A atratividade econômica da micro e minigeração de energia está intrinse- camente relacionada com a tarifa de energia elétrica convencional da localidade onde o sistema será instalado, uma vez que o benefício se dá ao evitar a compra de energia elétrica da concessionária local (NAKABAYASHI, 2014).
A viabilidade econômica de um sistema fotovoltaico depende, principalmente, dos seguintes fatores (NAKABAYASHI, 2014):
1. investimento necessário para aquisição e instalação do sistema; 2. energia gerada pelo sistema;
3. tarifa e impostos sobre a energia elétrica convencional.
Os maiores custos de um sistema fotovoltaico estão no investimento inicial, uma vez que o custo de operação e manutenção (O&M) é muito baixo, podendo ser
considerado, anualmente, como cerca de 1 a 3% do investimento inicial (VERÍSSIMO, 2017).
Os sistemas fotovoltaicos com seguidores solares têm maior investimento inicial e maior custo de operação e manutenção, quando comparados com sistemas de estrutura fixa, sendo necessário realizar uma avaliação econômica comparativa para analisar qual dos investimentos é mais rentável.
A Figura 6.2 apresenta um levantamento dos custos de O&M, desenvolvido pelo NREL, de sistemas fotovoltaicos residenciais, comerciais, usina com estrutura fixa incli- nada e usina com seguidores solares. Na Figura 6.2, é possível perceber que os custos de O&M de usinas que utilizam seguidores solares é maior que o de usinas com estrutura fixa inclinada. Sem considerar a substituição de inversores, o custo de O&M é $11,5/kW/ano para sistemas residenciais, $12/kW/ano para sistemas comerciais, $9,1/kW/ano para usi- nas com estrutura fixa inclinada e $10,4/kW/ano para usinas com seguidores solares. O estudo realizado pelo NREL considera sistemas residenciais aqueles instalados em telha- dos com potência entre 3 kW e 10 kWp, sistemas comerciais aqueles com potência entre 10 kW e 20 MW, e os sistemas com potência maior que 2 MW instalados no chão são considerados usinas (NREL, 2017).
Figura 6.2 – Custos de operação e manutenção de sistemas fotovoltaicos residenciais, co- merciais, usina (fixo inclinado) e usina (seguidor solar). Adaptado de (NREL, 2017).
6.5
Metodologia
Para realizar a avaliação técnica e econômica de seguidores solares, foi realizado um estudo econômico comparando sistemas fotovoltaicos com estrutura fixa e sistemas fotovoltaicos com seguidores solares.
Capítulo 6. Análise econômica 73
Foram realizadas simulações de uma usina de 970,2 kWp em sete cidades do Brasil, as quais são listadas a seguir com suas respectivas coordenadas geográficas: Pureza – RN (5,4∘ S; 35,7∘ O), Bom Jesus da Lapa – BA (13,3∘ S; 43,8∘ O), Montes Claros – MG (16,7∘ S; 43,92∘ O), Franca – SP (20,5∘ S; 47,5∘ O), Manaus – AM (3,0∘S; 60,2∘ O), Santa
Maria – RS (29,7∘ S; 54,0∘ O), Teresópolis – RJ (22,4∘ S; 43,1∘ O). As localidades em MG, BA e SP foram escolhidas de sorte a contemplar as localidades onde a maioria dos sistemas fotovoltaicos estão sendo instalados no Brasil, enquanto as demais localidades foram escolhidas de forma a contemplar diferentes regiões do mapa solarimétrico.
O software utilizado para a realização das simulações foi o PVSyst ○R ver-
são 6.79, a base de dados solarimétricos utilizada foi a Meteonorm 7.2, e o modelo de transposição utilizado foi o modelo de Perez (PEREZ et al., 1990).
Em todas as cidades, a usina foi simulada em dois cenários:
1. No primeiro cenário, a estrutura da usina é fixa inclinada de acordo com o ângulo ótimo indicado pelo software utilizado nas simulações;
2. No segundo cenário, a estrutura da usina é composta por seguidores solares de eixo único horizontal.
Em todos os dois cenários foram utilizados o mesmo modelo e a mesma quan- tidade de painéis e inversores. As especificações dos equipamentos utilizados constam na Tabela 6.1.
Tabela 6.1 – Especificações dos equipamentos utilizados nas simulações.
