LUIS FERNANDO MODESTO DE OLIVEIRA
AMPLIAÇÃO DA UNIDADE FOTOVOLTAICA DO PARQUE AMBIENTAL ENCANTOS DO SUL
Tubarão 2018
LUIS FERNANDO MODESTO DE OLIVEIRA
AMPLIAÇÃO DA UNIDADE FOTOVOLTAICA DO PARQUE AMBIENTAL ENCANTOS DO SUL
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Engenharia Elétrica da Universidade do Sul de Santa Catarina como requisito parcial à obtenção do título de Engenheiro Eletricista.
Orientador: Prof. Jorge Alberto Lewis Esswein Júnior, Me.Eng.
Tubarão 2018
LUIS FERNANDO MODESTO DE OLIVEIRA
AMPLIAÇÃO DA UNIDADE FOTOVOLTAICA DO PARQUE AMBIENTAL ENCANTOS DO SUL
Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado adequado à obtenção do título de Engenheiro Eletricista e aprovado em sua forma final pelo Curso de Engenharia Elétrica da Universidade do Sul de Santa Catarina.
AGRADECIMENTOS
Ao coordenador Francisco Duarte, que não mediu esforços para conduzir com maestria o andamento desse curso e, consequentemente, a chegada do momento esperado por muitos que é a formatura da primeira turma.
Aos professores, mestres e doutores – Gilvan, Roberto Hobold, Anderson André, Deivid, Elias, Vilson Leonel, Tonon, Maria Ana, Daniel Miranda, Clayton, Paulo Rufino, Renata Coelho, Franciele, Sandro Machado, Dirceu Rodrigues, Luiz Fernando, Carlos Luz, Enio Souza, Heron Avila, Rigotti, Diego Carmo, Adriana Zanini, Jorge Esswein, Vilson Coelho, Bruno Wisintainer, Vera Lucia, Roger Zamparette, Felipe Stein, Francielen Kuball e Sérgio Barcelos pelo tempo e dedicação destinados à minha aprendizagem.
Em destaque, o orientador Jorge Lewis Esswein Jr que tem compartilhado seus conhecimentos na área de energia fotovoltaica de forma brilhante o que eleva, significativamente, o nível desse projeto.
Em especial, à minha esposa Débora e aos filhos Fernanda, Gustavo e Luísa, que tiveram serenidade e paciência para suportar a passagem desse período de aprendizagem em conjunto com afazeres profissionais, pela segunda vez, minimizando os efeitos da minha ausência no dia a dia da família.
RESUMO
Este trabalho consiste no estudo, projeto e implantação de um sistema fotovoltaico para ampliação da unidade fotovoltaica conectada à rede elétrica no Parque Ambiental Encantos do Sul – PAES a fim de torná-lo autossustentável em energia elétrica, enquanto a energia disponibilizada pelos raios solares estiver disponível, ou seja, durante o dia e com as condições climáticas dentro das especificadas pelos fabricantes dos equipamentos envolvidos, tais como placas solares e inversores. Primeiramente, com base no estudo realizado nos dados obtidos pelas faturas de energia elétrica e do monitoramento existente, determinou-se a potência total a ser instalada, e, logo após a área a ser disponibilizada para receber as placas fotovoltaicas. De posse das características construtivas das placas fotovoltaicas foi definido o tipo de estrutura metálica de forma a obter o melhor aproveitamento da área disponibilizada e, pelas características elétricas dessas placas e dos inversores existentes chegou-se, com auxílio de softwares, ao melhor arranjo para a primeira etapa da ampliação. Para as demais etapas buscou-se placas fotovoltaicas com as mesmas características, inclusive mesma marca e modelo e inversores disponíveis no mercado nacional, facilidades na comunicação com outros equipamentos, garantia diferenciada e fácil relacionamento com fornecedor. As etapas seguintes consistiram em definir um sistema de medição, proteção e aterramento garantindo assim a obtenção de dados para estudos futuros, proteção contra descargas atmosféricas e outros surtos de tensão na unidade que poderiam pôr em risco a integridade física de pessoas durante manutenções e ou operação dos equipamentos, bem como para com o próprio equipamento.
ABSTRACT
This work consists of the study, design and implementation of a photovoltaic system for the expansion of the photovoltaic unit connected to the electric grid in the Parque Ambiental Encantos do Sul - PAES in order to make it self-sustaining in electric energy, while the energy provided by the solar rays is available, ie during the day and with climatic conditions within those specified by the manufacturers of the equipment involved, such as solar panels and inverters. Firstly, based on the data obtained from the electric energy invoices and the existing monitoring, the total power to be installed was determined and soon after the area to be made available to receive the photovoltaic panels. In the possession of the constructive characteristics of the photovoltaic panels, the type of metallic structure was defined in order to obtain the best utilization of the available area and, due to the electrical characteristics of these plates and the existing inverters, the best arrangement for the first stage of enlargement. For the other stages, photovoltaic panels with the same characteristics, including the same make and model and inverters available in the national market, facilities for communication with other equipment, differentiated guarantee and easy relationship with supplier were sought. The following steps consisted in defining a measurement, protection and grounding system, thus ensuring data collection for future studies, protection against lightning and other surges in the unit that could endanger the physical integrity of persons during maintenance and / or operation of equipment, as well as to the equipment itself.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 - Bell Labs engineer testing solar battery in 1954 ... 18
Figura 2 - Corte transversal de uma célula fotovoltaica ... 23
Figura 3 - Efeito fotovoltaico na junção pn ... 23
Figura 4 - Modelo de Sistema Fotovoltaico Conectado à Rede Elétrica ... 25
Figura 5 - Estrutura Básica de uma Célula Fotovoltaica ... 31
Figura 6 - Inversor ABB PVI-12.5-TL-OUTD ... 33
Figura 7 - String Box CC1 ... 34
Figura 8 - Conjunto de Fusíveis CC ... 35
Figura 9 - DPS Carlo Gavazzi ... 36
Figura 10 - Posição Solar para Hemisfério Sul ... 40
LISTA DE GRÁFICOS
Gráfico 1 - Matriz Elétrica Mundial em 2015 ... 19
Gráfico 2 - Potência instalada no Brasil em 2015 ... 20
Gráfico 3 - Posição solar para a Capivari de Baixo ... 42
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Irradiação Solar Média Mensal ... 37
Tabela 2 - Consumo de Energia Elétrica (kWh)... 38
Tabela 3 - Consumo de Energia Elétrica Corrigido (kWh) ... 39
Tabela 4 - Características Térmicas Yingli YL245p-29b ... 44
Tabela 5 - Tabela 33 NBR-5410 ... 51
Tabela 6 - Tabela 46 NBR-54 541010 ... 51
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO... 12 1.1 JUSTIFICATIVA ... 13 1.2 DEFINIÇÃO DO PROBLEMA ... 13 1.3 OBJETIVOS ... 14 1.3.1 Objetivo Geral ... 14 1.3.2 Objetivos Específicos... 14 1.4 DELIMITAÇÕES ... 15 1.5 METODOLOGIA ... 15 1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO ... 15 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ... 17
2.1 HISTÓRICO DA ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA ... 17
2.2 A MATRIZ ELÉTRICA NO MUNDO ... 18
2.3 A MATRIZ ELÉTRICA NO BRASIL ... 19
2.4 ENERGIA SOLAR... 20
2.5 ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA NO BRASIL ... 21
2.6 EFEITO FOTOVOLTAICO ... 22
2.7 SISTEMA FOTOVOLTAICO CONECTADO A REDE - SFVCR ... 24
2.8 RESOLUÇÃO NORMATIVA Nº482 E SUAS ALTERAÇÕES VIA RESOLUÇÃO NORMATIVA Nº687 ... 25
2.9 ACESSO AO SISTEMA DE DISTRIBUIÇÃO ... 26
2.10 CRÉDITO DE ENERGIA ... 26
2.11 MEDIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA... 27
2.12 RESPONSABILIDADES POR DANO AO SISTEMA ELÉTRICO ... 27
2.13 CONEXÃO COM A REDE DE DISTRIBUIÇÃO... 27
2.13.1 Solicitação de Acesso ... 28
2.13.2 Parecer Técnico de Acesso ... 29
2.13.3 Implantação da Conexão ... 29
2.13.4 Aprovação do Ponto de Conexão ... 30
2.14 COMPONENTES DO SISTEMA FOTOVOLTAICO UTILIZADOS NO PAES ... 30
2.14.1 Células Fotovoltaicas... 30
2.14.2 Inversores CC x CA ... 32
2.14.3.1Proteção CC ... 34
2.14.3.2DPS ... 35
3 METODOLOGIA UTILIZADA NA AMPLIAÇÃO FOTOVOLTAICA DO PAES 37 3.1 IRRADIAÇÃO SOLAR ... 37
3.2 ENERGIA DE GERAÇÃO ... 37
3.3 INCLINAÇÃO E ORIENTAÇÃO DOS PAINÉIS FOTOVOLTAICOS ... 40
3.4 PERDAS DE ENERGIA ... 40
3.4.1 Perdas por Sombreamento ... 41
