O procedimento adotado para fazer o pareamento do número de amostras é bem simples

e intuitivo. Tomou se a decisão pela conversão dos dados da estação meteorológica de 144 para

96 amostras, desta forma o programa identifica o dado que vai entrar em cada índice do vetor,

faz as substituições para cada posição e repete para todos os dias.

As matrizes a seguir ilustram com clareza como o algoritmo faz esta conversão.


41

3<6.)=: = 3�>�:*�(>�?*�)> … �AB.)∗:*6C Eq. 8

3D6:??=: = 3E>E:>EF>E(>E?>E*>E)>… . EAB:??∗:>6C Eq. 9

3D6:??=: → 3�6.)=: Eq. 10

3�6.)=: = "E> IJKLIMKF E(> INKLIOKF E)>…EAB:??∗:>2C

Eq. 11

As linhas de comando escolhidas para fazer esse procedimento no MATLAB foram

primeiro ler o arquivo .xlsx e armazenar num vetor coluna, reshape para as dimensões 3 por

48, em seguida transpor essa nova matriz, criando uma quarta coluna com zeros, realizar a

média aritmética entre a segunda e terceira coluna e salvar o seu resultado na quarta coluna,

substituindo a quarta coluna na segunda, apagou-se a terceira e quarta coluna, novamente

transpôs a matriz e por fim dar reshape para 96 por 1.

3�6:??=: → 3�6?!=( Eq. 12

3�6?!=( =PQQQRE> E:> EF>E(> E?> E*>E)>⋮

E:?F>

ET>⋮

E:?(>

E!>⋮

E:??>UVVVW Eq. 13

3�6?!=? =PQQQRE>E(>E)>⋮

E:?F>

E:>E?>ET>⋮

E:?(>

EF>E*>E!>⋮

E:??>

000⋮0

UVVVW Eq. 14

[ ]

10 20

40 50

70 80

1430 1440

0 10 20 2

30 40 50 2

48 4 60 70 80 2

1420 1430 1440 2

y y

y y

y y

x

y y

y y y

y y y

G y y y

y y y

+

+

+

+

=

⋮ ⋮ ⋮ ⋮

Eq. 15


42

[ ]

10 20 10 20

40 50 40 50

70 80 70 80

1430 1440 1430 1440

0 202 2

30 502 2

48 4 60 802 2

1420 14402 2

y y y y

y y y y

y y y y

x

y y y y

y y

y y

G y y

y y

+ +

+ +

+ +

+ +

=

⋮ ⋮ ⋮ ⋮

Eq. 16

Apagando a quarta coluna, vem:

[ ]

10 20

40 50

70 80

1430 1440

0 202

30 502

48 4 60 802

1420 14402

y y

y y

y y

x

y y

y y

y y

G y y

y y

+

+

+

+

=

⋮ ⋮ ⋮

Eq. 17

Apagando a terceira coluna, vem:

[ ]

10 20

40 50

70 80

1430 1440

0 2

30 2

48 4 60 2

1420 2

y y

y y

y y

x

y y

y

y

G y

y

+

+

+

+

=

⋮ ⋮

Eq. 18

Finalmente:

3�6.)=: = "E> +IJKLIMK/F E(> +INKLIOK/F E)> +y70+y80/2 ⋯E:?F> +y1430+y1440/2 2C Eq. 19

Com os bancos de dados trabalhando na mesma amostragem e sincronizados se torna

possível e com significado real as operações que iremos fazer a diante, para estimar a

quantidade de energia gerada, bem como o consumo final.

4.2.1 Do coeficiente de sombra

O conceito do coeficiente de sombra é explicado extensamente no livro “Photovoltaic

Systems Engineering” de Roger A. Messenger [1], tem aplicação semelhante ao fator de

utilização de instalações elétricas. No programa desenvolvido este conceito foi implementado

com base na vizinhança das amostras, como a irradiação solar é zero a partir das 17 horas até

as 5 horas da manhã do dia seguinte, dependendo da época do ano.