Equipamento Marca Modelo Potência Painel fotovoltaico Canadian Solar○R CS3K-300MS 300 Wp
Inversor Fronius International○R AGILO 100.0-3
Outdoor
100 kW
O fluxo de caixa é composto por uma despesa inicial que corresponde ao in- vestimento inicial para aquisição e instalação do sistema. Os demais termos do fluxo de caixa são compostos de acordo com a Equação 6.3.
𝐹𝑡= 𝐸𝑡× 𝑇 𝐸𝑡− 𝐷𝑡− 𝑂&𝑀𝑡 (6.3)
Em que 𝑡 corresponde ao ano, 𝐸𝑡 é a energia gerada anualmente pelo sistema,
𝑇 𝐸𝑡 corresponde à tarifa de energia corrigida pela inflação, 𝐷𝑡 é a demanda e 𝑂&𝑀𝑡 é o
Neste estudo, considera-se que a energia elétrica seria gerada em um local e esses créditos seriam consumidos em outro local por consumidores da classe B1 (residen- cial). Os valores de tarifa de energia elétrica de cada localidade foram obtidos no site da ANEEL (ANEEL, 2018). O custo de O&M foi considerado 1% do investimento inicial (NAKABAYASHI, 2014).
Os valores de tarifa de energia de cada localidade constam na Tabela 6.2. Tabela 6.2 – Tarifas da classe B1 de cada localidade. Fonte: (ANEEL, 2018).
Cidades Tarifa +
impostos (R$/kWh) Pureza (RN) 0,62319
Bom Jesus da Lapa (BA) 0,74618
Montes Claros (MG) 0,87228
Franca (SP) 0,64477
Manaus (AM) 0,76253
Santa Maria (RS) 0,77882
Teresópolis (RJ) 0,85526
Como as alternativas são mutuamente excludentes, a análise foi realizada com base no fluxo de caixa incremental, composto apenas pelas diferenças de receitas e despesas do sistema com estrutura fixa e do sistema com seguidor solar. Portanto, a demanda não é levada em consideração, pois é igual para os dois sistemas, visto que eles possuem a mesma potência. A energia gerada anualmente considerada na análise comparativa é a diferença entre a energia gerada pelo sistema com seguidor solar e a energia gerada pelo sistema com estrutura fixa.
O objetivo da análise foi determinar o valor máximo do custo com o sistema com seguidores solares de forma que o investimento seja rentável, ou seja, o VPL seja pelo menos igual a zero. Assim, foi possível comparar o valor encontrado com dados disponíveis em literatura para concluir acerca da atratividade do investimento no sistema com seguidores solares.
A partir dos resultados de diferença máxima de investimentos iniciais entre as duas configurações de sistemas e do valor do custo inicial de um sistema com painéis fixos, é possível obter a porcentagem máxima que um sistema com seguidores solares pode custar a mais que um sistema com painéis fixos e ainda assim ser mais rentável. De acordo com Veríssimo (2017), que avaliou economicamente uma usina solar fotovoltaica comparando diferentes topologias de fixação, para a localidade de Florianópolis - SC, esta diferença é de aproximadamente 14%. De acordo com Fu et. al. (2018), nos Estados Unidos, esta diferença é de aproximadamente 18%.
Capítulo 6. Análise econômica 75
Foi considerada uma inflação de tarifa de energia elétrica de 8% ao ano, e uma taxa de desconto de 15% ao ano. Após isso, foi realizada uma análise de sensibilidade para perceber a influência da inflação na tarifa de energia e da taxa de desconto na viabilidade econômica, variando a inflação da tarifa de energia de 4 a 8% ao ano e a taxa de desconto de 11 a 20% ao ano.
6.6
Resultados
As irradiâncias globais e difusas anuais médias de cada cidade, de acordo com a base de dados Meteonorm 7.2, são mostradas na Figura 6.3, que mostra os resultados de acordo com a ordem decrescente de irradiância global. Os resultados de energia injetada na rede anualmente para cada cidade são mostrados na Figura 6.4. Nas figuras a seguir, cada cidade é representada pela sigla do respectivo estado para que a imagem não fique poluída, portanto, vale ressaltar que os resultados são referentes às cidades e não ao estado.