3.4.2 Perdas por Temperatura ... 44
3.4.3 Incompatibilidade elétrica ... 46
3.4.4 Acúmulo de sujeira... 47
3.4.5 Cabeamento CC... 48
3.4.6 Cabeamento CA... 48
3.4.7 Inversor CC x CA ... 56
3.4.8 Total de perdas no sistema ... 57
3.5 PRODUTIVIDADE DO SFVCR ... 58
3.6 FATOR DE CAPACIDADE ... 58
3.7 DIMENSIONAMENTO DO PROJETO FOTOVOLTAICO ... 60
4 CONCLUSÃO ... 62
GLOSSÁRIO
ABRADE - Associação Brasileira de Distribuidores de Energia Elétrica
AM - Air Mass (Massa de Ar)
ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica ART - Anotação de Responsabilidade Técnica
CA – Corrente Alternada CC – Corrente Contínua
CELESC - Centrais Elétricas de Santa Catarina
CEPEL - Centro de Pesquisas de Energia Elétrica
CRESESB – Centro de Referência para Energia Solar e Eólica
DPS – Dispositivo de Proteção Contra Surtos EPE – Empresa de Pesquisa Energética FV – Fotovoltaico
GWh – Giga Watt hora HSP – Horas de Sol Pleno
INMET – Instituto Nacional de Meteorologia ISC - Corrente de Curto Circuito
kW - Kilo Watt
MME – Ministério de Minas e Energia
MPPT – Maximum Power Point (Ponto de Máxima Potência) NBR – Norma Brasileira
NOCT – Nominal Operating Cell Temperature (Temperatura Nominal de Operação da Célula) NR – Norma Regulamentadora
P&D – Pesquisa e Desenvolvimento
PAES – Parque Ambiental Encantos do Sul
PRODIST – Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica da Aneel SFVCR – Sistema Fotovoltaico Conectado à Rede
Si - Silício
STC – Testes em condições normais (Standard Test Condition) STRING – Conjunto de módulos fotovoltaicos interligados em série
THD – Total Harmonic Distortion
TWh – Tera Watt hora
UFRGS - Universidade Federal do Rio Grande do Sul
UFSC - Universidade Federal de Santa Catarina
UFV - Usina Fotovoltaica
USP - Universidade de São Paulo
1 INTRODUÇÃO
O desenvolvimento da sociedade humana está atrelado à transformação do meio ambiente e à obtenção de energia. Esse desenvolvimento – desde seus primórdios – mostra-nos uma constante busca por energia sendo ela utilizada nas mais diversas formas, como ter o conforto de um banho quente, um ambiente climatizado, iluminação adequada, produzir trabalho, entre outras. Nas últimas décadas, principalmente no início dos anos 70, com a primeira crise do petróleo em nível mundial, a sociedade tem sido constantemente avisada pelos mais diversos meios de comunicação sobre a desaceleração do uso dos combustíveis fósseis e entre eles estão o petróleo e o carvão.
O “fim” dos combustíveis fósseis não se dará somente pela diminuição das reservas naturais, mas sim, será fortemente influenciado a ter seu ciclo encerrado ou diminuído drasticamente pelo impacto ambiental causado pela utilização dessas fontes de energia e a insustentabilidade do modo que extraímos essa energia da natureza.
O Brasil, por ser um país continental, possui um grande potencial para gerar eletricidade a partir do sol. Comparando com a Alemanha, que é um dos líderes mundiais no uso da energia fotovoltaica, a radiação solar na sua região mais ensolarada é 40% menor que a região menos ensolarada do Brasil. De acordo com o Atlas Brasileiro de Energia Solar, a incidência solar para o plano horizontal diária brasileira fica entre 2.199 Wh/m² e 7.289 Wh/m² (PEREIRA, MARTINS, et al., 2017).
Com a entrada em vigor da Resolução Normativa n. 482 de 2012, da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL, 2012) criou-se regulamentação que permitiu aos consumidores de energia elétrica serem, também, geradores de energia, desde que provenientes de fontes renováveis, como fontes hidráulica, solar, eólica, biomassa ou cogeração qualificada.
Com base nesses dados e aliado à necessidade de reduzir os valores pagos às faturas de energia elétrica, esse projeto será desenvolvido de modo que contemple a demanda de energia necessária para o desempenho das atividades do parque. A ampliação da usina fotovoltaica de 54 kWp para 225,5 kWp ocorrerá com a implantação em etapas.
Essas etapas foram distribuídas conforme as necessidades e disponibilidades orçamentárias do PAES ficando assim determinadas.
A primeira etapa, motivo da elaboração desse trabalho, contará com a adição de 24,5 kWp. A segunda etapa, que será iniciada até dezembro de 2018 prevê a adição de 49,0 kWp ao sistema. Na sequência, teremos mais 49,0 kWp previstos para a terceira etapa que se inicia até junho de 2019, e por fim, a quarta etapa novamente com 49,0 kWp e com conclusão prevista para dezembro de 2019 integrando os 171,5 kWp projetados para essa ampliação.
Hoje o PAES apresenta um consumo médio mensal de 13.000 kWh, levando a fatura de energia elétrica a média de R$ 10.500,00 mensais. Neste estudo, as faturas de energia elétrica serão analisadas, considerando-se o consumo de energia em horário de ponta, fora de ponta e demanda contratada, para elaboração de projeto contemplando a primeira etapa da ampliação.
Diante da implantação e entrada em operação da primeira etapa, o PAES já será beneficiado com a redução do consumo em seu orçamento mensal de energia elétrica em aproximadamente R$ 11.000,00 anuais, considerando a valor da tarifa com a aplicação do ICMS.
1.1 JUSTIFICATIVA
O Parque Ambiental Encantos do Sul é um estabelecimento que atende uma região com mais de 350 mil habitantes e, sendo um local que promove lazer, cultura, esporte, ou seja, qualidade de vida, é fundamental que esteja alinhado a questões ambientais e melhor ainda quando consegue benefícios financeiros aliados a essas questões.
Tendo como um dos seus custos operacionais mais elevados a energia elétrica, é de suma importância que seja encontrada uma maneira de minimizar o impacto causado por esse recurso em seu orçamento anual.
Aproveitando a estrutura fotovoltaica atual e colocando em operação a ampliação prevista nesse projeto, o parque reduzirá significativamente os custos com energia elétrica, podendo utilizar esses recursos financeiros para outras finalidades, já que os recursos necessários para a ampliação serão captados através de parceria com a principal entidade mantenedora do PAES.
1.2 DEFINIÇÃO DO PROBLEMA
O parque ambiental, como a maioria das atividades empresariais, possuem um orçamento anual que norteia suas receitas e despesas. Especificamente, para o Parque Ambiental Encantos do Sul, os gastos com energia elétrica representam, no seu orçamento, valores que chegam até 15% do total anual. Este cenário é preocupante, pois os indicadores apontam para uma elevação da tarifa de energia elétrica em nível nacional para os próximos anos. Essa elevação das tarifas é impulsionada também pelos baixos níveis dos reservatórios
hídricos, fazendo com que fontes mais caras de energia operem, causando impactos nas tarifas de energia.
1.3 OBJETIVOS
De acordo com as normas vigentes no Brasil sobre geração distribuída de energia elétrica, este projeto tem o objetivo de minimizar os valores referentes aos gastos com energia elétrica no Parque Ambiental Encantos do Sul. Para isto propõe-se os seguinte objetivo geral e objetivo específico.
1.3.1 Objetivo Geral
Realizar a ampliação da primeira etapa da unidade fotovoltaica do Parque Ambiental Encantos do Sul – PAES para a redução do consumo de energia elétrica fornecida pela concessionária.
1.3.2 Objetivos Específicos
Para atingir o objetivo principal, será imprescindível seguir alguns tópicos, conforme segue abaixo:
a) Descrever os conceitos e funcionamento de sistemas fotovoltaicos para geração de energia elétrica;
b) Identificar as legislações e normas existentes no Brasil, correlacionadas a sistemas fotovoltaicos;
c) Dimensionar o sistema fotovoltaico com intuito de atender ao consumo de energia elétrica do parque ambiental;
d) Definição da área a ser utilizada e) Definição do tipo de estrutura metálica
f) Projetar o arranjo e a conexão elétrica dos painéis fotovoltaicos e inversores a rede elétrica.
1.4 DELIMITAÇÕES
Esse trabalho visa o desenvolvimento da primeira etapa de um Sistema Fotovoltaico Conectado à Rede – SFVCR que atenda parte da necessidade de consumo de energia elétrica atual do Parque Ambiental Encantos do Sul, sendo que para atender esse requisito alguns equipamentos que já haviam sido adquiridos deveriam ser utilizados no projeto.
