Suprimento Solar para Prédios Públicos em Santo Antônio de Pádua Clarissa Orçay Eccard Rio de Janeiro Março de 2016 Projeto de Graduação apresentado ao curso de Engenharia Elétrica da Escola Politécnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Engenheiro Eletricista. Orientador: Jorge Luiz do Nascimento, Dr. Eng.
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Suprimento Solar para Prédios Públicos em Santo Antônio de ......Santo Antônio de Pádua Clarissa Orçay Eccard Orientador: Jorge Luiz do Nascimento, Dr. Eng. Rio de Janeiro Março
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Suprimento Solar para Prédios Públicos em
Santo Antônio de Pádua
Clarissa Orçay Eccard
Rio de Janeiro
Março de 2016
Projeto de Graduação apresentado ao curso de Engenharia Elétrica da Escola Politécnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Engenheiro Eletricista. Orientador: Jorge Luiz do Nascimento, Dr. Eng.
Suprimento Solar para Prédios Públicos em
Santo Antônio de Pádua
Clarissa Orçay Eccard
PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DO CURSO
DE ENGENHARIA ELÉTRICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE
FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS
NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO
ELETRICISTA.
Examinada por:
Walter
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL
MARÇO de 2016
Prof. Jorge Luiz do Nascimento, Dr. Eng.
(Orientador)
Prof. Luís Guilherme Barbosa Rolim, Dr. Ing.
Prof. Walter Issamu Suemitsu, Dr. Ing.
i
Eccard, Clarissa Orçay
Suprimento solar para prédios públicos em Santo
Antônio de Pádua/ Clarissa Orçay Eccard – Rio de Janeiro:
UFRJ/ Escola Politécnica, 2016.
vii, 114 p.: il.; 29,7cm
Orientador: Jorge Luiz do Nascimento
Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/ Curso
de Engenharia Elétrica, 2016.
Referências Bibliográficas: p. 110-112
1. Sistema fotovoltaico 2. Compensação de energia 3.
Viabilidade econômica
I. Nascimento, Jorge Luiz do. II Universidade Federal do
Rio de janeiro, Escola Politécnica, Curso de Engenharia
elétrica. III.
ii
Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola
Politécnica/UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do
grau de Engenheiro Eletricista.
SUPRIMENTO SOLAR PARA PRÉDIOS PÚBLICOS EM
SANTO ANTÔNIO DE PÁDUA
Clarissa Orçay Eccard
Março/2016
Orientador: Jorge Luiz do Nascimento
Curso: Engenharia Elétrica
Este Projeto de Graduação traz a proposta de um sistema fotovoltaico conectado
à rede na modalidade de compensação de energia elétrica, respaldado no que prevê a
Resolução Normativa 482/2012 da ANEEL, para os prédios públicos do município de
Santo Antônio de Pádua.
Para alcançar o objetivo proposto, optou-se por utilizar os telhados dos prédios
públicos administrados pela prefeitura, baseando-se nos principais consumidores. Uma
análise em termos de área, sombreamento e demanda das unidades (prédios) foi
realizada, definindo-se o melhor arranjo e os componentes para cada localidade
identificada como elegível. Além disso, para complementar a energia gerada pelos
subsistemas dos prédios, foi proposta implantação de uma usina de 2,25 MW. Para
tanto, definiu-se uma área adequada e realizou-se o dimensionamento da usina. Para
esse sistema complementar, também foi realizada o dimensionamento dos painéis,
inversores e componentes acessórios. E, por fim, realizado uma análise econômica
considerando esses dois cenários: i) Análise econômica somente dos subsistemas
instalados nos telhados e ii) Análise econômica da solução completa: UFV com os
subsistemas instalados nos telhados. Concluiu-se que, os cenários analisados
apresentam viabilidade econômica para implantação, no entanto, em face da conjuntura
econômica do País e da falta de incentivo poderiam apresentar resultados mais
favoráveis. Pois, novas ações dos órgãos governamentais indicam que esse panorama
poderá melhorar muito em breve.
Palavras-chaves: Sistema fotovoltaico, Compensação de energia, Viabilidade
econômica
iii
Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial
fulfillment of requirements for the degree of Electrical Engineer.
SOLAR SUPPLY FOR PUBLIC BUILDINGS IN SANTO ANTÔNIO DE PÁDUA
Clarissa Orçay Eccard
March / 2016
Advisor: Jorge Luiz do Nascimento
Course: Electrical Engineering
This undergraduate project proposes grid-connected photovoltaic (PV) systems
for supplying electric energy to public buildings in Santo Antonio de Padua, based on
the ANEEL resolution 482/2012.
To reach the main goal, the 10 largest buildings, in term of power consumption,
were chosen to have a PV System installed on their rooftops. The solar resource was
estimated based on the available area and shading analysis, and the best inclination and
physical configuration have been determined to achieve the maximum efficiency for
each PV installation. All components were dimensioned for those systems. Moreover, a
2.2MW Solar Plant was also proposed to supply energy for all buildings managed by
municipal government, and the necessary area and dimensioning of all components
were calculated.
An economic analysis was carried out considering two scenarios: i) Only the 10
PV Systems installed on the rooftops, and ii) The PV Systems together with the Solar
Plant. In both scenarios the proposed solutions were viable. However, in a more
attractive economic conjuncture, the results could be more favorable to the proposed
investment.
Keywords : photovoltaic system , energy compensation, economic viability
iv
AGRADECIMENTOS
Agradeço aos meus pais, Clara e Anilton, pelo exemplo de vida, dedicação,
conselhos e amor incondicional. Aos meus irmãos, Catharina e Geison, e ao meu
cunhado, Ricardo, por estarem sempre ao meu lado me auxiliando e apoiando. Sem
vocês, com certeza esse sonho não seria possível.
Agradeço ao meu namorado, Robson Dias, pelo amor, companheirismo e por
sempre me apoiar e incentivar com palavras de carinho e pensamentos sempre otimistas.
Obrigada por estar sempre ao meu lado.
Agradeço ao Prof. Jorge Luiz do Nascimento pela orientação, apoio e dedicação
ao longo deste projeto, ao Prof. Luís Guilherme Rolim e ao Prof. Walter Issamu
Suemitsu, por aceitarem o convite de fazerem parte da minha banca examinadora.