43

Utilizou-se os 2 pontos que cercam a amostra de cada dia, calculando-se a magnitude

da variação entre as duas amostras e por uma interpolação linear inferiu-se o ponto entre elas e

utilizando a magnitude da variação para inferir uma região onde o ponto central medido deve

estar, caso esteja fora desta margem, o contador de sombras irá receber o incremento de uma

unidade.

No final de cada mês o contador divide o número de incrementos pela quantidade de

dias analisados multiplicados pelo número de amostras diárias. O coeficiente de sombra vai de

encontro com os dados fornecidos pela literatura, com leve variação anual, mostrando a

robustez dos dados e metodologias utilizadas neste trabalho.

A figura 26, apresenta uma amostragem de sete dias do mês de janeiro de 2015, nos

eixos das abcissas refere-se ao número da amostra diária e no eixo das ordenadas o módulo da

irradiação solar em kWh/m².

Figura 26 - Irradiação solar de uma semana de janeiro de 2015


4.2.2 Curva de Permanência

O método da curva de permanência é vastamente utilizado no projeto de hidroelétricas,

este conceito estatístico representa a distribuição de frequências acumuladas de vazão, ou seja,

a probabilidade da vazão ser igualada ou superada. Utilizado de forma análoga para o sistema

fotovoltaico, este conceito traz respostas interessantes para perguntas que nem sempre são

levantadas. Como se pode esperar a grandeza que normalmente era a vazão do rio se

transformou em irradiação solar.

No eixo das ordenadas é a integral da irradiação solar, em kWh/m².dia, no eixo das

abcissas a probabilidade desta magnitude ser superada, ou seja, o método de implementação é


44

da seguinte forma: uma variável armazena o valor da integral da irradiação solar,

incrementando sua posição unitariamente para cada dia, depois é feito a ordenação deste vetor

do maior para o menor criando-se o � = ��çã�,�^�A��,_��,úa��_� e para cada valor deste vetor

com as integrais, outro vetor que varia de zero até 1, em passos de �. Graficamente obtendo-

se a curva mostrada na Figura 27.

A energia gerada por metro quadrado será o rendimento multiplicado por esta curva.

Figura 27 – Curva de Permanência


Existe a sazonalidade da irradiação solar, variando consideravelmente quando se

compara o menor dia do inverno com o dia mais longo do verão, assim como, tem-se com o

período chuvoso, a estiagem das hidroelétricas, como não há uma forma de armazenar esta

energia, este gráfico será fundamental para agregar confiabilidade ao projeto. Escolhido o

número de pico de horas solares (psk – “peak sun hours”) juntamente com número de placas

solares possibilitará inferir a duração de alimentação da carga com a geração solar.

Acreditando-se que este valor esteja na faixa entre o valor do coeficiente de sombra, 0,95, até

o caso mais extremo, que é a unidade menos a proporção na qual a insolação é reduzida e não

há a carga, ou seja, no período de férias de inverno.

Com base nos dados da carga, que será apresentado, observa-se que a carga reduz

drasticamente durante as 8 semanas do solstício de inverno, uma das razões que fundamentam

essa afirmação são as férias e a morosidade para o consumo a plena carga. Inferindo-se que a

mínima probabilidade esperada seja, conforme a equação 20, a seguir.

� = 1 − !∗T(** = 84,22% Eq. 20


45

4.2.3 Média da irradiação solar mensal

Dos cinco anos de medições apenas três anos possuem medições completas, o que

possibilita análise anual. A plotagem, mostrada na Figura 28, reafirma o perfil de sazonalidade

da irradiação solar previsto na análise preliminar.

Figura 28 - Análise anual da sazonalidade da irradiação solar


4.2.4 Meio dia Solar

Um indicador de confiabilidade é meio solar, que indica o quanto o pico solar está na

faixa horaria ideal, ou seja, em torno das 12 horas com variância de 30 minutos.

