UNIVERSIDADETECNOLÓGICAFEDERALDOPARANÁ DEPARTAMENTOACADÊMICODEELETROTÉCNICA
ESPECIALIZAÇÃOEMENERGIASRENOVÁVEIS
LUCASVALMIRPELLEGRINI
PROJETO
DE
USINA
FOTOVOLTAICA
DE
5
MWP
EM
SÃO
LUIZ
DO
PURUNÃ
MONOGRAFIADEESPECIALIZAÇÃO
CURITIBA-PR 2019
LUCASVALMIRPELLEGRINI
PROJETO
DE
USINA
FOTOVOLTAICA
DE
5
MWP
EM
SÃO
LUIZ
DO
PURUNÃ
Monografia de Especialização apresentada ao Departamento Acadêmico de Eletrotécnica da Universidade Tecnológica Federal do Paraná, como requisito parcial para obtenção do título de Especialista em Energias Renováveis. Orientador: Prof.Esp. Luiz Fernando Ortega
CURITIBA-PR 2019
TERMO DE APROVAÇÃO
LUCASVALMIRPELLEGRINI
PROJETO DE USINA FOTOVOLTAICA DE 5 MWP EM SÃO LUIZ
DO PURUNÃ
Esta Monografia de Especialização foi apresentada no dia 01 de novembro de 2019, como requisito parcial para obtenção do título de Especialista em Energias Renováveis – Departamento Acadêmico de Eletrotécnica – Universidade Tecnológica Federal do Paraná. O aluno foi arguido pela Banca Examinadora composta pelos professores abaixo assinados. Após deliberação, a Banca Examinadora considerou o trabalho aprovado.
______________________________ Prof. Dr. Marcelo Rodrigues
Coordenador de Curso de Especialização em Energias Renováveis
_______________________________ Prof. Me. Romildo Alves dos Prazeres
Chefe do Departamento Acadêmico de Eletrotécnica
BANCA EXAMINADORA
_____________________________ _________________________________ Prof. Esp. Luiz Fernando Ortega Prof. Dr. Marcelo Rodrigues Orientador - UTFPR UTFPR
_______________________________ Prof.Me. José Maia
UTFPR
AGRADECIMENTOS
Agradeço a todos que contribuíram na minha caminhada até a conclusão desta pós-graduação, amigos, familiares e professores.
Aos colegas da empresa EcoTX que sempre estiveram disponíveis para dúvidas e informações, bem como gentilmente cederam acesso ao aplicativo para consultas e contribuições.
Ao orientador Prof. Luiz Fernando Ortega pelo direcionamento e atenção no desenvolvimento deste trabalho.
RESUMO
PELLEGRINI, Lucas Valmir. Projeto de usina fotovoltaica de 5 MWp em São Luiz do Purunã. 2019. Monografia (Especialização em Energias Renováveis) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba-PR, 2019.
Este trabalho apresenta um projeto detalhado da concepção de uma usina solar fotovoltaica com potência de 5 MWp, localizada na região de São Luiz do Purunã, no estado do Paraná, a cerca de 50 km de Curitiba/PR. É descrito todo o processo, desde a escolha do terreno, aquisição de dados solarimétricos, escolha da tecnologia de módulos e inversores, arranjo dos painéis, conexão junto à concessionária, cálculos de Opex, Capex e Fluxo de Caixa, bem como toda documentação e normas envolvidas. Apresenta-se conceitos básicos sobre energia solar fotovoltaica, desde radiação solar, tipos de células fotovoltaicas, diferença entre célula, módulo e painel, as curvas características de corrente, tensão e potência, além do projeto em si, passando por definições e análises fundiárias prévias do terreno, análises ambientais e etapas para viabilização do acesso perante à concessionária local. Ao final, demonstra-se detalhadamente o dimensionamento técnico da usina com módulos e inversores, alguns formatos de financiamento, bem como o valor total de investimento, de aproximadamente 21 milhões de reais, e as despesas mensais, que partem de 1,5 milhões de reais. Após diversas análises, comprova-se que, apesar de sua complexidade, o projeto é um excelente investimento financeiro, com payback de 8 anos e podendo chegar, ao longo de 25 anos, a um montante acumulado de aproximadamente 182 milhões de reais.
Palavras-chave: Usina solar fotovoltaica. Energia elétrica. Energia renovável. Célula fotovoltaica.
ABSTRACT
PELLEGRINI, Lucas Valmir. 5 MWp photovoltaic power plant project in São Luiz do Purunã. 2019. Monografia (Especialização em Energias Renováveis - Federal Technology University - Paraná. Curitiba-PR, 2019.
This work presents a detailed project for the design of a 5 MWp solar photovoltaic plant, located in the São Luiz do Purunã region, in the state of Paraná, about 50 km from Curitiba/PR. The entire process is described, from field selection, solarimetric data acquisition, module and inverter technology selection, panel arrangement, utility connection, Opex, Capex and cash flow calculations, as well as all documentation and standards involved. Basic concepts on photovoltaic solar energy are presented, from solar radiation, photovoltaic cell types, difference between cell, module and panel, the characteristic curves of current, voltage and power, as well as the project itself, as well as previous land definitions and analyzes. Of the land, environmental analysis and steps to enable access to the local concessionaire. In the end, the technical dimensioning of the plant with modules and inverters, some financing formats, as well as the total investment value of approximately 21 million reais and the monthly expenses, which start at 1.5 million reais. After several analyzes, it is proved that, despite its complexity, the project is an excellent financial investment, with a payback of 8 years and may reach, over 25 years, an accumulated amount of approximately 182 million reais.
Keywords: Photovoltaic solar plant. Electricity. Renewable energy. Photovoltaic cell.
LISTADEILUSTRAÇÕES
Figura 1 - Composição do espectro da radiação solar. 18 Figura 2 - Demonstração do efeito fotovoltaico e do efeito fotoelétrico. 19
Figura 3 - Estrutura da célula fotovoltaica. 20
Figura 4 - Materiais semicondutores em três situações diferentes: separados, unidos para formar junção e por último com a junção exposta à luz para produção
da corrente elétrica. 22
Figura 5 - Lingote de silício monocristalino. 23
Figura 6 - Wafer de silício monocristalino. 24
Figura 7 - Célula fotovoltaica de silício. 25
Figura 8 - Células fotovoltaicas de silício policristalino. 26
Figura 9 - Módulo fotovoltaico de filme fino. 27
Figura 10 - Vista da célula, modulo e painel fotovoltaico. 28 Figura 11 - Componentes de um módulo solar fotovoltaico. 29 Figura 12 - Curva característica I – V de corrente e tensão de um módulo
fotovoltaico. 30
Figura 13 - Curva característica P – V de potência e tensão de um módulo
fotovoltaico. 31
Figura 14 - Influência da radiação solar na operação do módulo fotovoltaico. 32 Figura 15 - Influência da temperatura na operação do módulo fotovoltaico. 32 Figura 16 - Ligações dos módulos em série e paralelo. 33 Figura 17 - Curva característica I – V de um conjunto de quatro módulos
conectados em série e paralelo. 34
Figura 18 - Componentes de um sistema fotovoltaico simples conectado à rede
elétrica. 36
Figura 19 - Caixa para conexão de diversos strings em paralelo, incluindo fusíveis
e barramentos. 37
Figura 20 - Instalação do dispositivo de proteção de surto (DPS) instalado próximo
ao inversor. 38
Figura 21 - Localização da Usina Solar Fotovoltaica e coordenadas geográficas. 39 Figura 22 - Análise do perfil de inclinação do terreno. 40 Figura 23 - Análise das medidas disponíveis do terreno. 41 Figura 24 - Aplicativo EcoMap com detalhes do terreno da Usina solar
fotovoltaica. 41
Figura 25 - Análise Ambiental através do aplicativo EcoMap. 43 Figura 26 - Análise geral das subestações na região de Curitiba/PR, com detalhe
para o terreno da usina no centro. 44
Figura 27 - Análise da subestação mais próxima Witmarsum cerca de 8,5 km. 44 Figura 28 - Análise das subestações na região de Curitiba/PR e em torno do