Figura 6.3 – Irradiância global e direta em cada localidade. Fonte: Dados da Meteonorm 7.2 disponibilizados pelo PVSyst○R.
Figura 6.4 – Energia injetada na rede anualmente em cada localidade. Fonte: Autoria própria a partir do PVSyst○.R
A Tabela 6.3 mostra o ganho de geração de energia obtido pelo sistema com seguidor solar de um eixo em comparação com o sistema fixo e os resultados de diferença de investimentos iniciais obtidos, considerando uma inflação de tarifa de energia elétrica de 8% ao ano e uma taxa de desconto de 15% ao ano.
Tabela 6.3 – Resultados de diferença de investimento entre sistema com seguidor solar e sistema fixo considerando 8% ao ano de inflação de tarifa de energia elétrica e 15% ao ano de taxa de desconto. Fonte: Autoria própria.
Localidade Ganho anual de ge- ração de energia (MWh)
Diferença de investi- mentos iniciais
Pureza (RN) 273 39 %
Bom Jesus da Lapa (BA) 289 50 %
Montes Claros (MG) 291 64 %
France (SP) 172 26 %
Manaus (AM) 184 32 %
Santa Maria (RS) 180 34 %
Teresópolis (RJ) 173 34 %
Constata-se que, de acordo com os resultados das simulações, em Montes Cla- ros - MG, o sistema com seguidor solar pode ser até 64% mais caro que o sistema com painéis fixos, e ele ainda será mais rentável. Já em Franca - SP, esta diferença pode ser de no máximo 26% para que o sistema com seguidor solar seja mais rentável que o sistema com painéis fixos.
Capítulo 6. Análise econômica 77
As Tabelas 6.4, 6.5, 6.6, 6.7, 6.8, 6.9 e 6.10 mostram os resultados da análise de sensibilidade das localidades RN, BA, MG, SP, AM, RS e RJ, respectivamente. Tabela 6.4 – Análise de sensibilidade da localidade Pureza - RN. Fonte: Autoria própria.
Tabela 6.5 – Análise de sensibilidade da localidade Bom Jesus da Lapa - BA. Fonte: Au- toria própria.
Tabela 6.6 – Análise de sensibilidade da localidade Montes Claros - MG. Fonte: Autoria própria.
Capítulo 6. Análise econômica 79
Tabela 6.8 – Análise de sensibilidade da localidade Manaus - AM. Fonte: Autoria própria.
Tabela 6.9 – Análise de sensibilidade da localidade Santa Maria - RS. Fonte: Autoria própria.
Tabela 6.10 – Análise de sensibilidade da localidade Rio de Janeiro - RJ. Fonte: Autoria própria.
Observa-se que, somente na localidade SP obteve-se 14% como resultado de diferença de investimentos iniciais entre os sistemas analisados. Esse resultado foi obtido no pior caso da análise de sensibilidade, com 4% ao ano de inflação da tarifa de energia elétrica e 20% ao ano de taxa de desconto. Ou seja, em todas as situações da análise de sensibilidade realizada, o sistema com seguidor solar de um eixo é mais rentável que o sistema com painéis fixos.
81
Conclusão
Este trabalho apresentou uma revisão bibliográfica acerca de seguidores sola- res, uma análise econômica comparativa entre sistemas fotovoltaicos fixos e com seguido- res solares, uma análise estatística da precisão dos algoritmos de cálculo da posição solar Grena 1-5 e SPA, e uma análise da estimativa de geração de energia de sistemas com seguidores solares, por meio de simulações, utilizando os algoritmos Grena 1-5 e SPA no cálculo da posição do Sol.
Quanto à análise estatística, foram analisados os erros dos algoritmos Grena 1-5 e SPA. A partir dessa análise, constatou-se que o SPA obteve melhor desempenho, tanto considerando todas as amostras quanto considerando apenas as amostras diurnas.
Na análise que considerava somente amostras de ângulo de zênite menor que 90∘, 99% das amostras do SPA apresentavam erro de vetor solar menor que 0,040514∘. Esse resultado é superior ao apresentado por Reda and Andreas (2004), sendo necessário enfatizar que em sua análise estatística, foram consideradas apenas 48 amostras, sendo essas referentes a 00:00 horas do segundo dia de cada mês dos anos 1994-1996 e 2004, enquanto a análise apresentada neste trabalho levou em consideração 87.648 amostras entre os anos 2018 e 2027.