Agradeço aos meus amigos e a todos que contribuíram e fizeram parte dessa
trajetória. Obrigada pela amizade, paciência e confidencialidade, tornando esse caminho
mais leve e prazeroso.
v
Sumário
Lista de Figuras ............................................................................................................................. vii
Lista de Tabelas ............................................................................................................................. ix
Anexo I ....................................................................................................................................... 114
vii
Lista de Figuras
Figura 1: Evolução estimada do consumo per capita de eletricidade (kWh/hab) [3] .................... 1 Figura 2: Município de Santo Antônio de Pádua (em vermelho) .................................................. 3 Figura 3: Precipitação ao longo do ano em Pádua. Adaptado de[9] ............................................. 3 Figura 4: Temperatura máxima e mínima. Adaptado de [9] ......................................................... 4 Figura 5: Participação de cada setor no PIB de Santo Antônio de Pádua [8]................................ 5 Figura 6: Declinação solar........................................................................................................... 11 Figura 7: Ângulo entre o Sol e a superfície da Terra .................................................................. 12 Figura 8: Rotação e translação .................................................................................................... 12 Figura 9: Radiação solar: direta e difusa ..................................................................................... 13 Figura 10: Mapa de radiação solar média anual do Brasil - Fonte: [15] ..................................... 14 Figura 11: Sistema fotovoltaico Isolado - Fonte: Neosolar ........................................................ 20 Figura 12: Sistema fotovoltaico conectado a rede - Fonte: Neosolar .......................................... 21 Figura 13: Composição do Módulo fotovoltaico - Fonte: [14] ................................................... 22 Figura 14: Curva I-V e curva P-V ............................................................................................... 24 Figura 15:modelo de Circuito de uma célula fotovoltaica .......................................................... 25 Figura 16: Representação elétrica do Inversor ............................................................................ 26 Figura 17: Inversor com transformador de alta frequência ......................................................... 29 Figura 18: Inversor com transformador de baixa frequencia ...................................................... 30 Figura 19: Inversor grid tie Central ............................................................................................. 30 Figura 20: Inversor grid tie modular ........................................................................................... 31 Figura 21: Inversor grid tie com múltiplos MPPT’s ................................................................... 32 Figura 22: Medidor bidirecional [14] .......................................................................................... 32 Figura 23: Dois medidores unidirecionais [14] ........................................................................... 33 Figura 24: Medidor simultâneo [14] ........................................................................................... 33 Figura 25: Etapas de acesso de micro e mini-geração ao sistema de distribuição da AMPLA.
[19] .............................................................................................................................................. 34 Figura 26: Esquema simplificado de conexão do acessante à rede de BT da AMPLA. Adaptado
[19] .............................................................................................................................................. 37 Figura 27: Vista aérea de Pádua .................................................................................................. 41 Figura 28: Vista aérea dos pontos de consumo ........................................................................... 42 Figura 29: Vista aérea dos pontos de consumo ........................................................................... 42 Figura 30: Fachada da Prefeitura ................................................................................................ 43 Figura 31: Fachada da Câmara Municipal e Sede ....................................................................... 45 Figura 32: Praça Visconde Figueira ............................................................................................ 46 Figura 33: Vista aérea da Prefeitura, Sede, Câmara municipal e Praça Visconde Figueira ........ 47 Figura 34: Fachada do Asilo da Frente ....................................................................................... 48 Figura 35: Vista lateral do Asilo ................................................................................................. 49 Figura 36: Vista do telhado do Asilo (frente).............................................................................. 49 Figura 37: Vista do telhado do Asilo (Trás) ................................................................................ 49 Figura 38: Vista aérea do Asilo ................................................................................................... 50 Figura 39: Praça Pereira Lima (fonte luminosa) ......................................................................... 51 Figura 40: Fachada da Rodoviária .............................................................................................. 53 Figura 41: Vista do entorno da Rodoviária ................................................................................. 54 Figura 42: Entrada da Divisão de transportes ............................................................................. 55 Figura 43: Vista do entorno da Divisão de transportes ............................................................... 55 Figura 44: Vista aérea da secretaria de agricultura ..................................................................... 56 Figura 45: Altura solar ................................................................................................................ 59 Figura 46: Dimensões do local para instalação dos painéis da prefeitura ................................... 61 Figura 47: Dimensões do local para instalação dos painéis da Sede ........................................... 64
viii
Figura 48: Dimensões do local para instalação dos painéis da Camara Municipal ..................... 66 Figura 49: Dimensões do local para instalação dos painéis do Asilo.......................................... 68 Figura 50: Dimensões do local para instalação dos painéis do Asilo......................................... 70 Figura 51: Dimensões do local para instalação dos painéis da Rodoviária ................................. 72 Figura 52: Dimensões do local para instalação dos painéis da Divisão de transportes .............. 73 Figura 53: Formação do Arranjo FV ........................................................................................... 78 Figura 54: Dados do Inversor Fronius IG Plus 150 V-3 ............................................................. 80 Figura 55: Dados do Inversor Fronius IG Plus 80 V-3 ............................................................... 82 Figura 56: Dados do Inversor WEG SIW500 ST017 .................................................................. 84 Figura 57: Folha de Dados dos inversores de 50 kW da WEG ................................................... 86 Figura 58: Localização da UFV e da subestação de Pádua ......................................................... 90 Figura 59: Folha de dados do inversor T125-22 da WEG .......................................................... 91 Figura 60: String Control 250/30 DCD DF ................................................................................. 94