Figura 29 - Detalhe da distância da usina à linha de transmissão da subestação
Witmarsum. 46
Figura 30 - Etapas de acesso para centrais geradoras solicitantes de
autorização. 47
Figura 31 - Atlas Solar do Paraná com detalhe no ponto onde será localizado a
usina. 51
Figura 32 - Valor diário de irradiação no plano inclinado na latitude. 51 Figura 33 - Folha de dados do módulo solar fotovoltaico CS3U-355P
V5.581_EN. 53
Figura 34 - Inversor Sungrow SG125HV V1.0. 54
Figura 35 - Orientação azimutal do módulo solar, com sua face orientada ao norte
geográfico. 56
Figura 36 - Demonstração da altura da haste de suporte do módulo com o ângulo
de inclinação do solo. 58
Figura 37 - Medidas do módulo solar fotovoltaico Canadian CS3U-355P. 59 Figura 38 - Perspectiva da usina solar de 5MWp com disposição de todos os
módulos através do software PVsyst V6.75. 63
LISTADETABELAS
Tabela 1 - Etapas dos procedimentos de acesso por tipo de acessante. 46 Tabela 2 – Compilado do consumo em 2017 de todas unidades consumidoras. 50 Tabela 3 - Ângulos recomendados para instalação dos módulos solares. 57 Tabela 4 - Latitudes geográficas das capitais brasileiras. 57 Tabela 5 - Determinação da relação (L) e (x) a partir do ângulo de inclinação. 60 Tabela 6 - Determinação da relação (x) e (z) a partir do ângulo de inclinação. 61
Tabela 7 – Cálculo do Capex item a item. 64
Tabela 8 – Cálculo do Opex ao longo de 25 anos. 65
Tabela 9 – Relatório completo do fluxo de caixa ao longo dos 25 anos. 66 Tabela 10 - Resumo das informações financeiras TMA, VPL, TIR e LCOE. 71 Tabela 11 - Comparativo entre as modalidades de financiamento. 72
LISTADESIGLAS
BNDES Banco Nacional de Desenvolvimento Econômico e Social CA Corrente alternada
CC Corrente contínua
DDR Disjuntor diferencial residual DPS Dispositivo de proteção de surtos FC Fluxo de caixa
IDR Interruptor diferencial residual
IPCA Índice nacional de preços ao consumidor amplo O&M Operação e Manutenção
STC Standard test conditions
TJLP Taxa de Juros de Longo Prazo TMA Taxa Mínima de Atratividade TBF Taxa Básica Financeira TR Taxa Referencial
VP Valor Presente
VPL Valor Presente Líquido
LISTADE ACRÔNIMOS
ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica CAPEX Capital Expenditure
CEMA Conselho Estadual do Meio Ambiente CONAMA Conselho Nacional do Meio Ambiente
EIA/RIMA Estudo de impacto ambiental/Relatório de impacto ambiental IAP Instituto Ambiental do Paraná
LCOE Levelized Cost Of Energy OPEX Operational Expenditure
SELIC Sistema Especial de Liquidação e de Custódia
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO 13 1.1 TEMA 14 1.1.1 Delimitação do Tema 14 1.2 PROBLEMAS E PREMISSAS 14 1.3 OBJETIVOS 15 1.3.1 Objetivo Geral 15 1.3.2 Objetivos Específicos 15 1.4 JUSTIFICATIVA 15 1.5 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS 16 1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO 16 2 FUNDAMENTAÇÃOTEÓRICA 17
2.1 ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA 17
2.2 CONCEITOS BÁSICOS 17
2.2.1 Radiação solar 17
2.2.2 Célula Solar Fotovoltaica 20
2.2.3 Tipos de Células Solar Fotovoltaica 23
2.2.4 Silício Monocristalino 23
2.2.5 Silício policristalino25 2.2.6 Filmes finos 26
2.2.7 Célula, Módulo e Painel fotovoltaico 28
2.2.8 Curvas Características de Corrente, Tensão e Potência 29
2.2.9 Conjuntos ou Arranjos Fotovoltaicos 33
2.3 TIPOS DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS 34
2.3.1 Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede Elétrica35 3 PROJETO TÉCNICO E VIABILIDADE FINANCEIRA 39
3.1 PROJETO TÉCNICO DA USINA DE 5 MWP 39
3.1.1 Descrição do local a ser implantado 39
3.1.2 Análise do terreno 40
3.1.3 Análise Fundiária 42
3.1.4 Licenciamento Ambiental 42
3.1.5 Análise de subestações 44
3.1.6 Análise de linhas de transmissão 46
3.1.7 Etapas para viabilização do Acesso 48
3.1.8 Cálculo da potência a ser instalada 51
3.1.9 Definição da tecnologia utilizada 54
3.1.10Dimensionamento técnico da usina 54
3.1.12 Cálculo da área da usina 62
3.2 PROJETO FINANCEIRO DA USINA DE 5MWP 64
3.2.1 Cálculo do Capex 64 3.2.2 Cálculo do Opex 66
3.2.3 Cálculo do Fluxo de Caixa 67
3.2.4 Linhas de financiamento 72
4 CONCLUSÃO 74
4.1 TRABALHOSFUTUROS 76
REFERÊNCIAS 76
ANEXO A-FOLHA DE DADOS DO MÓDULO SOLAR FOTOVOLTAICO CANADIAN CS3U-355P 78
1 INTRODUÇÃO
Há muitos anos o homem busca otimizar seus recursos, de forma a manter a longevidade e garantir a sustentabilidade. A energia como suprimento é essencial e cada vez mais demandada pela sociedade. Com avanço da tecnologia, equipamentos e sistemas que nos fornecem tal energia, tornam-se mais baratos, facilitando o acesso à população, de modo que pesquisadores e usuários aprimoram e desenvolvam equipamentos mais eficientes.
A energia solar é uma alternativa que está amadurecendo e tornando-se cada vez mais viável. Vários são os benefícios e as vantagens desta tecnologia, todos serão detalhados nos capítulos a seguir, define-se como uma fonte de energia sustentável e renovável, não gera ruídos nem tampouco poluição, sua instalação é simples, quando comparada com outras tecnologias, e sua manutenção é baixa.
Nesta monografia buscou-se detalhar o projeto de uma usina solar fotovoltaica de 5MWp de potência localizada em São Luiz do Purunã. Será descrito todo processo, desde a escolha do terreno, aquisição de dados solarimétricos, escolha da tecnologia de módulos e inversores, arranjo dos painéis, conexão junto à concessionária, cálculos de Opex, Capex e Fluxo de Caixa, bem como toda documentação e normas envolvidas.
Ao final, busca-se demonstrar através do fluxo de caixa, o cálculo de viabilidade do investimento, payback, TMA, VPL, TIR e LCOE. Também é apresentado um quadro comparativo entre três diferentes linhas de financiamento através do BNDES.
1.1 TEMA
Projeto de usina solar fotovoltaica de 5MWp localizada em São Luiz do Purunã, com estudo de viabilidade financeira, capex, opex e fluxo de caixa.
1.1.1 Delimitação do Tema
O Projeto será estudado com base em dados obtidos em um ponto localizado em São Luiz do Purunã, cerca de 50 km de Curitiba, com potência instalada de 5 MWp.
1.2 PROBLEMAS E PREMISSAS
O mercado atual de energia para consumidores de baixa tensão está condicionado ao universo cativo, onde o cliente não pode escolher outra forma de aquisição de energia a não ser da concessionária ao qual está conectado. Com esta premissa, buscou-se uma solução através de uma usina solar fotovoltaica utilizando o formato de geração distribuída para fornecer energia para unidades consumidoras de baixa tensão (Grupo B3) de um certo grupo empresarial.
Um fator que pesa na decisão de viabilizar ou não uma usina, é a dependência do governo, ao qual é detentor da concessionária de energia, em que define aumentos arbitrários na tarifa de energia e também as bandeiras tarifárias, que faz uma média geral para todo país, e estados com reservatórios mais cheios pagam por estados com menores capacidades de armazenamentos.
1.3 OBJETIVOS
1.3.1 Objetivo Geral
Projetar uma usina solar fotovoltaica com 5 MWp de potência e estudo de viabilidade financeira.
1.3.2 Objetivos Específicos
Identificar dados de radiação em atlas solares para justificar a incidência solar no local escolhido.
Apresentar características das normas relacionadas com as etapas de conexão ao sistema elétrico de distribuição bem como as normas que regem o sistema de geração distribuída.