1.5 METODOLOGIA
Para iniciarmos a elaboração deste trabalho, buscou-se na NR 482 e na NR 687, normas que regulamentam as atividades de geração distribuída no Brasil, as regras para que os consumidores utilizem esse recurso. Também foram analisadas todas as faturas de energia elétrica no período de outubro de 2013 a outubro 2017, emitidas pela concessionária de energia elétrica estadual em nome do Parque Ambiental.
Após a análise dessas faturas partiu-se para a simulação utilizando softwares como PVSYST®, PVSOL® e o Stringsizer da ABB para determinação de quantidades de placas fotovoltaicas, área a ser utilizada, e quantidade de inversores a serem utilizados. Com a definição das quantidades de placas fotovoltaicas e a área necessária contatou-se empresas do ramo para o fornecimento da estrutura metálica compatível com essas características. De acordo com as quantidades e especificações técnicas das placas e inversores projetou-se o arranjo e a conexão elétrica dos painéis fotovoltaicos e inversores à rede elétrica. Finalizando, chegou-se a fase de caracterizar e dimensionar os sistemas de proteção, medição e telecomunicação da unidade fotovoltaica.
1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO
A fim de facilitar o entendimento dos leitores, a pesquisa está dividida em quatro capítulos.
O Capítulo 1 trata da introdução, objetivos da pesquisa, e suas justificativas. O Capítulo 2 apresenta o referencial teórico, e abrange a parte da história da energia, a energia no Brasil e no mundo, fontes de energia, tecnologia dos módulos, componentes do Sistema Fotovoltaico e seus tipos.
No Capítulo 3 é apresentado a metodologia utilizada na ampliação da unidade fotovoltaica, incluindo cálculos importantes para a execução do projeto.
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
A finalidade desta unidade é demonstrar de que forma ocorre a transformação da energia solar em energia elétrica, os equipamentos e insumos necessários para que ocorra esse fenômeno.
2.1 HISTÓRICO DA ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
O efeito fotovoltaico, observado por acaso pelo físico francês Alexandre Edmond Becquerel em 1839 em uma de suas experiencias eletroquímicas verificou que a exposição de eletrodos de platina à luz, dava origem ao aparecimento de uma diferença de potencial nos seus extremos.
A serendipidade, ou seja, o acaso foi igualmente determinante na construção da primeira célula fotovoltaica. Segundo uma carta de Willoughby Smith para Latimer Clark, datada de 4 de fevereiro de 1873, a sua descoberta do efeito fotovoltaico no selênio foi um acidente inesperado:
”Being desirous of obtaining a more suitable high resistance for use at the Shore Station in connection with my system of testing and signalling during the submersion of long submarine cables, I was induced to experiment with bars of selenium - a known metal of very high resistance. I obtained several bars, varying in length from 5 cm to 10 cm, and of a diameter from 1.0 mm to 1.5 mm. Each bar was hermetically sealed in a glass tube, and a platinum wire projected from each end for the purpose of connection. (...) While investigating the cause of such great differences in the resistance of the bars, it was found that the resistance altered materially according to the intensity of light to which they were subjected”. (HAWKS, 1976)
Esse fato, por décadas, foi visto como uma tecnologia futurista e que se restringiria exclusivamente aos cientistas e suas pesquisas pelo seu alto custo inicial.
Os estudos sobre o efeito fotovoltaico resultaram em grandes avanços, os quais fizeram Albert Einstein ganhar seu primeiro Prêmio Nobel, como também foram responsáveis por concretizar a energia solar como uma maneira real de produzir energia limpa.
Embora tenha sido Russell Ohl quem inventou a primeira célula solar de silício, considera-se que a era moderna da energia solar teve início em 1954, como podemos ver na Figura 1, quando Calvin Fuller, um químico da Bell Laboratories em Murray Hill, New Jersey, nos Estados Unidos desenvolveu o processo de dopagem do silício e compartilhando essa descoberta com o físico Gerald Pearson e posteriormente com outro amigo Daryl Chapin, que
tentava encontrar uma alternativa para as baterias que alimentavam o sistema de telefonia. As primeiras células tinham problemas técnicos que foram superadas com a química quando Fuller dopou o silício com arsênio e depois com boro levando as células a eficiência recorde de cerca de 6%. As primeiras células foram oficialmente apresentadas em 25 de abril de 1954 na reunião anual da National Academy of Sciences em Washington.
Fonte: Bell Labs website
2.2 A MATRIZ ELÉTRICA NO MUNDO
Um dos maiores desafios mundiais é ofertar energia e concomitantemente a isso reduzir as emissões de Gases de Efeito Estufa (GEE) a fim de desacelerar as mudanças climáticas. A matriz elétrica mundial, que é a geração total de energia elétrica no mundo está segmentada conforme verificamos no Gráfico 1. Ela é baseada, principalmente, em combustíveis fósseis como carvão, óleo e gás natural e em termelétricas (EMPRESA DE PESQUISA ENERGÉTICA, 2017).
Gráfico 1 - Matriz Elétrica Mundial em 2015
Fonte: EPE, 2017
Ainda, segundo o Ministério de Minas e Energia – MME, em 2015 as fontes renováveis de energia, representavam 22,8% na participação da matriz elétrica mundial, onde a energia eólica alcançou 838028 GWh e a energia solar bateu 255974 GWh. Em termos de matriz elétrica mundial, em 1973 a demanda era de 6115 TWh e em 2015 essa demanda chegou a 24255 TWh, representando um crescimento de 3,33% ao ano.
2.3 A MATRIZ ELÉTRICA NO BRASIL
No Brasil, que apresentava uma predominância hidráulica em sua matriz elétrica, onde em 1973 as fontes hídricas representavam 89,4% da matriz elétrica viu essa predominância cair para 68,1 % em 2015. Também, em 1973, as fontes como biomassa, biodiesel, eólica, solar, geotérmica, marés, ondas, gás natural, entre outras representavam 1,7% da matriz elétrica
nacional e em 2015 deram um salto para 22,7% de representatividade na matriz elétrica nacional. Em 2015 o consumo de energia elétrica era 581,7 TWh de energia contra 64,7 TWh em 1973, ou seja, um crescimento de 5,37% ao ano (EMPRESA DE PESQUISA ENERGÉTICA, 2017).
Fonte: EPE, 2017
2.4 ENERGIA SOLAR
Quase todas as fontes de energia conhecidas derivam da energia solar. Essas fontes de energia como hidráulica, eólica, biomassa, combustíveis fósseis e energia dos oceanos são formas indiretas de energia solar, pois é a energia do sol que altera o estado físico da água, fazendo com que essa migre e possa ser represada e aproveitada nas usinas hidrelétricas, as massas de ar que são aquecidas e provoca os ventos que são aproveitados em aerogeradores dos parques eólicos, a fotossíntese que absorve a energia do sol e dá vida às plantas e estas são
utilizadas como fonte de energia de biomassa. Até mesmo o petróleo, que vem da decomposição de restos de vegetação e animais pré-históricos, pois o sol foi necessário em eras passadas para dar vida a esses animais e vegetações.
A radiação solar pode ser utilizada diretamente como fonte de energia térmica sendo utilizada para aquecimento de fluídos e ambientes. Da mesma forma, pode ser convertida diretamente em energia elétrica utilizando os princípios termoelétrico e fotovoltaico. O primeiro caracteriza-se pelo surgimento de uma diferença de potencial, provocada pela junção de dois metais em condições específicas, o segundo, utilizando células solares, os fótons contidos na luz solar são convertidos em energia elétrica.
2.5 ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA NO BRASIL
Em comparação aos países europeus, onde a tecnologia fotovoltaica é amplamente disseminada para a produção de energia elétrica, o Brasil recebe elevados índices de irradiação solar. No entanto o avanço tecnológico de sistemas fotovoltaicos no Brasil tem passado por fases de crescimento, como períodos com várias dificuldades. Somente a partir de 2009, com a publicação da Lei nº 12.111 que tratava sobre os serviços de energia elétrica nos Sistemas Isolados o país entrou na busca por outras fontes de energias renováveis, sendo essa lei um marco para a universalização do atendimento de energia elétrica, pois ela autoriza a utilização de subsídio governamental para reembolsar o custo de geração, incluindo investimentos e custos de operação e manutenção de qualquer sistema elétrico – e não mais só aqueles a base de combustíveis fósseis – para atendimento a áreas isoladas do Sistema Interligado Nacional – SIN (PINHO e GALDINO, 2014).