Figura 61: Diagrama da Usina Fotovoltaica de 2,25 MW ......................................................... 95
ix
Lista de Tabelas
Tabela 1: Temperatura máxima, mínima e precipitação do município. Adaptado de [9] ............. 4 Tabela 2: Eficiência para cada tecnologia das células [14] ......................................................... 24 Tabela 3: Etapas do Processo de solicitação de acesso ............................................................... 35 Tabela 4: Forma de Conexão em Função da Potência [19] ......................................................... 36 Tabela 5: Consumo diário dos 10 maiores consumidores ........................................................... 38 Tabela 6: Irradiação solar diária média. Adaptado do site do Cresesb ....................................... 39 Tabela 7: Radiação incidente no plano horizontal e inclinado .................................................... 40 Tabela 8: Resumo da Potência necessária e Capacidade de cada Unidade Geradora ................. 75 Tabela 9: Intervalo de potência dos inversores para cada unidade geradora .............................. 77 Tabela 10: Escolha dos inversores .............................................................................................. 77 Tabela 11: Dados do painel considerados para o projeto ............................................................ 79 Tabela 12: Resultados obtidos para o projeto ............................................................................. 79 Tabela 13: Síntese do Arranjo Fotovoltaico ................................................................................ 87 Tabela 14: Intervalo de Potência do Inversor Utilizado na UFV ................................................ 92 Tabela 15: Dados do Inversor T125-22 da WEG ........................................................................ 92 Tabela 16: Custo do sistema fotovoltaico (US$/kWp) ................................................................ 98 Tabela 17: Custo do sistema fotovoltaico (R$/kWp) .................................................................. 98 Tabela 18: Payback descontado do sistema sem a usina ........................................................... 100 Tabela 19: Payback descontado do sistema com a usina .......................................................... 102 Tabela 20: Média mensal e consumo diário de cada estação .................................................... 104 Tabela 21: Geração dos 10 maiores consumidores ................................................................... 105 Tabela 22: Arranjo Fotovoltaico de cada estação ..................................................................... 106 Tabela 23: Equipamentos da UFV ............................................................................................ 106
1
1. Introdução
O Brasil é um país privilegiado quando se trata de energia solar, já que possui
um índice de irradiação elevado durante todas as estações do ano, sendo sua menor
irradiação, 4,25kWh/m².dia no litoral norte de Santa Catarina, maior que a maioria dos
países europeus, onde projetos de aproveitamento de energia solar são amplamente
viabilizados 111[1]. Mesmo com esse índice elevado, a participação dessa energia na
matriz energética ainda é inexpressiva, porém, com o advento da Resolução ANEEL
482 de 2012 e de leilões específicos, a expectativa é de crescimento da participação
dessa fonte com previsão de um acréscimo de 1,8% (3,5GW) até 2023 na capacidade
instalada de geração [2].
Apesar da energia solar fotovoltaica ainda ser incipiente no país, tem
apresentado um crescimento considerável nos últimos anos devido à redução da oferta
de energia hidráulica, que em 2014 apresentou uma queda de 5,6% em relação ao ano
anterior. Além disso, há projeções de elevação de consumo per capita de eletricidade no
período de 2013 a 2050 de acordo com o Estudo de Demanda de energia da EPE,
observado na Figura 1 [3]. Por consequência, aumentou o incentivo do governo às
fontes renováveis de forma a garantir o fornecimento confiável de energia, provocando,
em 2014, um aumento de 19,5% da oferta de energia a partir de outras fontes renováveis
(eólica, PCH, solar, etc) [4].
Figura 1: Evolução estimada do consumo per capita de eletricidade
(kWh/hab) [3]
2
A consequência do aumento da inserção de energias renováveis na matriz
energética é a geração distribuída, em que a geração de energia elétrica fica localizada
próxima ao consumidor. Como benefício direto, tem-se o alívio do Sistema Elétrico de
Potência, pois o atendimento da carga é feito localmente, isto é, exigindo-se menos do
Sistema Interligado Nacional. Além disso, economiza investimentos em transmissão e
reduz as perdas nestes sistemas, melhorando a estabilidade do serviço de energia
elétrica [5]. No campo das políticas voltadas à eficiência energética, vale ressaltar que o
Brasil vem introduzindo, ao longo dos anos, diversos mecanismos e ações com impacto
sobre a eficiência energética, destacando o Módulo 3 do Procedimento de Distribuição
de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional (PRODIST) [6]. Posteriormente, a
Resolução Normativa da Aneel n°482/2012 [7] que incentiva a GD, estabelece as
condições gerais para acesso de microgeração e minigeração distribuída aos sistemas de
distribuição de energia elétrica e o sistema de compensação de energia, beneficiando os
municípios através da redução da conta perante as concessionárias de energia.
Além disso, em dezembro de 2015, no estado do Rio de Janeiro, instituiu-se a
política estadual de incentivo ao uso de energia solar através da lei Nº 7122, onde
estimula o uso de energia fotovoltaica em áreas urbanas e rurais.
Dentro deste contexto, o presente trabalho se insere com o objetivo de propor
uma solução sustentável para a redução de conta de energia elétrica no município de
Santo Antônio de Pádua, a partir de um sistema fotovoltaico conectado à rede.
1.1 O município
O município de Santo Antônio de Pádua está localizado na região noroeste do
estado do Rio de Janeiro, ilustrado na Figura 2, a 265 quilômetros da capital tendo uma
área total de 603,3 km², representando 11,23% da Região Noroeste Fluminense. De
acordo com o último Censo feito em 2010 pelo Instituto Brasileiro de Geografia e
Estatística (IBGE), o município possui 40.589 habitantes, sendo que essa população
aumentou quase 5% em relação à década anterior, distribuída em 8 distritos, sendo eles:
Santo Antônio de Pádua, Baltazar, Ibitiguaçu, Marangatu, Campelo, Monte Alegre,
Paraoquena, Santa Cruz e São Pedro de Alcântara [8].
3
Figura 2: Município de Santo Antônio de Pádua (em vermelho)
Santo Antônio de Pádua está localizada em uma região cujo relevo apresenta
serras, morros arredondados e vales. Seu clima é quente e úmido tendo mais
pluviosidade no verão do que no inverno com uma média anual de 1255 mm, sendo em
dezembro o mês mais chuvoso, com uma média de 264 mm, e julho o mês mais seco,
com apenas 18 mm de precipitação. A temperatura média da cidade é de 24,6 C, sendo
fevereiro o mês mais quente com uma temperatura média máxima de 34 C e julho o
mês mais ameno com temperatura média baixa de 14 C [9]. A irradiação solar média
diária da cidade é de 4,8 kWh/m².dia [10].
Figura 3: Precipitação ao longo do ano em Pádua. Adaptado de[9]
0
50
100
150
200
250
300
Precipitação (mm)
4
Figura 4: Temperatura máxima e mínima. Adaptado de [9]
Tabela 1: Temperatura máxima, mínima e precipitação do município.