Realizar uma análise crítica financeira com os valores projetados de Capex, Opex e o fluxo de caixa, bem como a viabilidade financeira e opções através de linhas de financiamento.
1.4 JUSTIFICATIVA
No atual cenário de incertezas quanto à regulamentação envolvendo geração distribuída, e no alto grau de dependência da população junto as concessionárias de energia elétrica, faz-se necessário um estudo aprofundado quanto à solução em geração de energia através de usinas solares fotovoltaicas.
Este projeto visa contribuir em decisões sobre a viabilidade de uma usina solar fotovoltaica de grande porte, bem como demonstrar detalhadamente as características de projeto técnico e financeiro.
1.5 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS
Os primeiros passos visam escolher um ponto ótimo dentro dos limites de São Luiz do Purunã para implantação da usina. Em seguida, virão os estudos de irradiação solar no local. Paralelamente pesquisa-se sobre as tecnologias para módulos e inversores existentes no mercado, escolhendo a que possui melhor relação entre o custo e a potência fornecida. Para garantir a melhor performance da usina, irá ser estudado as melhores formas de posicionar e distribuir os módulos no terreno. E por fim, será feito um cálculo aprofundado do fluxo de caixa durante 25 anos, levando-se em conta o Capex e o Opex.
1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO
Esta monografia foi dividida para melhor apresentar o projeto de uma usina fotovoltaica de 5MWp. Os capítulos são divididos em: 1- Introdução, 2- Fundamentação teórica, 3- Desenvolvimento, 4- Conclusão.
Na Introdução é apresentado o tema, os objetivos, justificativa e os procedimentos metodológicos adotados nesta monografia.
Em Fundamentação teórica é demonstrado a energia solar fotovoltaica, seus conceitos básicos, tipos de sistemas e também os processos para a concessão da conexão com a rede de distribuição.
No capítulo de desenvolvimento é descrito todo o projeto desde o detalhamento técnico, passando por dados de inclinação e orientação, potência e tecnologia a ser utilizada, até o projeto financeiro com o Capex, Opex e o resultado da viabilidade financeira.
Na conclusão tem-se uma visão geral do resultado do projeto, tanto tecnicamente como os resultados da viabilidade financeira da usina. E no final sugere-se pesquisas futuras para complementar estes estudos.
2 FUNDAMENTAÇÃOTEÓRICA
Neste capítulo serão abordados conceitos básicos como o que significa radiação solar, célula solar fotovoltaica, quais são os tipos de células, bem como os diferentes tipos de sistemas fotovoltaicos.
2.1 ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
Os sistemas solares fotovoltaicos possuem excelente capacidade de produzir corrente elétrica através da luz solar. Esta corrente é coletada e processada por dispositivos que convertem e controlam esta eletricidade, podendo ser armazenada em baterias ou utilizada diretamente nos sistemas conectados à rede elétrica. Esta energia solar fotovoltaica é uma das fontes que mais cresce em todo mundo.
2.2 CONCEITOS BÁSICOS
2.2.1 Radiação Solar
Toda energia que vem do Sol e chega em nosso planeta se dá através do espaço na forma de radiação eletromagnética, onde possuem frequências e comprimentos de onda distintos. A energia contida em uma onda está diretamente ligada à sua frequência, onde, quanto maior a frequência, maior é a energia transmitida. Por outro lado, o comprimento de onda eletromagnética é inversamente proporcional à sua frequência, quanto maior é a frequência, menor é seu comprimento de onda.
Para expressar a relação entre a frequência e a energia de uma onda eletromagnética, Planck desenvolveu a seguinte equação:
Onde E é a energia da onda, expressa em joules [J] ou elétrons-volt [eV], f é a frequência, expressa em hertz [Hz] e h é uma constante física de proporcionalidade, chamada de constante de Planck, que é aproximadamente 6,636.10-34 [J.s].
Outra expressão matemática que relaciona frequência, comprimento de onda e a velocidade desta onda eletromagnética, é:
𝑐 = 𝜆 . 𝑓 (2)
Onde c é a velocidade da luz no vácuo (aproximadamente 300.000 km/s), λ é o comprimento de onda e f é a frequência da onda em hertz.
Estas ondas eletromagnéticas oriundas do Sol podem produzir diversos efeitos sobre o planeta e os seres vivos. Uma pequena parte destas ondas podem ser captadas pelo olho humano e representa o que se chama de luz visível, como demonstra a figura 1. Outra parte desta radiação solar não pode ser vista pelo nosso olho e a presença pode ser percebida de diversas formas.
Figura 1 - Composição do espectro da radiação solar.
Fonte: https://www.infoescola.com/fisica/espectro-eletromagnetico (2019)
Segundo Villalva (2012), o espectro da radiação solar é o conjunto de todas as frequências de ondas eletromagnéticas emitidas pelo Sol, e todo espectro de
radiação, incluindo as ondas visíveis e invisíveis ao olho humano, transportam energia que pode ser captada na forma de calor ou energia elétrica.
A transformação da energia eletromagnética em energia térmica é a captação do calor solar nos materiais e corpos que recebem a radiação. No momento em que estas ondas eletromagnéticas incidem sobre um corpo que tem capacidade de absorver tal radiação, esta energia eletromagnética é transformada em energia cinética e transmitida para moléculas e átomos que compõem este corpo. Esse processo trata-se de transmissão de calor ou de energia térmica. A temperatura de um corpo depende diretamente da energia térmica que possui, pois quanto maior é o estado de agitação dos átomos e moléculas, maior será sua temperatura. Essa energia pode variar dependendo da quantidade de radiação, que pode ser direta ou indiretamente por ele recebida.
As ondas eletromagnéticas que incidem em alguns materiais, ao invés de transmitir calor, podem produzir alterações nas propriedades elétricas ou originar tensões e corrente elétricas. Existem vários efeitos elétricos que a radiação eletromagnética pode produzir sobre os corpos, os dois mais conhecidos são o efeito fotovoltaico e o fotoelétrico como pode ser observado na figura 2 (Villalva, 2012, p. 41).
Figura 2 - Demonstração do efeito fotovoltaico e do efeito fotoelétrico.
Fonte: Villalva (2012)
O principal efeito e a fonte de todo nosso estudo, é o efeito fotovoltaico, cuja transformação da radiação eletromagnética do Sol em energia elétrica através da
criação de uma ddp (diferença de potencial) ou uma tensão elétrica, sobre uma célula formada por um conjunto de materiais semicondutores. Para haver tensão elétrica, a célula deverá ser conectada a dois eletrodos e para surgir corrente elétrica, deverá haver um caminho elétrico entre estes dois eletrodos.
Já o efeito fotoelétrico ocorre em materiais metálicos e não metálicos sólidos, líquidos ou gasosos. O seu resultado é a remoção de elétrons, porém não é capaz de criar tensão elétrica. Este efeito é na maioria das vezes confundido com o efeito fotovoltaico, embora seja relacionado, são fenômenos diferentes.
2.2.2 Célula Solar Fotovoltaica
Como já mencionado no tópico anterior, o efeito fotovoltaico é o fenômeno físico que permite a conversão direta da luz em eletricidade. Isto ocorre no momento em que a luz, ou até mesmo a radiação eletromagnética do Sol, incide sobre uma célula que possui materiais semicondutores em sua composição.
A figura 3 demonstra a estrutura de uma célula fotovoltaica composta por duas camadas de material semicondutor tipo “p” e tipo “n”, uma grade de coletores metálicos superior e uma base metálica em sua parte inferior.
Figura 3 - Estrutura da célula fotovoltaica.
A base metálica inferior e a grada são os próprios terminais elétricos que fazem a coleta da corrente elétrica produzida. A base inferior é uma película que pode ser de alumínio ou prata. A parte superior da célula, na qual recebe a luz, precisa ser necessariamente translúcida e para isso os contatos elétricos são feitos na forma de uma fina grade metálica impressa na própria célula. Uma célula comercial pode possuir uma fina camada de material antirreflexivo, normalmente de nitreto de silício ou de dióxido de titânio, necessária para evitar a reflexão e aumentar a absorção de luz pela célula.