Os primeiros sistemas fotovoltaicos conectados à rede elétrica foram instalados no Brasil no final dos anos 90 em concessionárias, universidades e centros de pesquisa. A CHESF (Companhia Hidrelétrica do São Francisco) foi a primeira empresa a instalar esse tipo de tecnologia no país em sua sede em Recife, PE. Na sequência, outras instalações fotovoltaicas surgiram como na USP (São Paulo, SP), na UFSC (Florianópolis, SC), na UFRGS (Porto Alegre, RS) e no Centro de Pesquisas de Energia Elétrica – CEPEL (Rio de Janeiro, RJ).
A regulamentação para sistemas fotovoltaicos conectados à rede de distribuição, associados a unidades consumidoras, foi definida em 2012 pela Agência Nacional de Energia Elétrica – ANEEL, a partir da publicação da Resolução Normativa nº 482/2012, que trata da micro e mini geração distribuída, e posteriormente visando adequá-la às novas tendências do
mercado consumidor de energia elétrica e aumentar sua abrangência, a ANEEL publicou a Resolução Normativa nº 687/2015. (PINHO e GALDINO, 2014).
Quanto a instalação de Usinas Fotovoltaicas – UFV no Brasil, a primeira foi inaugurada em 2011 no município de Tauá, CE com uma potência instalada de 1 MWp e surgiu por intermédio de iniciativa privada.
Em novembro de 2013 ocorreu o primeiro Leilão de Energia (A-3) e a Empresa de Pesquisa Energética – EPE habilitou a participação dos empreendimentos de geração fotovoltaicos com potências igual ou superior a 5 MW. Esse leilão foi destinado à compra de energia de novos empreendimentos de geração eólica, solar e termelétrica a biomassa ou gás natural em ciclo combinado, para início de geração a partir de janeiro de 2016.
Segundo a Associação Brasileira de Distribuidores de Energia Elétrica – ABRADEE Leilão A-3 significa:
“Essa nomenclatura é utilizada para designar o ano para o qual se realizam os Leilões de Compra de Energia Elétrica (geralmente se utiliza "Leilão A-3" para qualificar o Leilão de Energia). Corresponde, para todos os efeitos, ao terceiro ano posterior ao Ano Base "A", onde o ano "A" é o ano em que o Leilão é realizado.
Exemplo: em um hipotético Leilão "A-3" realizado em 2013, a energia deverá ser fornecida a partir de 2016; em outras palavras, o ano-base "A" é o ano em que o Leilão foi realizado – 2013 - para se começar o fornecimento 3 anos depois, ou seja, em 2016.”
2.6 EFEITO FOTOVOLTAICO
O efeito fotovoltaico dá-se em materiais da natureza denominados semicondutores que se caracterizam pela presença de bandas de energia onde é permitida a presença de elétrons (banda de valência) e de outra onde totalmente "vazia" (banda de condução). (CRESESB)
O semicondutor mais usado é o silício. Seus átomos se caracterizam por possuírem quatro elétrons que se ligam aos vizinhos, formando uma rede cristalina. Ao adicionarem-se átomos com cinco elétrons de ligação, como o fósforo, por exemplo, haverá um elétron em excesso que não poderá ser emparelhado e que ficará "sobrando", fracamente ligado a seu átomo de origem. Isto faz com que, com pouca energia térmica, este elétron se livre, indo para a banda de condução. Diz-se assim, que o fósforo é um dopante doador de elétrons e denomina-se dopante n ou impureza n (CRESESB).
Figura 2 - Corte transversal de uma célula fotovoltaica
Fonte: CRESESB
Se, por outro lado, introduzem-se átomos com apenas três elétrons de ligação, como é o caso do boro, haverá uma falta de um elétron para satisfazer as ligações com os átomos de silício da rede. Esta falta de elétron é denominada buraco ou lacuna e ocorre que, com pouca energia térmica, um elétron de um sítio vizinho pode passar a esta posição, fazendo com que o buraco se desloque. Diz-se, portanto, que o boro é um aceitador de elétrons ou um dopante p (CRESESB).
Fonte: CRESESB
Se, partindo de um silício puro, forem introduzidos átomos de boro em uma metade e de fósforo na outra, será formado o que se chama junção pn. O que ocorre nesta junção é que elétrons livres do lado n passam ao lado p onde encontram os buracos que os capturam; isto faz com que haja um acúmulo de elétrons no lado p, tornando-o negativamente carregado e uma redução de elétrons do lado n, que o torna eletricamente positivo. Estas cargas aprisionadas dão origem a um campo elétrico permanente que dificulta a passagem de mais elétrons do lado n para o lado p; este processo alcança um equilíbrio quando o campo elétrico forma uma barreira capaz de barrar os elétrons livres remanescentes no lado n (CRESESB).
Se uma junção pn for exposta a fótons com energia maior que o gap, ocorrerá a geração de pares elétron-lacuna; se isto acontecer na região onde o campo elétrico é diferente de zero, as cargas serão aceleradas, gerando assim, uma corrente através da junção; este deslocamento de cargas dá origem a uma diferença de potencial ao qual chamamos de Efeito Fotovoltaico. Se as duas extremidades do "pedaço" de silício forem conectadas por um fio, haverá uma circulação de elétrons. Esta é a base do funcionamento das células fotovoltaicas (CRESESB).
2.7 SISTEMA FOTOVOLTAICO CONECTADO A REDE - SFVCR
Os sistemas fotovoltaicos conectados à rede elétrica na sua maioria não utilizam sistemas de armazenamento como baterias, pois para esse recurso utiliza-se a própria rede elétrica da concessionária. A energia excedente gerada pelo sistema fotovoltaico é entregue para a rede elétrica da concessionária gerando créditos de kW e no momento que essa fonte geradora é deficitária, ou seja, consome mais do que produz, essa unidade consumidora começa a utilizar seu crédito de kWh. A Figura 5 ilustra a configuração básica para este sistema.
Fonte: NeoSolar 2016
2.8 RESOLUÇÃO NORMATIVA Nº482 E SUAS ALTERAÇÕES VIA RESOLUÇÃO NORMATIVA Nº687
Com a Resolução Normativa ANEEL nº 482/2012, foi permitido ao consumidor brasileiro poder gerar sua própria energia elétrica a partir de fontes renováveis ou cogeração qualificada e inclusive fornecer o excedente para a rede de distribuição de sua localidade. Trata-se da micro e mini geração distribuída de energia elétrica, inovações que podem aliar economia financeira, consciência socioambiental e autossustentabilidade (ANEEL, 2015).
Com o objetivo de reduzir custos e tempo para a conexão da micro e mini geração; compatibilizar o sistema de compensação de Energia Elétrica com as Condições Gerais do Fornecimento (Resolução Normativa nº 414/2010); aumentar o público alvo; e melhorar as informações na fatura, a ANEEL publicou a Resolução Normativa nº 687/2015 revisando a Resolução Normativa nº 482/2012 (ANEEL, 2015).
Conforme a Resolução nº 687/2015, é permitido o uso de qualquer fonte renovável, além da cogeração qualificada, denominando-se microgeração distribuída a central geradora com potência instalada até 75 quilowatts (KW) e minigeração distribuída aquela com potência acima de 75 kW e menor ou igual a 5 MW (sendo 3 MW para a fonte hídrica), conectadas na rede de distribuição por meio de instalações de unidades (ANEEL, 2015).
2.9 ACESSO AO SISTEMA DE DISTRIBUIÇÃO
A Resolução Normativa nº 482/2012 define que as distribuidoras de energia elétrica deverão adequar seus sistemas comercias e elaborar ou revisar normas técnicas para tratar do acesso de microgeração e minigeração distribuída, utilizando como referência os Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional – PRODIST, as normas técnicas brasileiras e de forma complementar, as normas técnicas internacionais (ANEEL, 2012)
Compete ao consumidor a iniciativa de instalação de micro ou minigeração distribuída – a ANEEL não estabelece o custo dos geradores e tampouco eventuais condições de financiamento. Portanto, o consumidor deve analisar a relação custo/benefício para instalação dos geradores, com base em diversas variáveis: tipo da fonte de energia (painéis solares, turbinas eólicas, geradores a biomassa e outros), tecnologia dos equipamentos, porte da unidade consumidora e da central geradora, localização (rural ou urbana), valor da tarifa à qual a unidade consumidora está submetida, condições de pagamento/financiamento do projeto e existência de outras unidades consumidoras que possam usufruir dos créditos do sistema de compensação de energia elétrica. Por fim, é importante ressaltar que, para unidades consumidoras conectadas em baixa tensão (grupo B), ainda que a energia injetada na rede seja superior ao consumo, será devido o pagamento referente ao custo de disponibilidade – valor em reais equivalente a 30 kWh (monofásico), 50 kWh (bifásico) ou 100 kWh (trifásico). Já para os consumidores conectados em alta tensão (grupo A), a parcela de energia da fatura poderá ser zerada (caso a quantidade de energia injetada ao longo do mês seja maior ou igual à quantidade de energia consumida), sendo que a parcela da fatura correspondente à demanda contratada será faturada normalmente (ANEEL, 2012).