Adaptado de [9]
Mês Mínima
(°C)
Máxima
(°C)
Precipitação
(mm)
Janeiro 22° 33° 220
Fevereiro 22° 34° 127
Março 22° 33° 135
Abril 20° 31° 69
Maio 17° 29° 37
Junho 15° 27° 20
Julho 14° 27° 18
Agosto 15° 29° 22
Setembro 18° 29° 60
Outubro 19° 30° 100
Novembro 21° 31° 183
Dezembro 21° 32° 264
O município tinha a atividade agrícola como sua atividade econômica
predominante. Com o seu crescimento demográfico, a economia diversificou e hoje é
distribuída entre agricultura, indústria, serviço e comércio. Permanece ainda a pecuária
leiteira e de corte e plantio de algumas verduras. Surgiram novas opções econômicas,
principalmente as indústrias e atualmente a região conta com serrarias de pedras e
fábricas de papel, trazendo desenvolvimento para a região. A indústria é o setor que
mais cresce na região seguido por serviço, comércio e agropecuária, embora os setores
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Minima (C)
Máxima (C)
5
de serviços e comércio sejam os maiores contribuintes para o PIB do município,
representados pela Figura 5. As principais indústrias da cidade são: COPAPA –
Companhia Paduana de Papéis-, CIPEL de Pádua Indústria de Papéis Ltda e INPEL –
Indústria de Papéis [11].
Figura 5: Participação de cada setor no PIB de Santo Antônio de Pádua [8]
1.2 O problema
Atualmente, todo o país sofre com a crise econômica. Não seria diferente nos
estados e municípios. Verbas reduzidas para a segurança, para a educação e para a saúde
afetam a vida das pessoas. A economia como um todo é muito afetada. A população
tenta economizar da melhor maneira, seja nas compras do mês, com mercados, roupas e
lazer e até mesmo na racionalização de energia, onde a tarifa aumentou
consideravelmente. Nesse caso, os aumentos frequentes da energia elétrica têm afetado,
não só as famílias como também os órgãos públicos. Muitos municípios sofrem para
cumprir seus orçamentos diante dos aumentos das contas de energia que não estão
incluídos nos planejamentos. Além disso, nos municípios mais afastados da capital, o
fornecimento é ineficiente, implicando em soluções emergenciais caras para compensar
as faltas de energia.
O fornecimento de energia elétrica no município de Santo Antônio de Pádua fica
a cargo da Concessionária de distribuição de energia elétrica AMPLA, abastecendo
0
10
20
30
40
50
60
70
Agropecuária Indústria Serviços
PIB (%)
6
21.661 instalações [12] distribuídas nas diversas classes de consumo (residencial,
industrial, comercial, institucional e iluminação pública), cujo serviço prestado não
atende atualmente à demanda do município. Representantes das indústrias paduanas
queixam-se da ineficiência do fornecimento de energia, o qual apresenta problemas
como oscilações frequentes, interrupções prolongadas e picos de energia constantes.
Além disso, as indústrias trabalham com potência inferior à sua capacidade fabril e
algumas de suas máquinas estão inoperantes, uma vez que podem ser danificadas com
as constantes faltas de energia, o que impede o aumento da produção das fábricas e o
crescimento econômico da região [13].
1.3 Objetivos
Tomando como base o crescimento populacional e a transição das atividades
econômicas, a demanda por energia no município de Santo Antônio de Pádua
aumentou, exigindo ainda mais da rede de energia elétrica.
Diante disso, a proposta desse Projeto de Graduação é trazer como alternativa de
fonte de energia a proposta de um sistema fotovoltaico conectado à rede na modalidade
de compensação de energia e de abatimento da conta de energia perante a
concessionária local, AMPLA. O objetivo principal é produzir energia em áreas
disponíveis de telhados de prédios públicos municipais, através da instalação de painéis
solares fotovoltaicos de maneira que seja viável sob caráter técnico, legal e econômico.
Contudo, identificou-se que a energia gerada pelos sistemas fotovoltaicos somente nos
telhados de alguns prédios públicos, não atende totalmente à demanda global da
prefeitura. Então, com o objetivo de reduzir ao máximo a conta de energia, é proposta a
construção de uma usina fotovoltaica, cuja potência instalada seja igual a 2,25 MW. E,
essa alternativa também é incluída na análise econômica da solução global.
Essa solução contribuirá para a economia de Pádua e para geração de empregos
na instalação e manutenção do sistema fotovoltaico, além de contribuir para o
desenvolvimento da região por ampliar a oferta de eletricidade, proporcionando a
movimentação da economia de Pádua. Não somente isso, a implantação dos sistemas
fotovoltaicos contribui para uma matriz sustentável do país, uma vez que promove o
abastecimento da região com uma energia limpa e renovável e, também, a redução da
emissão de gases de efeito estufa.
7
1.4 Metodologia
Para propor sistemas fotovoltaicos conectados à rede, serão investigados quais
prédios são elegíveis para o recebimento de sistemas fotovoltaicos, baseando-se na área
livre disponível, localização e sombreamento. Em seguida, será analisado cada local
individualmente, fazendo o estudo da sua área disponível e efetiva para instalação dos
painéis, posteriormente, serão escolhidos os painéis e inversores a serem utilizados no
projeto e seus componentes acessórios e, por fim, será feita uma análise econômica da
solução proposta.
Para o sistema complementar de geração, a Usina Fotovoltaica será
dimensionada baseada na demanda não atendida pelos sistemas propostos para os
prédios públicos. O projeto da usina será dividido no cálculo dos números de painéis,
arranjo dos mesmos, dimensionamento dos inversores e dos componentes acessórios.
Além disso, será feita uma análise econômica considerando essa solução completa:
usina com os subsistemas instalados nos telhados.
1.5 Relevância
A relevância deste trabalho está na proposta de uma solução sustentável para
suprir a demanda de energia elétrica dos prédios públicos da prefeitura, possibilitando
que a verba destinada para essas despesas sejam aplicadas em outros setores do
município, como por exemplo, em saúde e educação, melhorando a qualidade de vida da
população paduana. Além disso, a solução ampliará a oferta de empregos diretos e
indiretos no município.