Segundo Villalva (2012), cerca de 95% das células fotovoltaicas fabricadas em todo mundo são de silício, pois é um material barato e abundante. Esta célula é composta pela junção de duas camadas de material semicondutor, uma do tipo P e outra do tipo N. O material N tem excedentes de elétrons e o material P possui falta de elétrons. Pelo fato de possuir diferença na concentração de elétrons nas duas camadas, estes elétrons da camada N fluem para a camada P, criando um campo elétrico dentro de uma zona de depleção, ou barreira de potencial, no interior da célula.
Na figura 4, é demonstrado as três situações para a produção da corrente elétrica. No momento em que as duas camadas de materiais P e N entram em contato, formam uma junção semicondutora, onde os elétrons da camada N migram para a camada P ocupando os espaços vazios das lacunas. No momento em que as duas camadas são unidas, esta mudança dos elétrons de uma camada para outra origina um campo elétrico e cria uma barreira de potencial entre estas duas camadas. Os elétrons e as lacunas permanecem presos atrás da barreira no momento que a célula fotovoltaica não está iluminada.
Figura 4 - Materiais semicondutores em três situações diferentes: separados, unidos para formar junção e por último com a junção exposta à luz para produção da corrente elétrica.
Fonte: Villalva (2012)
A camada superior de uma célula fotovoltaica composta de material N é tão fina que a luz penetra e descarrega sua energia sobre os elétrons, fazendo que tenham energia suficiente para vencer a barreira de potencial e migrar da camada N para P. Estes elétrons que estão em movimento são coletados por eletrodos metálicos. Ao acrescentar um circuito fechado, os elétrons irão circular em direção aos eletrodos da camada N, formando assim a corrente elétrica. Mesmo que não haja este caminho onde os elétrons não irão formar uma corrente elétrica, ainda há tensão elétrica de aproximadamente 0,6 V entre os dois lados da célula, devido ao campo elétrico da barreira de potencial.
Segundo Villalva (2012), uma célula fotovoltaica produz pouca energia e uma tensão elétrica baixa, porém quando se conecta várias células em série, elas poderão fornecer uma grande quantidade de energia elétrica e uma tensão mais elevada. Nos dias atuais, estas células produzidas em larga escala e disponíveis comercialmente são na maioria dos casos constituídas de silício monocristalino, policristalino ou amorfo.
2.2.3 Tipos de Células Solar Fotovoltaica
Atualmente existem várias tecnologias para a fabricação de células e módulos fotovoltaicos. As tecnologias mais comuns são do silício monocristalino, silício policristalino e do filme fino de silício. Este silício empregado na fabricação das células fotovoltaicas é extraído do mineral de quartzo, onde o Brasil é um dos maiores produtores mundiais. Porém a purificação deste minério e a fabricação das células não é feita em nosso país. A seguir seguem os diferentes tipos de células:
2.2.4 Silício monocristalino
O processo para obtenção se inicia através de blocos de silício ultrapuros que são aquecidos em altas temperaturas e submetidos a um processo de formação de cristal chamado método de Czochralski. Na figura 5 é possível observar o produto resultante deste processo, o lingote de silício monocristalino.
Figura 5 - Lingote de silício monocristalino.
O lingote é constituído de uma estrutura única e cristalina, com organização molecular homogênea, na qual apresenta um aspecto uniforme e brilhante. Esta peça é serrada e fatiada para produzir os chamados wafers, que são finas bolachas de silício puro e que ainda não possuem as propriedades de uma célula fotovoltaica. Este wafer pode ser observado na figura 6.
Figura 6 - Wafer de silício monocristalino.
Fonte: Bosch Solar Energy AG (2019)
Esta fina chapa é submetida a processos químicos onde recebem impurezas nas duas faces, formando as camadas de silício P e N que constituem a base para o funcionamento da célula fotovoltaica.
Ao final da produção da célula, este wafer recebe uma película metálica em uma das faces, mais uma grade metálica em outra e uma cada de material antirreflexivo na face que irá receber a luz. Esta célula acabada pode ser vista na figura 7.
Figura 7 - Célula fotovoltaica de silício.
Fonte: GreenPro/Suniva em www.suniva.com (2019)
Para diferenciar os tipos de células, pode observar seu aspecto, onde a célula monocristalina é uniforme, normalmente azulado escuro ou preto, porém pode ter alguma coloração diferente dependendo do tipo de tratamento reflexivo. Estas células são mais eficientes, possuem um custo mais elevado em sua produção. São células rígidas e podem quebrar facilmente, por isso precisam ser montadas em módulos para adquirir maior resistência mecânica e facilitar o transporte e a montagem. Por este motivo não existem módulos muito grandes.
2.2.5 Silício policristalino
Este tipo de célula é fabricado através de um processo produtivo mais barato quando comparado ao monocristalino. O material resultante desta fabricação, o lingote de silício policristalino, é formado por um aglomerado de pequenos cristais, com tamanhos e orientações diferentes. (Villalva, 2012, pag. 70).
Este lingote também é serrado para produzir wafers, que também se transformam-se em células fotovoltaicas. Estas células policristalinas possuem aparência heterogênea e normalmente encontradas na cor azul, porém sua cor também pode ser diferente em função do tratamento antirreflexivo. Na figura 8 é possível observar nas células de silício policristalino a presença de manchas em sua coloração devido ao tipo de silício empregado em sua fabricação.
As células de silício policristalino possuem uma eficiência ligeiramente inferior, quando comparada com células monocristalina, porém o custo de fabricação é menor compensando essa redução na eficiência.
Figura 8 - Células fotovoltaicas de silício policristalino.
Fonte: Bosch Solar Energy AG (2019)
Estas células também são rígidas e quebradiças e precisam ser montadas em módulos para aumentar a resistência mecânica.
2.2.6 Filmes finos
Esta tecnologia é a mais recente e surgiu após as células cristalinas estarem bem desenvolvidas. Bem diferente da fabricação já mencionadas, os dispositivos de filmes finos são fabricados através da deposição de finas camadas de materiais sobre uma base que pode ser rígida ou flexível.
O processo de deposição, que pode ocorrer por vaporização ou através de outros métodos, permite que pequenas quantidades de matéria-prima seja empregada no processo de fabricação dos módulos, além de não ter desperdícios que ocorrem no processo de serragem dos wafers cristalinos, torna esta tecnologia mais barata.
As temperaturas para fabricação dos filmes finos estão entre 200 a 500°C, contra temperaturas de até 1500°C na produção de células cristalinas. Portanto, além de consumir menos matéria-prima, os filmes finos consomem menos energia para sua fabricação, tornando mais baixo seu custo. Além disso, a baixa complexidade no processo produtivo torna mais simples os processos automatizados e favorece a produção em larga escala. Em virtude desta facilidade,
os módulos de filmes finos podem ser produzidos em qualquer dimensão e a única restrição fica por conta da área da base. Na figura 9, é possível perceber que estes módulos são formados por uma grande e única célula fabricada na dimensão do módulo. Apesar do custo ser menor em relação à outras tecnologias, os dispositivos de filmes finos possuem baixa eficiência e precisam de uma área maior de módulo para produzir a mesma energia. Mas uma vantagem desta tecnologia é o melhor aproveitamento da luz solar para baixos níveis de radiação e para radiações difusas. Além disso, o coeficiente de temperatura é melhor, onde a diminuição da produção de energia com o aumento da temperatura é menor em comparação à outras tecnologias. Portanto os módulos de filmes finos são mais adequados em locais com temperaturas maiores.
Figura 9 - Módulo fotovoltaico de filme fino.
Fonte: Solar Frontier (2019)
Segundo Villalva (2012), outra grande vantagem dos módulos de filmes finos é que são formados por uma única célula, onde sua grande área torna-o menos sensível ao efeito do sombreamento parcial, que é quando uma parte do módulo tem a luz obstruída por um obstáculo. Neste caso, a sombra atinge apenas uma parte da célula, resultando em uma menor perda na produção da energia.
Esta tecnologia de filmes finos é utilizada para designar diferentes materiais que é constituído. Como exemplo podemos citar o silício amorfo (aSi), silício microcristalino (uSi), tecnologia de telureto de cádmio (CdTe) e a tecnologia CIGS (cobre-índio-gálio-selênio).
2.2.7 Célula, Módulo e Painel fotovoltaico
Segundo URBANETZ (2010), conforme a figura 10, a célula fotovoltaica é a parte elementar de um módulo fotovoltaico. Elas são associadas eletricamente em arranjos série/paralelo a fim de formar um módulo fotovoltaico. Afim de gerar energia requerida pela carga, os módulos são associados formando um painel fotovoltaico a fim de obter-se o nível de tensão e corrente desejados.