Para determinar as amostras foi realizada uma média de 7 dias consecutivos por amostra,

durante os vários anos de análise. Conforme mostrado na Figura 29 a variância é muito acima

do esperado devido ao alto índice de ruído associado aos meses chuvosos.

Figura 29 - Distribuição do meio dia solar semanal



46

Um filtro adicional foi implementado afim de eliminar a possibilidade de um pico solar

das 14h às 10h, reforçando a hipótese da existência de ruídos nas amostras. A Figura 30 ilustra

qualitativamente as perturbações.

Figura 30 - Insolação diária medida


Como notado nos exemplos mostrados as amostras possuem alto nível de ruídos.

De forma a ilustrar o esperado na aplicação do filtro realizou-se a filtragem

manualmente, mostrando nas figuras 31 e 32 de forma qualitativa o resultado esperado, sendo

a primeira de um mês chuvoso a outra de um mês seco.

Figura 31 – Irradiação solar diária com filtragem manual – mês chuvoso



47

Figura 32 - Irradiação solar diária com filtragem manual – mês seco


Por exemplo, pode-se utilizar o filtro de Kalman busca de preservar a forma gaussiana

de distribuição da curva. Contudo o foco deste trabalho não é sobre a previsão do tempo e sim

projetar com confiabilidade a usina fotovoltaica, devendo assim ser preservado o maior volume

de dados, pois não são medições com erros grosseiros.

Analisando a média mensal é possível inferir que os ruídos são minimizados na subida

e descida da função irradiação solar, mantendo se presente nos horários próximo ao meio dia

solar, conforme mostrado na figura 33.

Figura 33 - Média mensal da irradiação solar



48

A curva apresentada na Figura 33 tem o pico deslocado levemente para a direita ou

esquerda, conforme a estação do ano, bem como o valor da sua magnitude, que varia em função

da distância entre a Terra e o Sol, tendo o seu valor máximo em dezembro e mínimo em julho.

O ângulo entre o eixo de rotação da Terra e o vetor distância entre a Terra e o Sol, altera

os horários do disparo da curva.

4.2.5 Da confluência entre os dados de irradiação e consumo

Eliminado os erros de medição e utilizando-se o Excel os dados foram organizados e

posteriormente calculado e plotados.

• Máxima mensal do consumo: máximo das máximas diárias.

• Média mensal do consumo: média dos dias com carga normal.

• Consumo mínimo: média dos dias com carga reduzida dias (recesso).

• Consumo máximo final: Diferença entre a carga máxima e a geração.

• Consumo médio final: Diferença entre a carga média e a geração.

As Figuras 34 e 35 se referem aos meses de junho e novembro por serem o os meses

críticos, apresentando geração reduzida com carga normal e geração elevada com elevação do

consumo, respectivamente.

Nesta simulação utilizou-se informações, como quantidade de placas, números de

inversores, áreas ocupadas, que serão detalhadas no próximo capitulo.

Figura 34 - Consumo x geração – junho de 2015



49

Figura 35 - Consumo x geração – novembro de 2015


Como notado nas Figuras 34 e 35 ocorre o saldo negativo de energia elétrica, o que se

traduz como energia gerada e não consumida, por tratar-se de um equacionamento de geração

versus consumo simplificado, onde não é considerado o processo de controle de geração,

desacoplando módulos, já que a usina fotovoltaica proposta não ser dotada de banco de baterias.


50

5 Estudo de Viabilidade Técnica e Financeira Afim de determinar o rumo do projeto é necessário que sejam atendidos premissas

técnicas e financeiras.

Desta forma o estudo de viabilidade técnica deve equalizar as condições do local de

implantação e carga a ser atendida, já a viabilidade financeira deve traçar o melhor caminho

para investimento. O casamento destes dois estudos deverá trazer o melhor custo benefício,

através do payback.