1.6 Organização dos capítulos
Este projeto de graduação será estruturado de maneira que o capítulo 1 aborde o
tema proposto, contextualizando o município de Santo Antônio de Pádua, os problemas
em relação ao fornecimento de energia do município, os objetivos, a metodologia e a
relevância do projeto.
O segundo capítulo será abordado o aspecto teórico da energia solar
fotovoltaica, onde será exposto o posicionamento entre o Sol e a terra, a radiação solar,
efeito fotovoltaico, os tipos de materiais semicondutores das células e os tipos de
sistemas fotovoltaicos.
8
O capitulo 3 apresentará os componentes básicos do sistema fotovoltaico:
módulos fotovoltaicos, inversores grid tie e os medidores de energia. O capítulo será
finalizado com os procedimentos de acesso ao sistema de distribuição.
No capítulo 4 será exposto o projeto das unidades geradoras dos prédios
públicos, onde serão estudadas as etapas preliminares do projeto, a localização, a
avaliação do recurso solar e o dimensionamento do sistema fotovoltaico conectado à
rede.
No capítulo 5 será exposto o projeto de uma Usina Fotovoltaica de 2,25 MW,
onde serão estudadas as etapas preliminares do projeto, a localização, a avaliação do
recurso solar e o dimensionamento do sistema fotovoltaico conectado à rede.
No capítulo 6 será realizada a análise econômica do projeto, introduzindo os
indicadores econômicos como o Payback, VPL (Valor Presente Líquido) e a TIR (Taxa
Interna de Retorno) e, posteriormente, a viabilidade econômica do: i) Sistema
fotovoltaico sem a UFV e; ii) Usina de 2,25 MWcom o sistema anterior.
Por fim, serão feitas as conclusões e sugestões para estudos futuros sobre o tema
dessa dissertação.
9
2. Aspecto teórico da energia solar fotovoltaica
2.1 Energia solar
O aproveitamento da energia gerada pelo Sol é, hoje, uma das alternativas
energéticas mais promissoras para prover a energia necessária ao desenvolvimento
humano. A superfície terrestre recebe anualmente 1,5 × 1018𝑘𝑊ℎ de energia solar, o
que corresponde a 10.000 vezes o consumo mundial de energia neste mesmo período. É
o sol, mesmo que indiretamente, que provê a energia necessária para as outras fontes
convencionais e, é a partir dele, que se dá a evaporação, origem do ciclo das águas, que
possibilita o represamento e a consequente geração de eletricidade (hidroeletricidade).
A radiação solar também induz a circulação atmosférica em larga escala, causando os
ventos. Petróleo, carvão e gás natural foram gerados a partir de resíduos de plantas e
animais que, originalmente, obtiveram a energia necessária ao seu desenvolvimento da
radiação solar, que por sua vez, não atinge de maneira uniforme toda a crosta terrestre,
depende da latitude, da estação do ano e de condições atmosféricas [14].
Além disso, a energia solar não necessita ser extraída, refinada e transportada
para o local de geração. Ela também não emite ruídos e gases poluentes. Sua utilização
de forma distribuída apresenta as vantagens de redução de gastos com o sistema de
transmissão e distribuição, além de permitir o desenvolvimento social e econômico para
a localidade onde há o seu aproveitamento.
Quando passa pela atmosfera, grande parte da energia solar se propaga em forma
de luz, em raios infravermelhos e ultravioletas; captando-se essa luz, consegue-se
transformá-la em energia elétrica ou energia térmica, sendo que esta conversão é
determinada exatamente pelo tipo de equipamento que será usado para essa
transformação.
O sistema de Energia Solar Térmica é a captação através de painéis solares
térmicos, também chamados de coletores solares que são os sistemas mais simples,
econômicos e conhecidos de aproveitar o sol. São utilizados em casas, hotéis e empresas
para o aquecimento de água ou ambientes. Os painéis são simples e têm a função de
transferir o calor da radiação solar para a água ou óleo que passa por dentro deles para
então ser utilizado como fonte de calor.
Já o sistema de Energia solar fotovoltaica é capaz de gerar energia elétrica
através das chamadas células fotovoltaicas. As células fotovoltaicas são montadas em
10
painéis solares fotovoltaicos e são capazes de transformar a radiação solar diretamente
em energia elétrica através do chamado “efeito fotovoltaico”.
2.2 Energia solar Fotovoltaica
A energia solar pode ser utilizada para produzir eletricidade pelo efeito
fotovoltaico, que consiste na conversão direta da luz solar em energia elétrica, sendo a
célula fotovoltaica, um dispositivo semicondutor, geralmente de silício, a unidade
fundamental desse processo de conversão.
2.2.1 Posicionamento entre o Sol-Terra
A Terra descreve uma trajetória elíptica inclinada em 23,5, em relação à linha
do Equador. Essa inclinação, juntamente com a translação, provoca variações na
posição do sol no horizonte no mesmo horário ao longo do ano, dando origem às
diferentes estações. A posição angular do sol, ao meio-dia solar, em relação ao plano do
Equador (norte positivo), é chamada de declinação solar (δ) e este ângulo varia de
acordo com o dia do ano dentro do intervalo de: -23,5 ≤ δ ≤ 23,5, onde -23,5°
corresponde a 21 de junho (solstício de inverno no hemisfério sul) e +23,5°, dia 21 de
dezembro (solstício de verão no hemisfério sul). Quando os raios solares se alinham
com o plano do equador, 𝛿 = 0, os dias do ano correspondem a 21 de março (equinócio
de outono) e a 21 de setembro (equinócio de Primavera), Figura 6.
11
Figura 6: Declinação solar
A direção dos raios solares varia de acordo com o movimento aparente do Sol e
a superfície terrestre. Essas relações geométricas são definidas através de vários
ângulos, descritos a seguir:
Ângulo de incidência (γ): ângulo formado entre os raios do Sol e a normal à superfície
de captação.
Ângulo Azimutal da Superfície (aw): ângulo entre a projeção da normal à superfície
no plano horizontal e a direção Norte-Sul. O deslocamento angular é tomado a partir do
Norte. (projeção a direita) -180º ≤ aw ≤ 180º ( projeção a esquerda)
Ângulo Azimutal do Sol (as): ângulo entre a projeção do raio solar no plano horizontal
e a direção Norte-Sul. Obedece à mesma convenção acima.