Figura 10 - Vista da célula, modulo e painel fotovoltaico.
Fonte: URBANETZ (2010)
Um módulo fotovoltaico é constituído de um conjunto de células montadas sobre uma rígida estrutura e conectadas eletricamente em série para produzir tensões maiores. Os terminais superiores de uma célula são ligados ao terminal inferior de outra até formar um conjunto com a tensão de saída desejada.
A figura 11 demonstra como é fabricado um módulo solar fotovoltaico. As células e as conexões elétricas são prensadas dentro de lâminas plásticas e o módulo é recoberto por uma lâmina de vidro e por fim, é emoldurado por um alumínio. Na parte de trás do módulo, há uma caixa de conexões elétricas, aonde são conectados os cabos elétricos que normalmente são fornecidos junto com o módulo.
Figura 11 - Componentes de um módulo solar fotovoltaico.
Fonte: Bosch Solar Energy AG (2019)
Os cabos que compõem o módulo, possuem conectores padronizados, que permitem a conexão rápida dos módulos em série. Estes conectores são conhecidos comercialmente por MC-4 e está amplamente difundido nas instalações.
2.2.8 Curvas Características de Corrente, Tensão e Potência
Como já dito no tópico anterior, os módulos fotovoltaicos são formados por um agrupamento de células conectadas eletricamente. Uma célula pode fornecer tensão elétrica de aproximadamente 0,6 V. Para aumentar esta tensão na saída do módulo, os fabricantes conectam várias células em série. Usualmente os módulos possuem 36, 54, 60 ou 72 células, dependendo de sua classe de potência.
Segundo Villalva (2012), a corrente elétrica produzida por uma célula é diretamente proporcional a sua área, pois esta corrente depende da quantidade de luz solar recebida. Então quanto maior é a área, maior é a captação de luz e por consequência, maior é a corrente elétrica fornecida.
Um módulo fotovoltaico apresenta uma tensão na saída variável. Ele não se comporta como uma fonte elétrica convencional. Esta tensão depende da corrente e vice-versa. O ponto de operação de um módulo depende do que está conectado em seus terminais. Caso é conectado um equipamento que demanda muita corrente, a tensão de saída do módulo tenderá a cair. De outro lado, se conectar uma carque que demanda pouca corrente, a tensão de saída será mais alta, na maioria das vezes tendendo à tensão de circuito aberto.
A figura 12, demonstra a relação entre a tensão e a corrente elétrica de saída de um módulo fotovoltaico através da curva I – V com o ponto de máxima potência.
Figura 12 - Curva característica I – V de corrente e tensão de um módulo fotovoltaico.
Fonte: Villalva (2012)
Já a figura 13, mostra a curva característica P – V de potência e tensão de um módulo fotovoltaico com ponto de máxima potência.
Figura 13 - Curva característica P – V de potência e tensão de um módulo fotovoltaico.
Fonte: Villalva (2012)
Pelas figuras 12 e 13, nota-se três pontos de destaque: o primeiro para corrente e tensão de curto-circuito, o ponto de máxima potência e o ponto de tensão de circuito aberto. A corrente de curto-circuito acontece quando os dois terminais do módulo estão conectados. Nesta situação não existe tensão elétrica e a corrente vai para seu valor máximo. Já a tensão de circuito aberto é a medida na saída do módulo quando nos terminais não existe nada ligado a ele. Esta tensão é a máxima que o módulo pode fornecer. O ponto de máxima potência é o que corresponde a melhor situação que o módulo pode fornecer de eletricidade.
A corrente elétrica fornecida pelo módulo depende diretamente da intensidade da radiação solar que incide em suas células. Com pouca luz, a corrente fornecida pelo módulo é muito pequena e a capacidade de gerar energia é reduzida. Por outro lado, a temperatura tem influência na tensão final do módulo e consequentemente na energia fornecida.
Figura 14 - Influência da radiação solar na operação do módulo fotovoltaico.
Fonte: Villalva (2012)
Nas figuras 14 e 15, é possível observar que temperaturas mais baixas as tensões são maiores e em temperaturas mais altas, são menores. A temperatura não altera a corrente fornecida pelo módulo, porém quando a temperatura aumenta, a potência fornecida diminui, pois, a potência é o produto da corrente e tensão do módulo.
Figura 15 - Influência da temperatura na operação do módulo fotovoltaico.
2.2.9 Conjuntos ou Arranjos Fotovoltaicos
Para aumentar a capacidade de energia, módulos solares são conectados em série e/ou paralelo. Este agrupamento de módulos é denominado arranjo ou conjunto fotovoltaico.
Os módulos podem ser interligados em série e/ou paralelo. Um exemplo destas ligações pode ser visto na figura 16. Quando deseja-se aumentar a tensão final entregue pelo conjunto, os módulos são conectados em série. Desta forma soma-se as tensões de cada módulo e a corrente que circula é a mesma em todos os módulos. Um conjunto de módulos em série recebe o nome de string. Por outro lado, quando os módulos são conectados em paralelo, a corrente fornecida é a soma das correntes dos módulos do conjunto. Porém, a tensão de saída é a mesma tensão fornecida pelo módulo individualmente.
Figura 16 - Ligações dos módulos em série e paralelo.
Usualmente em grandes usinas é comum termos ligações dos módulos em série e paralelo. A figura 17 demonstra a curva característica I – V de um conjunto de quatro módulos conectados em série e paralelo.
Figura 17 - Curva característica I – V de um conjunto de quatro módulos conectados em série e paralelo.
Fonte: Villalva (2012)
De acordo com a figura 17, nota-se que a tensão e a corrente de saída fornecida pelo conjunto são somadas.
2.3 TIPOS DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS
Segundo a Resolução Normativa 482 (ANEEL, 2012), atualmente existem dois formatos de sistemas fotovoltaicos; autônomos e conectados à rede elétrica.
Os sistemas autônomos, ou sistema isolados, estão em locais não atendidos por uma rede elétrica. Podem ser usados em qualquer lugar onde recebe a luz do sol. Muitas são suas aplicações, como a iluminação pública, sistemas de telecomunicações, carregamento de baterias de veículos elétricos, pequenos aparelhos eletrônicos como calculadoras, dentre outros.
Como em nosso país a rede elétrica não chega em muitas localidades remotas, um sistema autônomo é capaz de gerar energia elétrica para atender as necessidades, por exemplo de uma residência.
Como foco deste trabalho é uma usina solar fotovoltaica conectada à rede elétrica, é abordado com mais detalhe somente este formato.
2.3.1 Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede Elétrica
Diferentemente do sistema autônomo, este sistema é empregado em locais já atendidos pela energia elétrica, pois como o nome diz, ele é conectado à rede elétrica. Este sistema opera em paralelo à rede elétrica da concessionária de energia. O principal objetivo deste sistema é gerar energia para o consumo local, para reduzir ou eliminar o consumo da rede pública ou até gerar energia excedente em formato de créditos. Ainda conforme a ANEEL, outra forma é utilizar esta energia injetada na rede, em outra unidade consumidora, desde que atenda aos requisitos que serão apresentados nos tópicos posteriores.
2.3.1.1 Categorias de sistemas conectados à rede elétrica
Segundo a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL, 2019), estes sistemas conectados à rede podem ser classificados, de acordo com seu porte, em três categorias:
Microgeração: potência instalada de até 75 kW; Minigeração: potência instalada de 75 kW a 5 MW; Usinas de eletricidade: potência acima de 5 MW.
2.3.1.2 Componentes de sistemas conectados à rede elétrica
Como pode ser observado na figura 18, um sistema fotovoltaico conectado à rede elétrica é composto basicamente por um conjunto de módulos fotovoltaicos, quadro de proteção CC, inversor e quadro de proteção CA.
Figura 18 - Componentes de um sistema fotovoltaico simples conectado à rede elétrica.
Fonte: Eudora Solar (2019)
Além dos módulos fotovoltaicos, que são fundamentais para um sistema de geração e que já foi detalhado nos tópicos anteriores, um equipamento essencial é o Inversor. Ele é responsável por converter a eletricidade gerada pelos módulos em corrente contínua para corrente alternada, que será conectada na rede elétrica. A escolha do inversor mais adequado para um projeto depende da potência gerada (lado CC), dos módulos empregados e de outros aspectos como a necessidade de um transformador de isolação no inversor.