2.10 CRÉDITO DE ENERGIA
Conforme o capítulo III da Resolução nº482, o consumidor com o sistema fotovoltaico instalado na unidade consumidora poderá aderir ao sistema de compensação de energia elétrica. Caso a energia injetada na rede seja superior à energia consumida, cria-se um “crédito de energia” que não pode ser revertido em dinheiro, mas pode ser utilizado para abater o consumo da unidade consumidora nos meses subsequentes ou em outras unidades de mesma titularidade desde que todas as unidades estejam na mesma área de concessão. Esse crédito pode ser utilizado dentro da sua validade, que é de 60 meses (ANEEL, 2012).
2.11 MEDIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA
Os custos referentes à adequação do sistema de medição, necessários para a implantação do sistema de compensação de energia elétrica ficarão sob responsabilidade do interessado. Considera-se como custo de adequação a diferença entre o custo dos componentes do sistema de medição requerido para o sistema de compensação de energia elétrica e o custo do medidor convencional utilizado em unidades consumidoras do mesmo nível de tensão. O sistema de medição deve ser registrado no ativo imobilizado em serviço, devendo a parcela de responsabilidade do interessado a ser contabilizado em contrapartida do Subgrupo Obrigações Vinculadas à Concessão do Serviço Público de Energia Elétrica (ANEEL, 2012).
Após o processo de adequação do sistema de medição, a distribuidora será responsável pela sua operação e manutenção, incluindo os custos de eventual substituição ou adequação. A distribuidora deverá adequar o sistema de medição dentro do prazo para realização da vistoria e ligação das instalações e iniciar o sistema de compensação de energia elétrica assim que for aprovado o ponto de conexão, conforme procedimentos e prazos estabelecidos pelo PRODIST (ANEEL, 2012).
2.12 RESPONSABILIDADES POR DANO AO SISTEMA ELÉTRICO
Conforme Art. 11 da Resolução Normativa 482/2012, no caso de dano ao sistema elétrico de distribuição comprovadamente ocasionado por microgeração ou minigeração distribuída incentivada, aplica-se o estabelecido no inciso II do Art. 164 da Resolução Normativa nº 414/2010, que determina o ressarcimento à distribuidora de indenizações por danos a equipamentos elétricos acarretados a outros consumidores, que, comprovadamente, tenham decorrido do uso da carga ou geração provocadora dos distúrbios.
Caso seja comprovado que houve irregularidade na unidade consumidora, os créditos de energia ativa gerados no respectivo período não poderão ser utilizados no sistema de compensação de energia elétrica (ANEEL, 2012).
2.13 CONEXÃO COM A REDE DE DISTRIBUIÇÃO
Conforme o Manual de Procedimentos da CELESC que trata dos requisitos para a conexão de micro ou mini geradores de energia ao sistema elétrico da CELESC Distribuição as
etapas para a viabilização do acesso deverão seguir as seguintes etapas (CELESC DISTRIBUIÇÃO S.A., 2017):
2.13.1 Solicitação de Acesso
O acessante formaliza à Celesc Distribuição a Solicitação de Acesso ao sistema como micro/mini gerador e encaminha as informações necessárias. Caso faltem informações o acessante terá 15 dias para reapresentar a documentação.
Neste momento, o acessante deve encaminhar os seguintes documentos: a) Formulário de Solicitação de Acesso
b) Anotação de Responsabilidade Técnica – ART do profissional tecnicamente responsável pelo projeto elétrico, emitida pelo CREA, devidamente assinada pelo Responsável Técnico e pelo titular da unidade consumidora. A atividade técnica deve ser “Projeto”. A classificação das atividades deve conter:
- Microgeração de Energia Solar até 5 kW com Alimentação Monofásica, ou;
- Microgeração de Energia Solar até 10 kW em Alimentação Trifásica, ou; - Geração solar de energia elétrica, ou;
- Geração térmica de energia elétrica, ou; - Geração eólica de energia elétrica, ou; - Geração hidráulica de energia elétrica.
Além dos códigos descritos acima por exigência da CELESC, a ART deve conter também as seguintes atividades técnicas:
- Aterramento de instalações elétricas em baixa tensão;
- Verificação final de instalações elétricas em média tensão (item 7 da NBR143);
- Verificação de instalação elétrica em baixa tensão com demanda de até 300 kVA (Capítulo 7 – NBR5410);
- Instalação elétrica em baixa tensão para fins residenciais/comerciais, ou; - Instalação elétrica em baixa tensão para fins industriais, ou;
- Instalação elétrica média/alta tensão para fins residenciais/comerciais, ou; - Instalação elétrica em alta tensão para fins industriais.
c) Memorial Descritivo da instalação contendo, entre outros elementos, os ajustes de proteção, diagramas unifilares, desenhos/projetos elétricos da instalação da microgeração ou minigeração, memória de cálculo dos condutores e eletrodutos utilizados e especificação técnica dos equipamentos instalados, como painéis fotovoltaicos, turbinas, geradores, relés inversores, reguladores, entre outros. d) Estudos operacionais necessários à conexão, quando se tratar de minigeração.
2.13.2 Parecer Técnico de Acesso
É o Documento emitido pela CELESC Distribuição que ficam estabelecidos os requisitos e características técnicas da conexão, as condições de acesso que o acessante deverá atender, e demais características do empreendimento. A Celesc Distribuição emitirá o parecer Técnico de Aceso da Instalação em até 15 dias para microgeração ou 30 dias para minigeração. Caso haja necessidade de reforços e ou melhorias no sistema, o prazo será de até 30 dias para microgeração e 60 dias para minigeração (CELESC DISTRIBUIÇÃO S.A., 2017).
2.13.3 Implantação da Conexão
Para implantação da conexão, o acessante deve encaminhar à CELESC Distribuição o Formulário de Solicitação de Vistoria e Anotação de Responsabilidade Técnica – ART do profissional tecnicamente responsável pela execução do projeto elétrico, emitida pelo CREA-SC devidamente assinado pelo responsável técnico e pelo titular da unidade consumidora. A classificação das atividades na ART de execução deve ser a mesma da ART de projeto, podendo a critério do projetista apresentar uma ART de Projeto e Execução na etapa de solicitação de acesso. Essa documentação deve ser encaminhada à concessionária pela internet, através do sistema PEPWeb, no endereço eletrônico http://pep.celesc.com.br e aguardar até sete dias para que a mesma seja feita. Após a realização da vistoria a concessionária dispõe de até cinco dias para emissão do relatório, no qual serão apontadas as eventuais pendências técnicas da instalação (CELESC DISTRIBUIÇÃO S.A., 2017).
2.13.4 Aprovação do Ponto de Conexão
Após o recebimento do relatório de vistoria, o acessante deve efetuar as adequações previstas nesse relatório e comunicar a CELESC Distribuição a realização das mesmas. A concessionária após constatar a realização das adequações emite parecer aprovando a operação da mini ou micro geradora em até sete dias. A aprovação ocorrerá somente após a realização de todas as adequações solicitadas pela concessionária. Caso alguma solicitação não seja atendida, essa etapa será reiniciada e, portanto, serão necessários novamente até sete dias para emissão de novo parecer da CELESC Distribuição.
2.14 COMPONENTES DO SISTEMA FOTOVOLTAICO UTILIZADOS NO PAES
Os sistemas fotovoltaicos conectados à rede (SFVCR) são compostos por módulos fotovoltaicos, inversores, dispositivos de proteção, cabos, sistema de fixação e suporte dos módulos. Nos últimos anos, com incentivos governamentais que influenciaram a disseminação e implantação de geração distribuída no país, os preços tem-se tornado atrativos e isso facilitou a chegada de diversas marcas ao mercado nacional. A seguir, veremos os equipamentos utilizados na unidade fotovoltaica do PAES.
2.14.1 Células Fotovoltaicas
A célula fotovoltaica é o dispositivo que converte a radiação solar diretamente em energia elétrica através do efeito fotovoltaico. As células que constituem os painéis solares, na maioria utilizam o silício (Si) em sua composição que podem ser cristais monocristalinos, policristalinos ou de silício amorfo.
Como uma única célula não é suficiente para gerar potências elétricas elevadas, os fabricantes associam células, e as encapsulam para proteção, formando assim um módulo fotovoltaico (Blue-Sol).
Na Figura 5 é mostrada a estrutura básica de uma célula fotovoltaica de silício, destacando-se:
(1) Região tipo N; (2) Região tipo P;
(4) Geração de par elétron-lacuna; (5) Filme antirreflexivo;
(6) Contatos metálicos.
Fonte: MOEHLECKE e ZANESCO, 2005
Os módulos fotovoltaicos, produzem eletricidade em corrente contínua e com valores de tensões e correntes variadas, dependendo do arranjo das células dentro do módulo. As tensões e correntes (para módulos tipicamente utilizados em usinas) variam entre 30 a 100 V e 1 a 9 A.