Altura Solar (α): ângulo compreendido entre o raio solar e a projeção do mesmo sobre
um plano horizontal.
Inclinação (β): ângulo entre o plano da superfície do painel solar e a horizontal.
Ângulo Horário do Sol (ω): deslocamento angular leste-oeste do Sol, a partir do
meridiano local, e devido ao movimento de rotação da Terra. Assim, cada hora
corresponde a um deslocamento de 15º. Adota-se como convenção valores positivos
para o período da manhã, com zero às 12:00 h.
Ângulo Zenital (θz): ângulo formado entre os raios solares e a vertical (Zênite).
12
Figura 7: Ângulo entre o Sol e a superfície da Terra
2.2.2 Radiação Solar
A disponibilidade de radiação solar depende da latitude local e da posição no
tempo. Isso se deve à inclinação do eixo imaginário em torno do qual a Terra gira
diariamente, caracterizando o movimento de rotação, onde é responsável pela
alternância entre o período de tempo ensolarado e o período de tempo sem incidência
solar direta, e a trajetória elíptica que a terra descreve ao redor do sol denominado
translação, responsável pela diferentes estações do ano Figura 8.
Figura 8: Rotação e translação
Nem toda a radiação solar atinge a superfície da terra, devido à reflexão e
absorção dos raios solares pela atmosfera. Essa parte da radiação solar que atinge a
13
superfície terrestre é constituída por uma componente direta e por uma componente
difusa, Figura 9.
Figura 9: Radiação solar: direta e difusa
A radiação direta é a parte proveniente diretamente do sol (sem reflexões) e
produz sombras nítidas. Essa componente é a mais importante para a geração solar
térmica.
A radiação difusa corresponde à parte da radiação que sofre diversos processos
de reflexão e difusão por moléculas suspensas na atmosfera (nuvens, poeiras, vapor
d’água, entre outros) durante seu trajeto. Se a superfície estiver inclinada com relação à
horizontal, haverá uma terceira componente refletida pelo solo, vegetação e outros
objetos. Essa componente é denominada radiação refletida e pode ser incluída na
radiação difusa.
2.2.2.1 Radiação solar no Brasil
No Brasil, a média anual varia entre 1500 e 2500 kWh/m², valores
significativamente maiores que dos países europeus, que possuem uma média variando
entre 900 a 1850 kWh/m².
Através da Figura 10, observa-se a média anual do total diário de irradiação
solar global incidente no território brasileiro. Apesar das diferentes características
climáticas observadas no Brasil, nota-se que a média anual de irradiação global
apresenta boa uniformidade, com médias anuais relativamente altas em todo país. O
valor máximo de irradiação global se verifica no norte do estado da Bahia, com
14
6,5kWh/m² e a menor irradiação solar global com 4,25kWh/m² ocorre no litoral norte de
Santa Catarina [15].
Figura 10: Mapa de radiação solar média anual do Brasil - Fonte: [15]
2.2.3 Efeito fotovoltaico
A energia fotovoltaica é a conversão direta da luz em eletricidade, em nível
atômico. Alguns materiais exibem uma propriedade conhecida como o efeito
fotoelétrico, que faz com que eles absorvam fótons de luz e liberem elétrons. Quando
estes elétrons livres são capturados, é gerada uma corrente elétrica que pode ser
utilizada como energia.
O efeito fotoelétrico foi observado pela primeira vez por um físico francês,
Edmund Becquerel, em 1839, que descobriu que certos materiais produziam pequenas
15
quantidades de corrente elétrica quando expostos à luz. Em 1905, Albert Einstein
descreveu a natureza da luz e o efeito fotoelétrico, no qual a tecnologia fotovoltaica se
baseia.
Na natureza existem materiais que são classificados como semicondutores, que
se caracterizam por possuir uma banda de valência preenchida totalmente por elétrons e
uma banda de condução com ausência de elétrons em baixas temperaturas. O material
semicondutor mais utilizado é o Silício, cujo átomo possui quatro elétrons na camada de
valência, formando uma rede cristalina na ligação com as vizinhanças [16].
Ao se introduzir ao silício uma parte de átomos de boro e de fósforo, é formada a
chamada junção pn. Nessa junção, os elétrons livres do lado n passam ao lado p onde
encontram os buracos que os capturam, fazendo com que haja um acúmulo de elétrons
no lado p, gerando uma carga negativa e uma redução de elétrons do lado n, que o torna
eletricamente positivo. Estas cargas aprisionadas dão origem a um campo elétrico.
Para o caso de ocorrer a exposição de um material semicondutor dotado de uma
junção pn a fótons com energia maior que a do gap ( na ordem de 1eV) na região onde o
campo elétrico é diferente de zero, as cargas serão aceleradas, gerando assim, uma
corrente ao longo da junção, e consequentemente, diferença de potencial, fenômeno este
conhecido como Efeito Fotoelétrico. Se as duas extremidades do silício forem
conectadas por um fio, haverá a circulação de elétrons, formando a base do
funcionamento das células fotovoltaicas [14].
2.2.4 Célula fotovoltaica
Para o material semicondutor se transformar em uma célula fotovoltaica é
necessário passar por uma etapa de purificação e, posteriormente, por uma etapa de
dopagem, através da introdução de impurezas dosadas na quantidade certa.
Em termos de aplicações terrestres, dentre os diversos semicondutores utilizados
para a produção de células solares fotovoltaicas, destacam-se por ordem decrescente de
maturidade e utilização, o Silício cristalino (c-Si), Silício amorfo hidrogenado (a-Si),
Telureto de Cádmio (CdTe) e os compostos relacionados ao Disseleneto de Cobre
(Gálio) e Índio (CuInSe2 ou CIS e Cu(InGa)Se2 ou CIGS) [17], Tabela 1 e 2.
16
2.2.4.1 Silício cristalino (c-Si)
O c-Si é a mais tradicional das tecnologias fotovoltaicas e apresenta a maior
escala de produção a nível comercial, devido a sua robustez e confiabilidade.
O c-SI é o líder dentre as tecnologias fotovoltaicas, pois apresenta uma área
ocupada por um arranjo fotovoltaico com maior eficiência de conversão se comparado
com outros tipos de células fotovoltaicas [17].