Da mesma forma, é importante ressaltar que a análise estatística realizada por Grena (2012) considerava 20 milhões de amostras, porém, utilizando resultados do SPA como parâmetro de referência. Neste trabalho, os dados de referência utilizados foram os disponibilizados pelo NOAA (2018), que utiliza o algoritmo de Meeus (1998). A maioria dos algoritmos de cálculo da posição solar é resultante de simplificações desse algoritmo, inclusive o próprio SPA.
Além disso, nas demais análises de erro apresentadas na literatura, foram le- vados em consideração apenas os erros máximos e mínimos e o desvio padrão. Enquanto neste trabalho, os quantis também foram analisados, o que permite analisar como os erros de um algoritmo se comportam como um todo, pois eles podem ter erros de vetor solar máximo muito altos referentes a uma amostra isolada, e ter erros de vetor solar baixos em todas as demais amostras.
Após a análise estatística, foram realizadas simulações de estimativa de energia com a utilização de diferentes algoritmos de cálculo da posição do Sol no rastreamento do seguidor solar. O sistema simulado possui as mesmas características de um sistema instalado em Araçariguama - SP. A partir dos resultados, foi possível observar que as estimativas de geração de energia por meio de simulações foram próximas dos resultados
de medição de energia do sistema instalado, assegurando a confiabilidade das simulações. O algoritmo que obteve resultado de estimativa de geração de energia mais próximo do cenário ideal foi o SPA, com erro de 0,0019% em relação ao cenário ideal. Porém, os resultados dos algoritmos Grena 1-5 apresentaram diferença inexpressiva, in- clusive nas simulações realizadas para as localidades Cidade do Cabo na África do Sul e Kiruna na Suécia. Tais resultados permitem concluir que, no rastreamento do seguidor so- lar, pode-se utilizar qualquer um dos 6 algoritmos analisados neste trabalho, sem incorrer em erros relevantes na estimativa da energia elétrica que pode ser gerada.
Diante das afirmações dos respectivos autores sobre a complexidade e a veloci- dade de processamento de cada algoritmo, seria recomendável a utilização dos algoritmos Grena 1 e Grena 2, uma vez que os mesmos são menos complexos e mais rápidos. Porém, o rastreamento do Sol em seguidores solares não precisa ser realizado em um espaço de tempo curto, de forma que o tempo de processamento de um algoritmo se torna uma variá- vel desprezível. Outro fator a se considerar é a complexidade do algoritmo que pode tornar o custo do circuito de controle mais elevado em pequenas instalações, porém, considerando que o circuito de controle seja aplicado em uma usina, o custo pode ser desprezível.
No que se refere à análise econômica, foram realizadas simulações de uma usina de 1 MWp para sete localidades do Brasil. A análise econômica foi realizada de forma a avaliar a diferença máxima entre um sistema fixo convencional e um sistema com seguidores solares para que o sistema com rastreamento seja mais rentável que o sistema fixo. Os resultados mostraram que, em todas as localidades analisadas, essa diferença máxima é maior que 14%, que é a diferença usual encontrada na literatura. A única localidade que apresentou resultado próximo de 14% foi Franca - SP, porém esse resultado foi para o pior caso da análise de sensibilidade. A análise econômica permite constatar que, atualmente, pelo menos nas localidades estudadas, sistemas com seguidores solares são viáveis economicamente.
Sugestões para trabalhos futuros
De acordo com a aplicação do algoritmo de cálculo da posição do Sol, a veloci- dade de processamento do algoritmo pode ser um fator fundamental. Como por exemplo, em base de dados de radiação derivados de satélites que fornecem dados de irradiância global incidente no plano horizontal a cada 15 minutos e a cada 3 km, onde é necessário calcular a posição do Sol a cada segundo. Portanto, é importante analisar a velocidade de processamento dos algoritmos que calculam a posição do Sol.
Conclusão 83
para que as perdas de geração de energia por meio de sistemas fotovoltaicos passem a ser significativas. Esses resultados podem permitir a utilização de algoritmos mais adequados. É importante, também, desenvolver a análise de simulações de sistemas foto- voltaicos considerando condições de sombreamento na ferramenta PVLIB.