Os conjuntos de módulos fotovoltaicos podem ser ligados em série e/ou paralelo para aumentar a energia final produzida, com tensões e correntes maiores do que as produzidas por um módulo individualmente. Esta “fila” de módulos em série é chamada de string. Para interligar todas estas strings é necessário um componente denominado string box ou simplesmente caixa de strings. Esta caixa deve ser protegida contra intempéries, os terminais positivo e negativo bem separados e identificados no seu interior.
O número de módulo ligados em série determina a tensão do conjunto, que é a própria tensão aplicada nos terminais de entrada, no lado CC do inversor. Neste caso, os inversores devem ser dimensionados para suportar toda soma das tensões de circuito aberto dos módulos, que é a tensão de circuito aberto da string. Para
ligações de conjuntos em paralelo, sempre de acordo com a potência máxima do inversor, a corrente fornecida pelo conjunto é a soma das correntes de cada string. Para proteção dos módulos e cabos contra sobrecargas e correntes reversas, são usados fusíveis de strings em todos os condutores ativos, positivos e negativos, de acordo com a exigência da norma IEC 60364. Em instalações com até dois strings em paralelo, não é obrigatório a presença de fusíveis, e conjuntos com mais de dois strings requerem fusíveis de proteção.
A figura 19 demonstra o diagrama elétrico da caixa de conexão contendo os polos positivo e negativo, bem como seus respectivos barramentos. Nela também é possível observar as ligações série e paralelo dos módulos fotovoltaicos.
Figura 19 - Caixa para conexão de diversos strings em paralelo, incluindo fusíveis e barramentos.
Fonte: Villalva (2012)
A caixa de strings também pode conter, em série, os diodos de bloqueio ou diodo de strings. Eles servem para impedir que a corrente elétrica circule no sentido contrário ao sentido normal da corrente nos módulos, evitando que o painel seja danificado. Outra função destes diodos, é no caso de ocorrer curto-circuito ou
sombreamento total ou parcial em uma das strings, os demais continuam funcionando normalmente.
Outros dois componentes que compõem um sistema fotovoltaico é o quadro de proteção de corrente contínua (CC) e o quadro de proteção de corrente alternada (CA). Para o lado de corrente contínua, além de possuir fusíveis para a conexão das strings, incorpora uma chave de desconexão CC e o dispositivo de proteção de surto (DPS). Neste mesmo quadro deve conter o barramento de aterramento, que é necessário para coletar as ligações à terra de todas estruturas metálicas e carcaças dos módulos.
Já o quadro de proteção de corrente alternada é responsável pela conexão entre os inversores e a rede elétrica. Neste caso, tem-se a presença do disjuntor diferencial residual (DDR) na entrada do sistema, porém pode ser substituído por um disjuntor termomagnético combinado com um interruptor diferencial residual (IDR). Recomenda-se a utilização de dispositivo de proteção de surtos (DPS) em regiões com elevada incidência de descargas atmosféricas para proteger a instalação e o lado de corrente alternada dos inversores.
Figura 20 - Instalação do dispositivo de proteção de surto (DPS) instalado próximo ao inversor.
Fonte: https://www.findernet.com (2019)
Segundo a norma IEC 60364, recomenda-se que seja instalado um DPS adicional próximo ao inversor, em quadro separado, quando a distância do inversor até a conexão à rede for superior a dez metros. A figura 20 demonstra uma
instalação em que os inversores são conectados às fases, sem a necessidade do neutro e o caso de um DPS ser instalado próximo ao inversor.
3 PROJETOTÉCNICOEVIABILIDADEFINANCEIRA
Neste capítulo será abordado todo projeto técnico envolvendo análise do terreno, ambiental, as subestações e linhas de transmissão, bem como as etapas para viabilização do acesso junto à concessionária. Será demonstrado os cálculos da potência da usina e a definição dos equipamentos escolhidos. No final é explanado todo o cálculo financeiro, com detalhamento do opex, capex e por fim o fluxo de caixa.
3.1 PROJETO TÉCNICO DA USINA DE 5 MWP
3.1.1 Descrição do local a ser implantado
O local é definido pela disponibilidade do cliente e trata-se de uma fazenda localizada nas proximidades de São Luiz do Purunã, no estado do Paraná. A localização, bem como as vias de acesso podem ser observadas na figura 21.
Figura 21 - Localização da Usina Solar Fotovoltaica e coordenadas geográficas.
Fonte: O Autor (2019)
Esta localização está cerca de 50 km de Curitiba/PR, através da BR-277, com vias de fácil acesso.
3.1.2 Análise do terreno
Após a definição da localização da usina, é realizado através do aplicativo EcoMap da empresa EcoTX uma análise do terreno. Na figura 22 é possível analisar as curvas com inclinação do terreno. Percebe-se que no local onde será instalada a usina, o terreno é bem plano.
Figura 22 - Análise do perfil de inclinação do terreno.
Fonte: Aplicativo EcoMap (2019)
Ainda por meio do aplicativo EcoMap, é possível ter as medidas do terreno. A figura 23 demonstra a disponibilidade de 2.187.813,84 m2.
Figura 23 - Análise das medidas disponíveis do terreno.
Fonte: Aplicativo EcoMap (2019)
Esta área disponível é ampla e nivelada, não precisando de grandes obras civis, como terraplanagem.
3.1.3 Análise Fundiária
Por meio do Aplicativo EcoMap da empresa EcoTX, é possível analisar os terrenos cadastrados no Incra (Instituto Nacional de Colonização e Reforma Agrária).
Figura 24 - Aplicativo EcoMap com detalhes do terreno da Usina solar fotovoltaica.
Fonte: Aplicativo EcoMap (2019)
Conforme figura 24, observa-se os detalhes do terreno aonde é proposta a usina solar fotovoltaica, bem como informações relevantes ao imóvel.
3.1.4 Licenciamento Ambiental
O licenciamento ambiental é uma fase de grande relevância em qualquer projeto de engenharia, porém em projetos fotovoltaicos é relativamente mais simples quando comparado com usinas hidrelétricas ou termelétricas, em virtude aos reduzidos impactos ambientais provocados.
Cada estado é responsável por suas diretrizes e normas para este tipo de obra, no Paraná, a portaria n° 19/2017 estabelece os procedimentos para o licenciamento ambiental de empreendimentos de geração de energia elétrica a partir de fonte solar para sistemas heliotérmicos e fotovoltaicos.
Segundo a portaria, os licenciamentos e estudos necessários para os empreendimentos são de acordo com a potência energética, levando em consideração que os empreendimentos de energia solar têm baixo potencial poluidor. A portaria foi instaurada a partir de resoluções do Conselho Nacional do Meio Ambiente (Conama), do Conselho Estadual do Meio Ambiente (Cema), da Secretaria de Estado do Meio Ambiente e Recursos Hídricos (Sema), da Agência Nacional de Energia Elétrica (Aneel) e portarias anteriores do IAP.
Os empreendimentos de até 1 MW (megawatt) estão dispensados de estudos e de licenciamento ambiental. De 1 MW a 5 MW, que é nosso caso, é necessário apresentar um memorial descritivo para a autorização ambiental ou dispensa de licenciamento ambiental. Já os empreendimentos com potência entre 5 MW e 10 MW, o relatório ambiental simplificado é exigido para a emissão das licenças prévias, de instalação e de operação, de acordo com a etapa da obra. A partir de 10 MW, são necessários o estudo de impacto ambiental e o relatório de impacto ambiental (EIA/RIMA) para a emissão das licenças correspondentes. Ainda com o aplicativo EcoMap, é possível analisar questões ambientais como cavernas, sítios arqueológicos, assentamento rural, áreas de preservação ambiental, aldeias indígenas entre outros.
Figura 25 - Análise Ambiental através do aplicativo EcoMap.
Fonte: Aplicativo EcoMap (2019)
Como mostra a figura 25, na área de nosso interesse para implantação da usina, não foi encontrado nenhum destes registros, porém há cerca de 7 km possui a Furna Tamanduá I, que está localizada dentro da Área de proteção Ambiental Estadual da Escarpa Devoniana, com uma litologia baseada em Arenito.