5.1 Estudo de Viabilidade Técnica

Para viabilizar a instalação deste sistema é fundamental calcular o número de placas e,

por consequência, a área ocupada, para então comparar com a área de telhado disponível.

5.1.1 Determinação da quantidade de placas

Da confluência dos dois bancos de dados através do gráfico de consumo versus geração

e utilizando-se um processo misto e iterativo entre Matlab e Excel, para obter-se a quantidade

de placas necessárias para o sistema.

O rendimento global do sistema de geração fotovoltaico foi estimado em 20%, o que é

conservativo, dado que o rendimento máximo obtido em condições ideais é de 25% a 30%.

Para obter área ocupada pelas placas em metros quadrados (m²) considerou-se o valor

base de 2400 m², e em seguida multiplicando um K ainda a ser determinado, a diferença entre

o consumo e geração e armazenado a soma das 12 diferenças para vários valores de K, como o

foco deste trabalho é zerar o consumo de energia ativa com base anual, o K que proporcionar o

saldo igual a zero é o valor de interesse.

�&deçãf = Κ ∗ 2400 ∗ � ∗ �dde heçãf Eq. 21

�ei f&�&djélhmf = ∑ �&deçãf� − of�%p5f� = 0:F

�B: Eq. 22

∑ �&deçãf� = ∑ of�%p5f� :F

�B: :F�B: Eq. 23

Por análise gráfica foi determinado um K de 3,1775 com 2015 sendo o ano base,

conforme mostrado na Figura 36.


51

Figura 36 - Determinação do valor do K


Sendo assim são necessários:

�d&e &qieme% = 2400 ∗ 3,175 = 76205F Eq. 24

Para se determinar a orientação das placas foi usado o que é largamente difundido entre

a comunidade acadêmica, que é a orientação para o norte com a inclinação da latitude local,

que é 22°. Na questão para determinar o espaçamento entre as colunas, foi utilizado o NOAA

[8] para se determinar o ângulo zênite da altura solar, e inserindo a data do solstício de inverno

juntamente com as coordenadas da planta foi obtido o zênite de 23°45’ com essas informações

em mãos, fazer a alocação das placas se torna trivial. O layout das placas deve seguir o mostrado

na Figura 37, sendo que para telhado e lajes devem seguir o modelo da Figura 38 com utilização

de suportes, confirme a Figura 39. Havendo ainda a configuração para coberturas de

estacionamento conforme a Figura 40.

As placas adotas tem dimensões 998 mm x 1960 mm x 40 mm [largura x comprimento

x espessura], com área superficial de 1.956 m², por consequência:

� = T)F>:,.*) ≈ 3895qieme% Eq. 25

Figura 37 – Exemplo de layout de instalação das placas fotovoltaicas


-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

3,15 3,16 3,17 3,18 3,19 3,2 3,21 3,22 3,23

K


52

Figura 38 - Modelo de suporte para instalação das placas fotovoltaicas em lajes e telhados


Figura 39 – Layout modelo para instalação das placas fotovoltaica em lajes


Figura 40 - Coberturas de estacionamento com placas fotovoltaicas


A potência de pico do sistema é determinada pelo número de placas multiplicado pela

potência de pico da placa. Analisando a carga do ano de 2015 o sistema deveria possuir a

potência de 1.285 kWp, considerando placas de potência de 330 Wp. Da curva normalizada de

carga, tem-se que o ano 2016 apresenta um acréscimo médio de 7% e em 2017 até o presente

momento, 10%, entretanto a curva de 2017 está abaixo da curva de 2016, superando apenas em

1 mês do consumo. Diante de tal situação, a potência de pico do sistema é estimada em 5 %,


53

consequentemente área mínima também irá aumentar. Como mostrado na Figura 41 e equações

de 26 a 28.