Em função da janela de operação do inversor fotovoltaico, as tensões em corrente contínua podem atingir valores de até 1000V, e por isso os condutores devem possuir isolação adequada, para evitar comprometimento de isolação e fugas de corrente elétrica. Condutores elétricos possuem importante papel na confiabilidade de um sistema FV. Como estarão sujeitos a grande parte das intempéries é conveniente que os condutores possuam proteção contra raios UV.
A potência nominal de um módulo é o watt-pico (Wp) que é determinada em condições padrão de teste (CPT), cuja temperatura da junção da célula fotovoltaica é de 20ºC, com variação de mais ou menos 3ºC, irradiação solar de 1000 W/m², normal à superfície de ensaio e espectro solar (massa de ar) de AM 1,5 (ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, 2013).
Na unidade em implantação do PAES, serão utilizados os painéis fotovoltaicos da empresa Yingli Green Energy, modelo YP245P-29b composto por 60 células fotovoltaicas policristalinas em cada painel.
Um dos processos de criação de silício policristalino mais utilizado é o de fundição de lingotes, onde o silício em estado bruto é aquecido no vácuo até uma temperatura de 1.500ºC e depois resfriado até uma temperatura de 800ºC. Pode-se aproveitar o processo de purificação do silício, e já adicionar o Boro. Nesse processo é utilizado menos energia. Serão criados blocos de silício de 40x40 cm² com altura de 30cm. O processo segue como o do silício monocristalino, com o corte, tratamento antirreflexo e criação dos contatos frontais (Blue-Sol). A eficiência das células fotovoltaicas policristalino variam de 13% a 15%, tem forma geralmente quadrada e espessura de 0,3mm.
2.14.2 Inversores CC x CA
Os módulos solares fotovoltaicos geram energia em corrente continua (CC) e necessitam que essa energia seja convertida para corrente alternada (CA). Essa conversão é função exclusiva dos inversores, também conhecidos como conversores CC-CA. Convertendo a energia gerada em corrente contínua (CC) para corrente alternada (CA), permite que essa energia seja disponibilizada para a rede pública com as mesmas características, possibilitando assim, a interconexão do sistema fotovoltaico com a rede elétrica.
Os inversores devem obedecer às características do sistema ao qual serão interligados, para sistemas interligados ou para sistemas autônomos. Devido ao seu alto grau de sofisticação, os inversores para os sistemas interligados à rede não podem ser comparados aos inversores autônomos, pois esses não possuem o mesmo controle sobre tensão, fase e frequência que os inversores grid-tie possuem.
No Brasil o inversor para cada conexão deve atender à norma ABNT NBR 16149:2013 (ABNT, 2013b), que estabelece parâmetros como: faixas de variação de tensão e frequência, THD, proteção contra ilhamento, fator de potência, entre outros (CRESESB).
Praticamente todos os inversores para conexão à rede existente no mercado possuem incorporadas funções de monitoração e aquisição de dados, de forma a disponibilizar ao usuário informações operacionais. Nesse projeto serão utilizados os inversores da Asea Brown Boveri (ABB), modelos PVI-10.0-TL-OUTD e PVI-12.5-TL-OUTD, tendo suas potencias nominais 10.0 kW e 12.5 kW respectivamente, conforme Figura 7.
Fonte: Manual inversor PVI-12.5 ABB
2.14.3 String Box e Fusíveis
String Box, conforme Figura 8 são concentradores de strings (módulos ligados em série) e sua finalidade é proteger o lado de corrente contínua do sistema, através de fusível, proteção por DPS na saída e secionamento. Na ocorrência de um curto circuito em um sistema FV, as correntes produzidas por um módulo FV pouco diferem das correntes geradas durante sua operação normal. A diferença entre as correntes de curto circuito (Isc) e as correntes de máxima potência (Impp) dependem da tecnologia do módulo FV, sendo que essa diferença pode chegar a 30%.
No PAES, as string box foram montadas utilizando itens como disjuntor CC, DPS, porta fusíveis e seccionadores como mostra a Figura 8 e descritos a seguir.
Fonte: Arquivo do autor
2.14.3.1 Proteção CC
Para realizar manutenção no sistema FV (ex.: chave seccionadora ou disjuntor), é necessário que os circuitos estejam desenergizados. A IEC 60364-7-712, estipula a necessidade da instalação de um dispositivo de seccionamento entre módulos FV e inversores. Este seccionamento pode ser realizado por um disjuntor CC ou conjunto de fusíveis. Esses dispositivos de proteção devem ser corretamente dimensionados de modo que sua tensão nominal seja superior ou igual à tensão de circuito aberto do painel FV ao qual está conectado, levando em consideração o aumento da tensão em baixas temperaturas durante o período de inverno.
A corrente nominal do disjuntor/fusíveis deve ser superior à Isc do sistema FV como um todo. Ambos os polos devem ser seccionados simultaneamente. Em sistemas FV conectados à rede, muitos inversores já possuem seccionadores incorporados ao equipamento, que permitem desconectar o lado CC antes de realizar qualquer procedimento no inversor.
A função desses dispositivos nesse caso é o seccionamento do circuito. Para que se entendam melhor as correntes máximas atuantes na entrada e na saída de um inversor:
Quando o painel FV tem potência superior à potência do inversor, o inversor modula seu ponto de máxima potência (MPPT) de modo a desprezar toda potência superior à sua potência máxima. Por isso, um disjuntor CA dificilmente irá atuar em casos de sobrecarga, a menos que o inversor apresente defeito, ou o disjuntor esteja subdimensionado. A capacidade
do disjuntor CA deverá ser superior à corrente nominal do inversor, levando-se em conta fatores externos que podem levar à redução da capacidade do disjuntor (ex.: altas temperaturas).
Fonte: Arquivo do autor
Como podemos observar na Figura 9, os quatro fusíveis superiores estão interligados no lado negativo da strig e os quatro fusíveis abaixo desses estão conectados aos polos positivos da strig.
2.14.3.2 DPS
Para evitar as sobretensões causadas pelas descargas atmosféricas será instalado supressores de surto ou dispositivos de proteção contra surtos (DPS). Estes dispositivos têm por função proteger os equipamentos elétricos contra picos de tensão, normalmente causados por descargas atmosféricas. Os DPS podem ser classificados em duas classes:
- Classe I - São indicados para locais sujeitos a descargas elétricas de alta intensidade, característica típica de instalações e edificações alimentadas diretamente por rede de distribuição aérea. É recomendada sua instalação no ponto de entrada da rede elétrica na edificação.
-Classe II - São indicados para locais onde a rede elétrica não está exposta a descargas atmosféricas diretas, caso de instalações e circuitos elétricos embutidos/subterrâneos. Recomenda-se sua instalação no quadro de distribuição. Os DPS Classe II são normalmente utilizados nos lados CC e CA do sistema FV. No lado CC, ambos os polos devem ser protegidos, independentemente de a instalação possuir aterramento funcional em um de seus polos.
Após uma descarga atmosférica nas proximidades do sistema FV, é recomendado realizar uma inspeção visual no DPS. Caso os DPS sejam instalados em locais de difícil acesso, é conveniente prever monitoramento remoto do dispositivo ou utilizar inversores com monitoramento de isolamento. O equipamento eletrônico de maior custo em um sistema FV é o inversor. Devido a este conversor estar sujeito a surtos de corrente que tanto podem acontecer pelo lado CC como pelo lado CA, pode-se utilizar um DPS antes e após deste.
Os DPS utilizadas nesse projeto, são fabricados pela empresa Carlo Gavazzi com monitoramento remoto opcional, conforme Figura 10.
Fonte: Arquivo do autor
3 METODOLOGIA UTILIZADA NA AMPLIAÇÃO FOTOVOLTAICA DO PAES
Os painéis fotovoltaicos possuem em suas características a especificação de potência em Watts-pico (Wp) que, na prática, é um valor obtido em laboratório e em condições muito favoráveis regida pelo Standard Test Conditions (STC), como irradiância direta de 1000 W/m², temperatura das placas mantida em 25 ºC e coeficiente de massa Air Mass (AM) é de 1,5. Como a realidade das instalações fotovoltaicas para o PAES são bem adversas a esse ambiente de teste, a potência-pico dificilmente será alcançada no dia a dia.
Nesse processo de geração de energia fotovoltaica, alguns fatores podem interferir diretamente no rendimento das plantas, e esses fatores veremos a seguir.
3.1 IRRADIAÇÃO SOLAR
Segundo o CRESESB, os índices de irradiação solar para as coordenadas pertencentes à localização do parque ambiental, (Latitude: 28,401° Sul e Longitude: 48,949° Oeste) oscilam entre 3,50 kWh/m².dia a 5,39 kWh/m².dia para uma inclinação de 28º Norte, conforme podemos observar na Tabela 1.