3.1.5 Análise de subestações
Afim de estimar custos com linhas de transmissão para viabilidade do projeto e estimar, antes do parecer de acesso oficial emitido pela concessionária, se há subestações próximas, pesquisou-se no aplicativo EcoMap e o resultado com as subestações da região de Curitiba pode ser visto na figura 26:
Figura 26 - Análise geral das subestações na região de Curitiba/PR, com detalhe para o terreno da usina no centro.
Fonte: Aplicativo EcoMap (2019)
Na figura 27, observa-se a subestação da Copel Distribuição mais próxima, que é Witmarsum (Palmeira) com tensão de 34,5 kV.
Figura 27 - Análise da subestação mais próxima Witmarsum cerca de 8,5 km.
Fonte: Aplicativo EcoMap (2019)
A distância aproximada em linha reta do ponto da Usina até a subestação Witmarsum é de 8,5 km.
3.1.6 Análise de linhas de transmissão
Também com o aplicativo EcoMap é possível verificar as linhas de transmissão existentes. Na figura 28 é possível observar as linhas de transmissão atuais que passam por Curitiba e pela região de instalação da usina.
Figura 28 - Análise das subestações na região de Curitiba/PR e em torno do terreno da usina.
Fonte: Aplicativo EcoMap (2019)
Na figura 29, segue o detalhe da distância da usina até a linha de transmissão 230 kV da subestação mais próxima (Witmarsum) em torno de 4,8 km.
Figura 29 - Detalhe da distância da usina à linha de transmissão da subestação Witmarsum.
Fonte: Aplicativo EcoMap (2019)
Esta distância se dá em linha reta, porém na prática podem haver obstáculos, necessitando de desvios não detectados neste projeto.
3.1.7 Etapas para viabilização do Acesso
Após análises prévias, umas das primeiras fases para construção de uma usina solar fotovoltaica é a viabilização do Acesso. Ela é constituída das etapas: consulta de acesso, informação ao acesso, solicitação de acesso e parecer do acesso. A tabela 1 mostra estas etapas segundo os procedimentos da ANEEL.
Tabela 1 - Etapas dos procedimentos de acesso por tipo de acessante.
ACESSANTE CONSULTA DE ACESSO INFORMAÇÃO DE ACESSO SOLICITAÇÃO DE ACESSO PARECER DE ACESSO
Consumidor Especial Opcionais Necessárias
Consumidor Livre Opcionais Necessárias
Central Geradora - Registro Opcionais Necessárias Central Geradora - Autorização Necessárias Necessárias Central Geradora - Concessão Procedimento definido no edital de licitação Outro Distribuidora de Energia Necessárias Necessárias
Agente Imp/Exp de Energia Necessárias Necessárias Fonte: Prodist, ANEEL (2012)
Na figura 30, segue as etapas e também os prazos para as centrais geradoras solicitantes.
Figura 30 - Etapas de acesso para centrais geradoras solicitantes de autorização.
3.1.7.1 Consulta de Acesso
Esta primeira etapa é obrigatória, deve ser formulada e realizada pelo acessante para a acessada com o único objetivo de obter informações técnicas sobre o acesso à rede elétrica, sendo livre ao acessante a indicação de um ou mais pontos de conexão de interesse (ANEEL, 2012).
3.1.7.2 Informação de Acesso
Esta etapa trata-se da resposta formal e obrigatória da acessada referente a consulta de acesso realizada. Ela não tem ônus para o acessante e tem o intuito de fornecer informações sobre o acesso e deve indicar:
● A classificação da atividade do acessante;
● Quando couber, informações sobre a regra de participação financeira; ● Quando a central geradora de energia solicitante de autorização, a definição
de acordo com o critério de menor custo global, com a apresentação das alternativas de conexão que foram avaliadas pela acessada, acompanhadas das estimativas dos respectivos custos, conclusões e justificativas;
● As características do sistema de distribuição acessado, do possível ponto de conexão de interesse do acessante e do ponto indicado pela acessada, considerando requisitos técnicos e padrões de desempenho;
● As tarifas de uso aplicáveis;
● As responsabilidades do acessante;
● Os estudos e projetos a serem apresentado pelo acessante à acessada durante a solicitação de acesso;
Estas informações devem ser retornadas ao acessante, por escrito, no prazo máximo de 60 dias a partir da data do recebimento da consulta de acesso e deve ser mantida por 60 meses para efeito de fiscalização (ANEEL, 2012).
Este documento da informação de acesso é necessário para obtenção do ato autorizativo da central geradora de energia junto à ANEEL. Deve ser protocolado
nesta mesma agência em até 60 dias após a emissão do documento pela acessada, cabendo a acessante informar a acessada que protocolou esta documentação junto à ANEEL. Após a data de publicação deste ato autorizativo, a acessante tem até 60 dias para efetuar a solicitação de acesso junto à distribuidora (ANEEL, 2012).
3.1.7.3 Solicitação de Acesso
Esta etapa compreende ao requerimento preenchido pelo acessante, que por sua vez entregue a acessada, esta deve priorizar o atendimento conforme a ordem cronológica de protocolo (ANEEL, 2012). Esta solicitação de acesso deverá conter os seguintes itens:
● Contrato de concessão ou ato autorizativo, no caso de acessante central geradora de energia sujeita a concessão ou autorização;
● Projeto das instalações de conexão, incluindo o memorial descritivo, localização, arranjo físico, diagramas e, quando couber, Sistema de medição para Faturamento – SMF.
3.1.7.4 Parecer de Acesso
O parecer de acesso é um documento formal e obrigatório formulado pela acessada, sem custos para o acessante, no qual serão informadas todas as condições de acesso, compreendendo a conexão e o uso, os requisitos técnicos que possibilitam a conexão das instalações do acessante, com os prazos estipulados e deve indicar quando possível também:
● A classificação da atividade do acessante;
● A definição do ponto de conexão de acordo com o critério de menor custo global, acompanhada das estimativas dos respectivos custos, conclusões e justificativas;
● As características dos sistemas de distribuição acessada e do ponto de conexão;
● A relação das obras e serviços necessários no sistema de distribuição acessado, com a informação dos prazos para a sua conclusão, especificando as obras de responsabilidade do acessante;
● A participação financeira;
● As informações gerais relacionadas ao ponto de conexão, como tipo de terreno, faixa de passagem, características mecânicas das instalações, sistemas de proteção, controle e telecomunicações disponíveis;
o Os modelos de contratos a serem celebrados; ▪ As tarifas de uso aplicáveis;
▪ As responsabilidades do acessante;
▪ Eventuais informações sobre equipamentos ou cargas susceptíveis de provocar distúrbios ou danos no sistema de distribuição acessado ou nas instalações de outros acessantes.
A distribuidora tem o prazo de 30 dias após o recebimento desta solicitação de acesso para emitir o parecer de acesso. Após a emissão deste parecer, os contratos relacionados ao acesso têm um prazo de 90 dias para serem assinados entre as partes (ANEEL, 2012).
3.1.8 Cálculo da potência a ser instalada
De acordo com a planilha fornecida pelo cliente contendo 102 unidades consumidoras retirada das faturas da concessionária de energia e somando todo o consumo em relação a janeiro e dezembro de 2017, temos um total de 7.774.402 kWh/ano. Optou-se por 2017 por 2018 ainda não havia todos os dados compilados. A tabela contendo o compilado de todas unidades consumidoras separadas por regiões pode ser observada na tabela 2.
Tabela 2 – Compilado do consumo em 2017 de todas unidades consumidoras.
Fonte: O Autor (2019)
Dividindo este total em 365 dias do ano, tem-se uma energia a ser gerada de 21.300 kWh/dia.
Na figura 31, pode ser observado a irradiação global horizontal no mapa do Estado do Paraná através do Atlas Solar do Paraná.
Figura 31 - Atlas Solar do Paraná com detalhe no ponto onde será localizado a usina.
Fonte: Atlas solar do Paraná (2019)
O valor da irradiação no plano inclinado na latitude, na figura 32, pode ser obtido no próprio atlas através do endereço eletrônico: http://atlassolarparana.com/.
Figura 32 - Valor diário de irradiação no plano inclinado na latitude.