Alguns fabricantes já disponibilizam células fotovoltaicas de c-Si coloridas
destinadas à integração arquitetônica. A cor usual varia de azul escuro ao preto e a sua
modificação resulta na redução da eficiência e elevação dos custos dos módulos [14].
2.2.4.1.1 Silício Monocristalino
A célula de Silício monocristalino é historicamente aa mais usada e
comercializada como conversor direto de energia solar em eletricidade e a tecnologia
para sua fabricação é um processo básico muito bem constituído. A fabricação da célula
de silício começa com a extração do cristal de dióxido de silício, posteriormente
desoxidado em grandes fornos, purificado e solidificado. Este processo atinge um grau
de pureza em 98 e 99% o que é razoavelmente eficiente sob o ponto de vista energético
e custo.
Dentre as células fotovoltaicas que utilizam o silício como material base, as
monocristalinas são, em geral, as que apresentam as maiores eficiências. As fotocélulas
comerciais obtidas com o processo descrito atingem uma eficiência de até 15% podendo
chegar em 18% em células feitas em laboratórios [16].
Devido à quantidade de material utilizado e à energia envolvida na sua
fabricação, esta tecnologia apresenta sérias barreiras para redução de custos, mesmo em
grandes escalas de produção.
2.2.4.1.2 Silício Policristalino
As células de silício policristalino são mais baratas que as de silício
monocristalino por exigirem um processo de preparação das células menos rigoroso. A
eficiência, no entanto, cai um pouco em comparação às células de silício
monocristalino. O processo de purificação do silício utilizado na produção das células
de silício policristalino é similar ao processo do Si monocristalino, o que permite
17
obtenção de níveis de eficiência compatíveis. Ao longo dos anos, o processo de
fabricação tem feito com que as células alcancem eficiência máxima de 12,5% em
escalas industriais [16].
2.2.4.2 Filmes finos
No intuito de buscar formas alternativas de se fabricar células fotovoltaicas, as
células solares de filmes finos vêm sendo desenvolvidas com uma perspectiva de
redução de custos. Essa redução justifica-se pela redução da quantidade de material
envolvido, pela pequena quantidade de energia envolvida em sua produção, pelo
elevado grau de automação dos processos de produção e o baixo custo de capital.
Essas células geralmente têm menos da metade da eficiência das melhores
células. Elas são amplamente utilizadas para fornecer energia a aparelhos eletrônicos
portáteis.
Entre os materiais mais estudados para aplicação em filmes finos estão o Silício
amorfo hidrogenado, o Disseleneto de Cobre e Índio e Telureto de Cádmio.
2.2.4.2.1 Silício amorfo hidrogenado (a-Si)
As células solares de Silício amorfo foram fabricadas com a primeira tecnologia
de filmes finos desenvolvida, começando a ser empregadas em meados da década de 70,
destacando-se como uma tecnologia ideal para aplicação em calculadoras, relógios e
outros produtos onde o consumo elétrico é baixo. Por apresentar uma resposta espectral
mais voltada para a região azul do espectro eletromagnético, tais células se mostraram
extremamente eficientes sob iluminação artificial e sob radiação difusa que predomina
em dias com céus encobertos, com eficiência nestes casos superior à do c-Si.
Estas células são camadas extremamente finas de silício com uma estrutura
amorfa, o que reduz sua eficiência, quando comparado com células cristalinas, não
ultrapassando a 6%. Esse modo de fabricação permitiu o desenvolvimento de módulos
inquebráveis, flexíveis, leves, semitransparentes, com superfícies curvas que aumentam
a versatilidade na sua aplicação, principalmente em projetos de integração às
construções.
Ao contrário dos outros tipos de células fotovoltaicas, após o período de
comissionamento da instalação, a potência do painel sofre pouca influência com a
18
temperatura, apresentando assim, uma vantagem na sua utilização em países de climas
quentes como o Brasil. Além disso, essa tecnologia possui um custo por metro quadrado
de metade do custo do c-Si, que muitas vezes é considerado a característica fundamental
para aplicação de um projeto. Outro atrativo é um menor tempo de uso para pagar pela
energia gasta na fabricação do módulo – “energy pay-back time” [17].
2.2.4.2.2. Telureto de Cádmio (CdTe)
Esses módulos, normalmente sob a forma de placas de vidro num tom
marrom/azul escuro, apresenta um atrativo estético em comparação ao c-Si. Dessa
forma, as empresas envolvidas com esta tecnologia vêm buscando as aplicações
arquitetônicas como nicho de mercado.
Assim como no caso do a-Si, o CdTe apresenta um custo de produção
atrativamente baixo. Portanto, ela é considerada como um potencial competidor no
mercado fotovoltaico para a geração de energia elétrica. A maior eficiência na
conversão da energia solar em comparação com o a-Si é um dos principais atrativos
desta tecnologia. Porém, a toxidade do cádmio é um fator que deve ser considerado.
2.2.4.2.2 Disseleneto de Cobre (Gálio) e Índio (CIS e CIGS)
Assim como no caso do CdTe, a pouca abundância dos elementos envolvidos e
sua toxicidade são aspectos que devem ser considerados se esta tecnologia atingir
quantidades significativas de produção.
Outro sério competidor no mercado fotovoltaico também em aplicações
integradas a edificações é a família dos compostos baseados no Disseleneto de Cobre e
Índio (CIS), e Disseleneto de Cobre, Gálio e Índio (CIGS), principalmente por seu
potencial de atingir eficiências relativamente elevadas. Além disso, painéis solares de
CIS e CIGS apresentam, como o a-Si e o CdTe, uma ótima aparência estética e estão
surgindo no mercado com grandes superfícies, encontrando aplicações arquitetônicas
diversas.
Os módulos fotovoltaicos de CIG são os mais eficientes, entre as tecnologias de
película fina, com até 11% de eficiência. Infelizmente, o seu custo não está tão baixo
quanto o do Silício, além do uso de índio, que é um material raro, altamente requisitado
pela indústria de smartphones, onde é o principal componente das telas táteis.
19
Tanto as células de CIGS quanto as células CdTe não sofrem de degradação sob
a ação da luz.