Tabela 1 - Irradiação Solar Média Mensal
Ângulo
Irradiação solar diária média mensal [kWh/m2.dia]
Média Delta Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez
Plano Horizontal 0° N 5,9 5,42 4,6 3,8 3 2,5 2,8 3,48 3,6 4,46 5,74 6,14 4,28 3,61 Ângulo igual a latitude 28° N 5,2 5,19 4,82 4,5 3,9 3,5 3,7 4,31 3,9 4,37 5,22 5,39 4,51 1,89 Maior média anual 23° N 5,4 5,29 4,84 4,4 3,8 3,4 3,6 4,22 3,9 4,44 5,37 5,59 4,52 2,21 Maior mínimo mensal 44° N 4,5 4,68 4,58 4,5 4,2 3,8 4 4,44 3,8 4,02 4,58 4,62 4,31 0,9 Fonte: CRESESB 3.2 ENERGIA DE GERAÇÃO
A energia de geração é a quantidade de energia que o sistema FV necessita gerar para atender as necessidades do estabelecimento. Segundo o histórico de consumo analisado
compreendido entre outubro de 2013 a dezembro de 2017, temos na Tabela 2 os valores médios mensais. Através dos consumos médios mensais apresentados nesta tabela, chegou-se a um valor médio de consumo do parque ambiental de 13.042,00 kWh.
Tabela 2 - Consumo de Energia Elétrica (kWh)
Meses CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA (kWh)
Fora da Ponta Na Ponta Total
Janeiro 13567,5 2919,0 16486,5 Fevereiro 11192,8 2232,0 13424,8 Março 10548,3 2349,8 12898,0 Abril 10650,0 2674,8 13324,8 Maio 9016,8 1888,3 10905,0 Junho 12183,0 2842,8 15025,8 Julho 9215,0 2210,3 11425,3 Agosto 10370,5 2424,5 12795,0 Setembro 9756,8 2541,3 12298,0 Outubro 9630,0 2290,0 11920,0 Novembro 8374,3 2572,5 10946,8 Dezembro 11940,0 3114,5 15054,5 Total 126444,8 30059,5 156504,3 Média 10537,06 2504,96 13042,02 Fonte: o autor
Como a energia consumida em horário de ponta (NP) de carga tem um valor por kWh diferenciado da tarifa em horário fora da ponta (FP), devemos então calcular uma relação entre esses valores para adequarmos a quantidade de energia a ser gerada.
Tendo em vista que o horário de ponta de carga definido pela concessionária estadual fica compreendido entre as 18:30 as 21:30 fizemos a suposição que não haveria geração fotovoltaica, logo a energia necessária para atender o consumo no horário de ponta vai ser gerado em horário fora de ponta. Nesse caso, se faz necessário encontrar um fator que é a razão entre o valor do kWh fora da ponta pelo Kwh na ponta, como podemos ver na equação a seguir.
𝑅𝑒𝑙𝑎çã𝑜𝐹𝑃 𝑁𝑃= 𝑅$/𝑘𝑊ℎ𝐹𝑃 𝑅$/𝑘𝑊ℎ𝑁𝑃 𝑅𝑒𝑙𝑎çã𝑜𝐹𝑃 𝑁𝑃 = 1,452487 0,414741 𝑅𝑒𝑙𝑎çã𝑜𝐹𝑃 𝑁𝑃 = 3,5
Dessa forma, para sabermos o consumo total das instalações, deve-se multiplicar o consumo em horário de ponta pela relação FP/NP. O valor obtido por essa multiplicação somado ao consumo na ponta será a energia a ser gerada total pela unidade fotovoltaica, como verificamos na Tabela 3.
Tabela 3 - Consumo de Energia Elétrica Corrigido (kWh)
Meses CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA (kWh)
Fora da Ponta Na Ponta Na ponta x (NP/FP) Total
Janeiro 13567,50 2919,00 10222,79 23790,29 Fevereiro 11192,75 2232,00 7816,81 19009,56 Março 10548,25 2349,75 8229,19 18777,44 Abril 10650,00 2674,75 9367,39 20017,39 Maio 9016,75 1888,25 6612,94 15629,69 Junho 12183,00 2842,75 9955,75 22138,75 Julho 9215,00 2210,25 7740,64 16955,64 Agosto 10370,50 2424,50 8490,97 18861,47 Setembro 9756,75 2541,25 8899,85 18656,60 Outubro 9630,00 2290,00 8019,93 17649,93 Novembro 8374,25 2572,50 9009,29 17383,54 Dezembro 11940,00 3114,50 10907,46 22847,46 Total 126444,8 30059,5 105273,0 231717,8 Média 10537,06 2504,96 8772,75 19309,81 Fonte: o autor
Então, o valor a ser gerado pela unidade fotovoltaica para contemplar às necessidades de consumo do parque ambiental encantos do sul é de 19.310 kWh médios.
3.3 INCLINAÇÃO E ORIENTAÇÃO DOS PAINÉIS FOTOVOLTAICOS
De acordo com a Tabela 1, para a localidade onde serão instalados os módulos fotovoltaicos do PAES, a inclinação adotada será 28º na direção Norte. Nessa angulação, temos a maior geração anual.
Na Figura 11, podemos observar que o sol nasce no Leste, ganha altura inclina-se para o Norte e se põe ao Oeste.
Fonte: Portal Solar
3.4 PERDAS DE ENERGIA
Como o sistema fotovoltaico apresenta perdas no seu processo produtivo e essas perdas são significativas e deve-se levá-las em consideração nos cálculos de dimensionamento do sistema. As perdas analisadas no projeto de ampliação da unidade fotovoltaica do PAES foram:
3.4.1 Perdas por Sombreamento
O sombreamento de painéis fotovoltaicos pode parecer não ser muito relevante para fins de projeto, mas interferem instantaneamente na geração do sistema fotovoltaico. Devido a esse evento, os fabricantes de painéis solares implementam sistemas de proteção, como diodos de by-pass, para diminuir o impacto na geração do sistema fotovoltaico caso tenhamos, por exemplo, o cair de uma de uma simples folha em cima de um painel fotovoltaico.
Os diodos de by-pass são utilizados para segregar partes do painel fotovoltaico, de forma que se houver algum sombreamento todas as células segregadas sejam “puladas” para evitar o excesso de calor nas células. O ponto negativo dessa manobra é que ao diodo de by-pass entrar em ação, todos os módulos em série a este serão afetados.
Para esse projeto especificamente, não teremos áreas de sombreamento causadas por arvores e ou prédios, porém foram calculados os espaçamentos entre os conjuntos que compõem os módulos fotovoltaicos. Dessa forma, um módulo fotovoltaico não causará sombreamento em outro módulo fotovoltaico.
Para esse cálculo, devemos primeiramente calcular o ângulo (θ) em que o Sol tem sua menor inclinação em relação ao solo para o pior caso, que para nós no hemisfério sul é 21 de junho, ou seja, no solstício de inverno. De acordo com a Figura 13, esse ângulo deve ser próximo a 12,34° e podemos verificar utilizando a expressão abaixo.
𝐶𝑜𝑠(𝛼) = 𝑆𝑒𝑛(δ) ∗ 𝑆𝑒𝑛(ϕ) ∗ Cos(β) + 𝐶𝑜𝑠(δ) ∗ Cos(ϕ) ∗ 𝐶𝑜𝑠(δ) ∗ Cons(ω8h)
Onde: Ângulo de incidência (θ) = ? Declividade (δ) = +23,45° Incli(β) = 0 Inclinação Solar (α) = 90 – θ Hora Solar (ω8h) = -60° Latitude (ϕ) = -28,45° 𝐶𝑜𝑠(θ) = 𝑆𝑒𝑛(23,45°) + 𝐶𝑜𝑠(−28,45°) ∗ 𝐶𝑜𝑠(0°) + 𝐶𝑜𝑠(23,45°) ∗ 𝐶𝑜𝑠(−28,45°) ∗ 𝐶𝑜𝑠(0°) ∗ 𝐶𝑜𝑠(−60°) 𝐶𝑜𝑠(θ) = 0,2137
θ = 77,66 α = 90 − θ α = 90 − 77,66
α = 12,34
Fonte: solardat.uoregon.edu
Seguindo com os cálculos para encontrar o distanciamento entre as fileiras(módulos) fotovoltaicos, temos:
Dados para cálculo:
Inclinação das placas fotovoltaicas(α): 28° Altura das placas (l): 3,3 m
Altura do solo: (h1) 2,0 m
Considerando a Figura 14, o destaque em amarelo é a representação em que se encontra o Sol no dia 21 de junho para calcular d2, que é a distância mínima entre os módulos, temos primeiramente que calcular d1, então:
Fonte: (LOPES, 2013) a) Cálculo (h) ℎ = 𝐿 ∗ sin ∝ ℎ = 3,3 ∗ sin 28° ℎ = 1,55 𝑚 b) Cálculo (d1) tan 𝛽 = ℎ 𝑑1 𝑑1 = 1,55 tan 28° 𝑑1 = 2,91 𝑚
c) Cálculo (d2) 𝑑2 = ℎ tan 𝛼∗ 𝐶𝑜𝑠(58°) 𝑑2 = 1,55 tan 12,34° 𝑑2 = 3,75 𝑚 d) Cálculo (d) 𝑑 = 𝑑1+ 𝑑2 𝑑 = 2,91 + 3,75 𝑑 = 6,66 𝑚
Diferentemente do projeto de P&D que utilizou 6,0 metros para o valor de d, no projeto de ampliação será considerado o valor de 7,0 metros de distância entre os módulos fotovoltaicos, garantindo assim que não haja perdas por sombreamento.