Fonte: Atlas solar do Paraná (2019)
Utilizando a fórmula abaixo para cálculo da potência da usina:
𝑃 = ∗
∗ (3)
Onde:
E = Energia a ser gerada (kWh/dia) G = Irradiância na condição STC (W/m2)
Htot = Irradiação solar incidente no plano dos módulos (kWh/m2/dia) PR = Performance Ratio
Substituindo os valores, temos a potência total da usina:
𝑃 =21.300 ∗ 1 4,56 ∗ 0,8 𝑃 = 5.838,8 𝑘𝑊𝑝
3.1.9 Definição da tecnologia utilizada
Será utilizado módulos solares fotovoltaicos atualmente comercializados de 355 W da marca Canadian Solar Inc., silício policristalino de alta eficiência, como pode ser observado na figura 33:
Figura 33 - Folha de dados do módulo solar fotovoltaico CS3U-355P V5.581_EN.
Fonte: Canadian Solar Inc. (2019)
Os inversores selecionados serão da marca Sungrow modelo SG125HV com 1500 VDC. Como pode ser observado na figura 34.
Figura 34 - Inversor Sungrow SG125HV V1.0.
Fonte Sungrow Power Supply Co. (2019)
As folhas de dados completas do módulo e do inversor podem ser observadas nos Anexos ao final desta monografia.
3.1.10 Dimensionamento técnico da usina
De posse dos dados da potência produzida pelo módulo escolhido (E módulo) e da potência total da usina (E usina), é possível saber o número total de módulos (Np) que terá a usina solar fotovoltaica, arredondando para mais.
𝑁𝑝 = 𝐸 / 𝐸 Ó (4)
𝑁𝑝 = 5.838,8 / 0,355 𝑁𝑝 = 16.450 𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜𝑠
Pela folha de dados do fabricante do módulo solar, tem-se que a tensão de circuito aberto dos módulos em STC é Voc = 46,8 V. Considerando um fator empírico de segurança de 10% = 51,5 V
Pela folha de dados do inversor, tem-se que a máxima tensão de entrada é de 1500 V, então:
𝑀ó𝑑𝑢𝑙𝑜𝑠 𝑒𝑚 𝑠é𝑟𝑖𝑒 =1500 51,5 𝑀ó𝑑𝑢𝑙𝑜𝑠 𝑒𝑚 𝑠é𝑟𝑖𝑒 = 29 𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜𝑠
Como já calculado anteriormente que precisa-se de 16.450 módulos e tem-se 29 módulos em cada série, então:
𝑠𝑡𝑟𝑖𝑛𝑔𝑠 =16.450 29 𝑠𝑡𝑟𝑖𝑛𝑔𝑠 = 567,24
Arredondou-se este número de strings para 568, e desta forma tem-se um novo número total de módulos:
𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜𝑠 = 29 ∗ 568 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜𝑠 = 16.472
Para tanto, tem-se também um novo valor de potência da usina:
𝑃 = 16.472 ∗ 355 𝑃 = 5.847.560 𝑘𝑊𝑝 ou
𝑃 = 5,84 𝑀𝑊𝑝
Para o dimensionamento dos inversores, segundo a folha de dados do fabricante, a potência de saída AC é de 125 kW cada, e a potência total necessária para usina é de 5000 kW, então:
𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑖𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜𝑟𝑒𝑠 =5000 125 𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑖𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜𝑟𝑒𝑠 = 40
3.1.11 Orientação e inclinação dos módulos solares
De acordo com Villalva (2012), é conforme a localização da usina que se pode definir a orientação e a melhor inclinação dos módulos solares fotovoltaicos. A figura 35 demonstra a correta orientação do módulo solar, com sua face orientada ao norte geográfico.
Figura 35 - Orientação azimutal do módulo solar, com sua face orientada ao norte geográfico.
Fonte: Villalva (2012)
Para a inclinação dos módulos, não há um consenso sobre o melhor método a ser utilizado, mudando a inclinação horizontal privilegia a produção de energia no verão e alterando a inclinação vertical a produção melhor fica no inverno. A maioria das literaturas e das orientações dos fabricantes é determinar o ângulo de inclinação que possibilite uma boa produção média de energia ao longo de todo ano
escolhendo na tabela 3 o ângulo de inclinação recomendado de acordo com a latitude geográfica da usina a ser instalada na tabela 4.
Tabela 3 - Ângulos recomendados para instalação dos módulos solares.
Fonte: Installation and safety manual of the Bosch Solar Modules (2019)
De acordo com Villalva (2012), não é recomendado a instalação dos módulos com ângulo de inclinação inferior a 10° para evitar o acúmulo de poeira excessivo sobre os módulos.
Fonte: Villalva (2012)
Como a usina ficará próxima à Curitiba, que possui latitude de 25°, os módulos serão instalados com inclinação de α = 25° + 5° = 30°.
Para instalação física, deve-se calcular a altura da haste de fixação (z) em função do ângulo calculado (α) e levar em consideração o comprimento do módulo escolhido (L) ou a distância entre a borda do módulo no solo e a barra de sustentação (x), como demonstra a figura 36:
Figura 36 - Demonstração da altura da haste de suporte do módulo com o ângulo de inclinação do solo.
Fonte: Villalva (2012)
A altura (z) da haste de fixação é calculada pela equação:
𝑧 = 𝐿 ∗ 𝑠𝑒𝑛 ∝ (5) e a distância (x) é calculada:
𝑥 = 𝐿 ∗𝑐𝑜𝑠 𝑐𝑜𝑠 ∝ (6) Onde:
L = Comprimento do módulo ou a distância entre a borda apoiada no chão e o ponto de fixação.
X = Distância no chão entre a borda de apoio do módulo e a extremidade da haste de fixação.
Segue na figura 37, as dimensões do módulo solar definido no tópico anterior.
Figura 37 - Medidas do módulo solar fotovoltaico Canadian CS3U-355P.
Fonte: Canadian Solar Inc. (2019)
As medidas 2000X992X35 mm também constam na folha de dados do módulo, na seção Dados mecânicos.
De posse destas medidas, na tabela 5 é possível encontrar o valor de (x) a partir de um comprimento (L) conhecido. Nela é demonstrada a relação Rxl = X / L para os diferentes valores do ângulo de inclinação já calculado.
Tabela 5 - Determinação da relação (L) e (x) a partir do ângulo de inclinação.
Fonte: Villalva (2012)
Neste caso, L = 2,00 / 2 = 1,00 m e através da tabela 5, tem-se a razão Rxl para o ângulo de 25° = 0,90, para obter valor de (x) através da equação:
𝑥 = 𝐿 ∗ 𝑅 (7)
𝑥 = 1,00 ∗ 0,90
𝑥 = 0,90 𝑚
Para saber o valor de (z), referente à altura do suporte de fixação, consulta-se na tabela 6, para o ângulo de 25° quanto equivale a relação R(xz) = x / z.
Tabela 6 - Determinação da relação (x) e (z) a partir do ângulo de inclinação. Fonte: Villalva (2012) Então tem-se: 𝑧 = (8) 𝑧 = 0,90 2,144 𝑧 = 0,42 𝑚
Portanto, para esse módulo será necessário um suporte de fixação com haste de 42 cm instalada a 90 cm da borda de contato do módulo com a superfície horizontal.
3.1.12 Cálculo da área da usina
Para estimar a área necessária, é necessário o valor da eficiência de um módulo solar fotovoltaico isolado. Este valor está presente na folha de dados do fabricante, porém pode verificar se está correto através da equação a seguir:
𝜂 =
. (9)
Onde:
𝜂 = Eficiência do módulo solar fotovoltaico
𝑃𝑚𝑎𝑥 = Potência máxima do módulo nas condições STC (W) A = Área do módulo solar fotovoltaico (m2)
Rad = Taxa de radiação solar padronizada em 1000 W/m2 em STC
Então tem-se:
𝜂 = 355 1,984 ∗ 1000 𝜂 = 17,89%
Sabendo a eficiência, podemos prosseguir para o cálculo da estimativa da área necessária. Utilizando a equação a seguir:
𝐴 = ∗ 100 (10) Onde:
A = área necessária para instalação dos módulos solares fotovoltaicos 𝑃 = Potência total do painel fotovoltaico
𝐸 = Eficiência do módulo solar escolhido
Tem-se:
𝐴 = 5.847,56
17,89 ∗ 100