Figura 41 – Geração x Consumo normalizada por 2015


�� = 1285 ∗ 1,05 = 1.3504uq Eq. 26

�d&ev_�_� = 7.620 ∗ 1,05 ≈ 8.0005F Eq. 27

�v_�_� = !.>>>:,.*) ≈ 4.090 Eq. 28

Na abordagem adotada foram analisados os gráficos de irradiação solar, procurando, nas

médias o valor de pico de 1000 W/m² dado que comercialmente a potência de pico anunciada

pelo fabricante utiliza esta irradiação solar como padrão.

Na média mensal, nenhum mês atingiu o valor de pico de interesse. Ao analisar os

gráficos mensais, dia a dia, e removendo os dias nublados. É possível afirmar que os meses de

março a agosto, ou seja, com irradiação menor que 5,5 kWh/m², não apresentam essa irradiação

sob nenhuma hipótese.

Da Figura 18, curva de permanência, infere-se que somente em 30% do ano é atingido

o valor de irradiação solar diário de 5,5 kWh/m², por consequência somente em 4 meses do ano

(de novembro a fevereiro) há possibilidade de atingir o a potência de irradicação solar de 1.000

W/m².

5.1.2 Determinação da área de ocupação

Como foi visto, a priori são necessários 7.626 m² para implementar o sistema, mas

devido ao ângulo zênite do sol, no solstício de inverno, é necessário criar um espaçamento entre

as placas, de forma que uma não faça sombra na outra.

A área projetada por placa é dada por:


54

�d&e��çã� = +0,9176 + 0,4337/ ∗ 1,92 = 2,648535F/qieme6 Eq. 29

Para 4.090 placas, vem:

�d&eA�A_v = 4.090 ∗ 2,6485 = 10.832,36535F6 Eq. 30

Os prédios de interesse para aplicação estão elencados abaixo, cada área de telhado foi

obtida da planta baixa de implantação da Unifei campus Itajubá, e verificado pelo Software

Google Earth Pro, mostrada na Tabela 3 e mostrado nas Figuras 43 e 44.

Tabela 3 – Relação de prédios para implantação do sistema fotovoltaico

Prédio Área disponível (m²) Transformador (kVA) I 6.524 500

BIM 2.278 225 Reitoria 1.504 225

B 3.390 150 X 1.1 800 150 X 1.2 727 150

M 727 150 Estacionamento – Excen 1.059,4 225

Total 17.009,4 1.775 Fonte: Dados da prefeitura do campus Unifei Itajubá

Figura 42 - Projeção da área de instalação das placas fotovoltaicas

Fonte: Google Earth, Kam Wei Liu e Tiago Toshiro Eto


55

Figura 43 - Área de ocupação para instalação das placas

Fonte: Dados da prefeitura do campus Unifei Itajubá, Kam Wei Liu e Tiago Toshiro Eto

De acordo com as simulações no MATLAB a potência de pico de 1.350 kW somente

será alcançada dos meses de outubro a fevereiro, mas o consumo mínimo campus inteiro nos

dias de recesso é de 175 kW, e estes prédios listados consomem uma porção considerável desse

valor. Considerando o consumo próprio dos prédios e que a geração de 1.000 W/m² é menor

que uma hora além das perdas distribuídas pelo sistema, é possível afirmar que os

transformadores desses prédios irão trabalhar sem sobrecarga.

Tendo os transformadores como fator limite de potência instalada vem a área

necessária para implementar a geração fotovoltaica conforme dimensionado, conforme

exposto na Tabela 4.