3.4.2 Perdas por Temperatura
A temperatura está entre os principais fatores que afetam o rendimento da geração de energia fotovoltaica.
Com o aumento da temperatura da célula fotovoltaica ocorrerá um aumento na corrente de curto circuito (Isc) e uma queda na tensão de circuito aberto (Voc), levando assim a uma diminuição na potência entregue pelo módulo fotovoltaico.
No caso dos painéis utilizados, temos nas características térmicas informadas pelo fabricante os seguintes dados na Tabela 4:
Tabela 4 - Características Térmicas Yingli YL245p-29b
Thermal Characteristics
Nominal operating cell temperature NOCT °C 46 +/- 2
Temperature coefficient of Pmax γ %/°C -0.45
Temperature coefficient of Voc βVoc %/°C -0.33
Temperature coefficient of Isc αIsc %/°C 0.06
Temperature coefficient of Vmpp βVmpp %/°C -0.45
Segundo o Instituto Nacional de Meteorologia (INMET) a máxima temperatura alcançada no período 2002-2017 foi 33°C nos meses de janeiro para a região de Florianópolis, conforme podemos observar no Gráfico 4.
Fonte: INMET
Para calcularmos a perda de potência do painel fotovoltaico em função do aumento da temperatura nas células fotovoltaicas, aplicamos os cálculos abaixo, considerando:
PC = Potência Corrigida (Wp)
Pn = Potência Nominal (Wp)
TH = Máxima Temperatura Ambiente (°C) + 30°C
NOCT = Nominal operating cell temperature (°C) γ = Temperature coefficient of PMax
𝑃𝑐 = 𝑃𝑛 + (𝛾 ∗ (𝛥𝑇) ∗ 𝑃𝑛) Onde ∆𝑇 = 𝑇𝐻− 𝑁𝑂𝐶𝑇 𝑃𝑐 = 245 + ((−0,45 100 ) ∗ ((33 + 30) − (46)) ∗ 245) 𝑃𝑐 = 226,26 𝑊 33 33 33 33 10 15 20 25 30 35 40 Te m p era tu ra ° C
Temperatura - jan/2002 a out/2017
Gráfico 4 - Temperatura Ambiente no Período 2002-2017O cálculo acima demonstra que com uma temperatura na célula de 63°C a máxima potência fornecida por essa placa fotovoltaica será de 230,66 W, ou seja, teremos uma perda de 7,65% em função da temperatura.
Isso significa que para a primeira etapa da ampliação fotovoltaica do PAES, o sistema apresenta uma perda total definida pela expressão:
𝑃𝑒𝑟𝑑𝑎𝑠𝑡𝑒𝑚𝑝= 𝑄𝑡𝑑𝑒𝑝𝑎𝑖𝑛é𝑖𝑠∗ (𝑃𝑛− 𝑃𝑐)
𝑃𝑒𝑟𝑑𝑎𝑠𝑡𝑒𝑚𝑝= 100 ∗ (245 − 226,26)
𝑃𝑒𝑟𝑑𝑎𝑠𝑡𝑒𝑚𝑝 = 1874 𝑊
3.4.3 Incompatibilidade elétrica
A incompatibilidade elétrica (Mismatch Losses) ocorre quando as placas estão conectadas em série ou paralelo ou pelas ligações internas das células FV. Essas perdas, que variam de 0,3% a 2,5% (N. and A. Agarwall, 2014), são consideráveis, pois provocam perda de potência prejudicando a eficiência do sistema fotovoltaico.
Existem dois tipos de incompatibilidade elétrica, a incompatibilidade estática e a incompatibilidade dinâmica.
A incompatibilidade estática, para módulos baseados em silício, as tolerâncias dos fabricantes estão abaixo de 1% (N. and A. Agarwall, 2014) e para a incompatibilidade dinâmica seus valores foram desprezados em função da dificuldade de obtenção desses dados.
O cálculo das perdas por incompatibilidades nesse caso é representado pela expressão:
𝑃𝑒𝑟𝑑𝑎𝑠𝑖𝑒 = 𝑃𝑛− ((1 − 1
100) ∗ 245)
Onde Pn é a potência nominal total dos painéis fotovoltaicos que compõem a primeira etapa da ampliação.
𝑃𝑒𝑟𝑑𝑎𝑠𝑖𝑒 = 245 − ((1 − 1
𝑃𝑒𝑟𝑑𝑎𝑠𝑖𝑒 = 2,45 𝑊
As perdas totais resultantes de incompatibilidades elétricas (Perdasietotal) são
representadas na equação a seguir:
𝑃𝑒𝑟𝑑𝑎𝑠𝑖𝑒𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑃𝑒𝑟𝑑𝑎𝑠𝑖𝑒 ∗ 𝑄𝑡𝑑𝑒𝑝𝑎𝑖𝑛é𝑖𝑠
𝑃𝑒𝑟𝑑𝑎𝑠𝑖𝑒_𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 2,45 ∗ 100
𝑃𝑒𝑟𝑑𝑎𝑠𝑖𝑒𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 245 𝑊
3.4.4 Acúmulo de sujeira
As perdas por sujidade em painéis fotovoltaicos se referem às perdas de geração por acumulo de partículas na superfície dos painéis. Essas partículas podem ser decorrentes de neve, poeira, excrementos de pássaros, fungos entre outros.
Para o nosso estudo, as perdas por acúmulo de sujeira estão muito associadas ao acumulo de poeira e cinzas provenientes nas unidades geradoras de energia elétrica a carvão em seu entorno.
Segundo Foley, uma camada difusa de poeira pode reduzir a absorção solar em torno de 5%. Nessa etapa da ampliação, sendo os painéis novos e por não existirem históricos de geração para comparação entre períodos distintos, será considerado para o cálculo de perdas por sujidade 5% na geração de energia fotovoltaica. Para as condições atuais dos módulos instalados na primeira etapa, esse índice de sujidade pode não ser alcançado em função da instalação recente dos mesmos, mas também pelo índice pluviométrico da região que favorece a limpeza pelas águas das chuvas.
Potência nominal da placa fotovoltaica (Pn) = 245W
Índice de sujidade adotado (Insuj) = 5%
𝑃𝑒𝑟𝑑𝑎𝑠𝑠𝑢𝑗 = 𝑃𝑛 − (1 −𝐼𝑛𝑠𝑢𝑗 100) ∗ 𝑃𝑛 𝑃𝑒𝑟𝑑𝑎𝑠𝑠𝑢𝑗 = 245 − (1 − 5 100) ∗ 245 𝑃𝑒𝑟𝑑𝑎𝑠𝑠𝑢𝑗 = 12,24 𝑊 𝑃𝑒𝑟𝑑𝑎𝑠𝑠𝑢𝑗𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑃𝑒𝑟𝑑𝑎𝑠𝑠𝑢𝑗∗ 100 𝑃𝑒𝑟𝑑𝑎𝑠𝑠𝑢𝑗𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 1224 𝑊 3.4.5 Cabeamento CC
Segundo Rüther (2004), as perdas ôhmicas em sistemas CC de baixa tensão são minimizadas pelo menor comprimento possível de cabos elétricos que conectam os painéis fotovoltaicos ao inversor de frequência e por contatos elétricos de qualidade.
Perdas nos cabos ocorrem em função do efeito Joule. Neste estudo consideraremos, em função da distância entre as placas e a string box e posteriormente da string box até o inversor, o valor de 2,0% de perda por efeito Joule.
3.4.6 Cabeamento CA
Para o dimensionamento dos cabos CA foram considerados as correntes circulantes em cada circuito divididos em dois circuitos:
Primeiramente temos o circuito 1 que interliga o inversor a o QGBT1, com uma distância máxima de 20 metros e uma corrente máxima de 25 amperes. No dimensionamento do circuito 1, foi calculado a queda de tensão que ocorre nesse circuito, conforme segue.
Resistência (R1) = ?
Resistividade do Cobre (ρ) = 0,017 Ωm Seção (S1) = 10mm²