2.3 Os Sistemas Fotovoltaicos
O sistema é composto pelos módulos fotovoltaicos, responsáveis pela conversão
da luz do Sol em eletricidade, baterias, controladores de carga e inversores. Além isso,
os sistemas fotovoltaicos podem ou não ter armazenamento de energia. Esses
componentes variam de acordo com a classificação do sistema fotovoltaico que pode ser
isolado, ou conectado à rede. Nos dois casos, podem operar a partir apenas da fonte
fotovoltaica ou combinados com uma ou mais fonte de energia, denominados híbridos.
A utilização de cada um deles depende da aplicação e/ou da disponibilidade dos
recursos energéticos.
2.3.1 Sistemas Isolados
Sistema isolado é aquele em que não há conexão com a rede e necessitam de
baterias para armazenar a energia produzida, garantindo o abastecimento em períodos
sem sol, como pode ser observado na Figura 11. Esse tipo de sistema pode ser
individual ou em minirredes. No primeiro caso, a geração é exclusiva para atendimento
de uma única unidade geradora, no segundo, por sua vez, a geração é partilhada entre
um pequeno grupo de unidades consumidoras que estão localizadas próximas umas das
outras.
Em sistemas isolados que necessitam de armazenamento de energia em baterias,
usa-se um controlador de carga, que tem por finalidade, evitar danos na bateria por
sobrecarga ou descarga profunda. Esse dispositivo é usado em sistemas pequenos onde
os aparelhos utilizados são de baixa tensão e corrente contínua (CC). Para alimentação
de equipamentos de corrente alternada (CA) é necessário um inversor. Este dispositivo
geralmente incorpora um seguidor de ponto de máxima potência necessário para
otimização da potência final produzida [16].
20
Figura 11: Sistema fotovoltaico Isolado - Fonte: Neosolar
2.3.2 Sistema conectado à rede
Os sistemas conectados à rede são aqueles em que o arranjo fotovoltaico
contribui com sistema elétrico ao qual ele está conectado. Esses sistemas dispensam o
uso de acumuladores de energia, pois toda potência gerada no arranjo é injetada à rede
elétrica convencional ou consumida diretamente pela carga, Figura 12. Este tipo de
sistema pode ser instalado de forma integrada a edificações, os SFIEs, ou de forma
centralizada como em usina fotovoltaica, as UFVs. Os SFIEs dispensam a criação de
novos espaços para a sua instalação, podendo ser aplicados em edificações já existentes,
sobre telhados ou fachadas. A grande vantagem desse tipo de sistema é que a energia
gerada pode ser totalmente usada na própria edificação, reduzindo as perdas com
transmissão e distribuição, além de diminuir o consumo de energia proveniente da
concessionária. Já as usinas fotovoltaicas são instaladas distantes do ponto de consumo
e podem atingir potência da ordem de MWp, podendo ser operados por produtores
independentes e sua conexão com a rede é feita em média tensão, geralmente.
21
Figura 12: Sistema fotovoltaico conectado a rede - Fonte: Neosolar
Os SFIEs podem ser enquadrados na classificação de micro e minigeração, já
regulamentados, em 2012, pela resolução normativa Aneel N°482/20121 e, para isso,
devem atender aos Procedimentos de Distribuição (PRODIST), modulo 3, e às normas
de acesso das distribuidoras locais. A resolução 482 estabelece as condições gerais para
o acesso de microgeração, minigeração distribuída aos sistemas de distribuição de
energia elétrica e o sistema de compensação de energia elétrica e, complementarmente,
o Módulo 3 do PRODIST estabelece os procedimentos para acesso de micro e
minigeração ao sistema de distribuição.
2.3.3 Sistema híbrido
Nos sistemas híbridos, além da geração de energia a partir do arranjo
fotovoltaico, há também a presença de outras fontes de energia, que pode ser um
gerador a diesel, turbinas eólicas, entre outras.
1 A Resolução Normativa ANEEL Nº 482/2012 estava em revisão durante o processo de elaboração deste
Projeto de Graduação.
22
3. Componentes básicos do sistema
3.1 Módulo fotovoltaico
O módulo fotovoltaico é constituído por um conjunto de células conectadas
eletricamente em série e/ou em paralelo, cujo objetivo é gerar energia elétrica. Essas
células são soldadas a tiras metálicas para condução da corrente elétrica e depois
encapsuladas a fim de protegê-las e proporcionar resistência mecânica ao módulo
fotovoltaico. Pode-se observar na Figura 13, o encapsulamento das células, onde é
constituído, do topo para a base: por vidro temperado de alta transparência, acetato de
vinila (EVA) estabilizado para radiação ultravioleta, células fotovoltaicas, EVA
estabilizada e um filme posterior isolante, e por fim, é inserida uma moldura de
alumínio anodizado e a caixa de conexões elétricas.
Figura 13: Composição do Módulo fotovoltaico - Fonte: [14]
Os módulos fotovoltaicos podem ser conectados em série e/ou em paralelo
dependendo da necessidade da instalação. O conjunto de módulos conectados em série é
chamado de fileira (em inglês, string) e serve para elevar a tensão no elo CC. O número
de módulos conectados é limitado pelo limite de tensão de entrada no inversor. A
corrente não é afetada, isto é, a corrente da string é igual à corrente dos painéis, desde
que os dispositivos estejam sob as mesmas condições de irradiação e temperatura. Já na
associação de módulos em paralelo, há um aumento da capacidade de corrente e a
tensão permanece inalterada.
A potência, expressa em watt-pico (Wp), produzida pelos módulos é dada pela
Curva I x V (corrente x tensão). Esta curva é obtida através da aquisição de valores de
tensão e corrente para diversas condições de carga, sendo sua importância fundamental
23
para o dimensionamento do sistema fotovoltaico. E, é a partir desta curva característica
que se determina os parâmetros elétricos que caracterizam as células e os módulos
fotovoltaicos, tais como, tensão de circuito aberto (𝑉𝑜𝑐), corrente de curto circuito (𝐼𝑠𝑐),
fator de forma (FF) e eficiência (𝛈).
A tensão de circuito aberto é a tensão entre os terminais de uma célula
fotovoltaica quando não há corrente elétrica circulando e é a máxima tensão que uma
célula pode alcançar. O valor de 𝑉𝑜𝑐 varia de acordo com a tecnologia utilizada nas
células, sendo a tensão por célula de cada tecnologia: C-Si (0,5 – 0,7V), CdTe (0,857