Tabela 4 - Relação de prédios e potências fotovoltaicas

Prédio Área disponível

(m²)

Transformador (kVA)

Ocupação do transformador

Número de placas

Área ocupada

(m²)

Fator de ocupação da área

I 6.524 500 99,00% 1.500 3.972,75 60,89% BIM 2.278 225 102,67% 700 1.853,95 81,38%

Reitoria 1.504 225 73,33% 500 1.324,25 88,05% B 3.390 150 88,00% 400 1.059,4 31,25%

X 1.1 800 150 44,00% 200 529,7 66,21% X 1.2 727 150 44,00% 200 529,7 7,86%

M 727 150 41,80% 190 503,21 6,.22% Estacionamento

- Excen 1.059,4 225 58,67% 400 1.059,4 100,00%

Total 17.009,4 1.775 76,4% 4.090 10.832,37 63,68% Fonte: Dados da prefeitura do campus Unifei Itajubá, Kam Wei Liu e Tiago Toshiro Eto


56

5.2 Estudo de Viabilidade Financeiro

Neste tópico utiliza-se o valor presente das economias e payback para determinar o

montante do investimento.

5.2.1 Custos Os valores referentes ao investimento de implantação da usina fotovoltaica podem ser

divididos em diretos, indiretos e complementares.

Os valores definidos como diretos englobam a aquisição de dos equipamentos: painel

fotovoltaico e inversores, cabos elétricos, estruturas metálicas de fixação e todos acessórios

para montagem e instalação. Somando o montante de R$ 5.573.166,50. A composição deste

pacote de equipamentos é resumido a seguir.

• 4.090 un. Painéis Fotovoltaicos de 330 Wp Policristalino;

• 41 un. Inversores de Frequência ON-GRID 33 KW Trifásico 380/220v;

• 328 un. Pares de Conector;

• 16.360 un. Clipes para fixação;

• 8.180 m. Barras para fixação;

• 16.800 m. Cabos fotovoltaicos;

• 682 un. Estruturas para fixação em laje;

Os custos indiretos que eferem-se à adequação do local, ou seja, a remoção da cobertura

metálica existentes, construção da metálica para estacionamento no Excen, adequações das

infra-estruturas elétricas para interligação do sistema PV, totalizando um montante de R$

875.136,66

Os serviços complementares são referentes a projetos, gerenciamento de resíduos,

custos administrativos e legais, no valor de R$ 322.415,158. Os valores indiretos

complementares foram elaborados com o auxílio do Engenheiro Civil Kam Wei Huang inscrito

sob o CREA-SP número: 0601254129.

Desta forma o investimento totaliza o montante de R$ 6.770.718,318, que é mostrada de forma consolidada na Tabela

Tabela 5 – Resumos do investimento do projeto

Descrição Custos Equipamentos R$ 5.573.166,50 Adequação R$ 875.136,66 Complementares R$ 322.415,16 Total R$ 6.770.718,32



57

5.2.2 Retorno do investimento

Para validar o investimento o índice utilizado será o pay back, levando em consideração

a inflação no valor de 0,833% a.m. e taxa de crescimento da tarifa de 5% a.a., utilizando-se das

ferramentas do Excel este cálculo foi realizado. Na Figura 45 pode se observar a evolução do

valor presente, sendo atingido o valor do investimento em 71 meses.

Figura 44 - Cálculo do valor presente

Fonte: Dados da prefeitura do campus Unifei Itajubá, Kam Wei Liu e Tiago Toshiro Eto

Com o projeto consolidado quanto a sua dimensão, se torna necessário o aprofundamento quanto a quantidade de peças e quais materiais serão utilizados. São eles:


58

6 Resultados e Discussão Após os bancos de dados sincronizados e amostrados na mesma frequência, obteve-se

algumas conclusões prévias sobre os bancos de dados utilizados. A dificuldade de isolar os

diferentes candidatos a modelo de carga do consumidor, observou-se que a máxima mensal tem

a mesma forma que a média. Porém a carga durante os fins de semana, feriados e dias de recesso

são praticamente constantes e os dias que os antecedem tem a mesma forma que a média, porém

com intensidade reduzida.

Devido a esta dificuldade em separar os modelos acredita-se que a robustez do sistema

está diretamente ligada à sua confiabilidade, logo usar o pior caso possível como modelo que é

a máxima de cada horário de um dia do mês analisado, a fim de garantir o funcionamento

adequado do sistema.

A carga pode ser separada em três picos de consumo, sendo eles as onze da manhã (logo

antes do almoço), as quatro da tarde (logo antes do fim de expediente), e um pico reduzido as

sete horas da noite (quando entra o turno da noite).

Como esperar ao longo do ano a curva de irradiação solar assemelha-se à curva

gaussiana e ao longo do ano ela cresce de valor máximo e dispara mais cedo quando vai em

direção aos meses do verão, e o oposto ocorre quando vai para os meses de inverno.

Conforme os meses vão passando a curva de carga infla quando vai em direção aos

meses do verão, e ocorre um leve translado para a esquerda no horário que irá dar o disparo

para o crescimento para o primeiro pico, pois a carga que o antecede é a iluminação das áreas

comuns e está automatizada na sua maior parte, e o seu desligamento depende de um sensor de

luminosidade.

6.1 Dos conceitos implementados em MATLAB

O coeficiente de sombra é um indicativo da sazonalidade inerente ao processo, os

resultados se mostraram confiáveis e próximos aos encontrados nas literaturas. Dos anos de

2013 a 2015 tem-se a Tabela 6.


59

Tabela 6 - Coeficiente de sombra JAN FEV MAR ABR MAI JUN

2013 0.9512 0.9574 0.9579 0.9639 0.9709 0.963

2014 0.9556 0.9626 0.953 0.9621 0.9655 0.974

2015 0.9686 0.9689 0.9581 0.9574 0.9608 0.9769

JUL AGO SET OUT NOV DEZ

2013 0.9814 0.9899 0.9662 0.9572 0.9568 0.9534

2014 0.9709 0.9805 0.974 0.9684 0.9543 0.9554

2015 0.9803 0.9807 0.9707 0.963 0.9498 0.9507


Visto que a média do coeficiente de sombra gira em torno de 0.965 e comumente

associado a este coeficiente há o problema da falta de inércia de geração fotovoltaica, o que

intensifica a situação, pois se a cada 15 minutos não for gerado o suficiente para manter a

demanda abaixo do limite contratado o cliente estará sujeito a multa e esta situação tem que ser

evitada.

Infelizmente a única solução para este problema na atualidade, e o que vem sendo

praticado, é o desligamento da carga, o que deveria ser o último recurso. Como o sistema torna-

se mais uma variável a ser controlada, ela automaticamente aumenta o grau de complexidade

para monitorar a demanda energética, desta forma ficam propostas algumas alternativas para

trabalhos futuros afim de controlar este problema.

Sugestões de suprimento de energia adicional e emergencial:

• A instalação de um banco de baterias ou de super-capacitores para o armazenamento de

energia que não será abordado neste trabalho devido ao foco do mesmo ser justamente

a viabilidade econômica deste tipo de geração sem esses bancos.

• A reforma das instalações onde se encontra o gerador diesel do consumidor, mas que se

encontra inoperante devido à falta de manutenção e ao custo elevado.

• Ao invés de se utilizar a eletrônica de potência para transformar o sinal DC das placas

para AC via inversores, poderia ser feito um estudo sobre a viabilidade de motores CC

com volantes de inércia para contornar o problema.

6.2 As vertentes do projeto desenvolvido

O trabalho buscou minimizar a demanda de pico buscando de forma inteligente o

balanço entre a confiabilidade e capital investido, o que possibilita no futuro um estudo

referente as modificações de contrato para tarifação junto a concessionária que traga mais

benefícios casados à instalação da usina fotovoltaica.


60

Devido à grande área disponível para instalação de placas no bloco I tornar-se atrativo

realizar a instalação de transformador adicional nesta edificação, operando em paralelo com o

existente. Desta forma evita-se a sobrecarga do equipamento existente, além de minimizar os

custos de instalação dado que neste local pode ser instalado 60,2% da geração total projetada,

sendo que se utilizando somente o transformador existente a geração fica limitada a 36,7%

apenas.


61

7 Conclusão O campus universitário da Unifei – Itajubá possui potencial energético mais do que

suficiente para suprir as necessidades energéticas do campus. O parâmetro limitante que mais

impactou o estudo foi a capacidade dos transformadores existentes, nessa situação pode-se

lançar mão de paralelismo de transformadores para se contornar esse problema, que se mostrou

mais viável do que a construção de novas estruturas para acomodar as placas.

Com um payback de 71 meses o projeto se mostrou muito atrativo diante do cenário

energético atual e complexidade aplicada neste trabalho. Em consulta aos relatórios da ONS

observa-se que os reservatórios das hidrelétricas operam próximo do volume morto e as mesmas

não podem diminuir a vazão devido a necessidade de atender à vazão ecológica por lei federal,

e a operação em geração constante das termoelétricas. Conclui-se que na ausência de chuvas

nos próximos meses há possibilidade de racionamento energético e um provável reajuste nas

tarifas ou multa por não atender o racionamento, visto que a carga no campus tem baixa

flexibilidade em ser diminuída.

Como citado no início deste trabalho, está tramitando um projeto de lei que obriga todos

os edifícios de uso federal a instalar sistemas fotovoltaicos para geração de energia elétrica.

Iniciando-se o processo de implantação desse sistema no campus, antes da aprovação da lei,

haverá o benefício de conquista de verbas e financiamentos mais atrativos, além de um menor

custo, visto que em breve a demanda por esses sistemas será elevada, inflacionando a sua

aquisição.


62

Referências

1.MESSENGER, R. A.; VENTRE, J. Photovoltaic Systems Engineering. 3. ed. Florida: Boca Raton: CRC Press, 2010 2. OLIVEIRA, T. E. C. d. Estudo da Capacidade de Hospedagem de Fontes de Geração Distribuída no Sistema Elétrico de um Campus Universitário. Dissertação de mestrado em Engenharia Eletrotécnica da escola de Engenharia – CERIn da Universidade Federal de Itajubá: Itajubá, 2015. 3. MONDOL, J. D.; YOHANIS, Y. G.; NORTON, B. The impact of array inclination and orientation on the performance of a grid-connected photovoltaic system. Renewable Energy 32 (2007) p 118-140, Disponível em <http://www.sciencedirect.com> Acesso em: 10 jan. 2017. 4. LI, D. H. W.; LAM, T, N. T. (2007). Determining the Optimum Tilt Angle and Orientation for Solar Energy Collection Based on Measured Solar Radiance Data. International Journal of Photoenergy, 9 p. doi:20,1155/2007/85402 5.Gambi, W. Avaliação de um modelo físico estimador de irradiância solar baseado em satélites geoestacionários. Dissertação de Mestrado. Universidade Federal de Santa Catarina. Florianópolis, 1998. 6. Departamento de Informações e Estudos Energéticos DIE/SPE/MME, Relatório Energia Solar no Brasil e Mundo Ano referência – 2015: ano Base 2016. Disponível em: http://www.mme.gov.br/documents/10584/3580498/17+-+Energia+Solar+-+Brasil+e+Mundo+-+ano+ref.+2015+%28PDF%29/4b03ff2d-1452-4476-907d-d9301226d26c?version=1.3 7. Pereira, E. B.; Martins, F. R.; de Abreu, S. L.; Rüther, R.; Atlas Brasileiro de Energia Solar de irradiação solar do Brasil – 1ª. edição. São José dos campos: Divisão de Clima e Meio Ambiente – DMA, Centro de Previsão de Tempo e Estudos Climáticos – CPTEC, Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais – INPE, Ministério da Ciência e Tecnologia - MCT, 2006. 8.National Oceanic & Atmospheric Administration - NOAA; Disponível em: https://www.esrl.noaa.gov/gmd/grad/solcalc/

universidade federal de itajubÁ instituto de …saturno.unifei.edu.br/bim/201800184.pdf ·...

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