UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ
MARCIO RICARDO GRAFF
COMPARATIVO DE CUSTOS DA ALTERAÇÃO DO SISTEMA FOTOVOLTAICO ISOLADO PARA FOTOVOLTAICO INTERLIGADO À REDE DA
CONCESSIONÁRIA – ESTUDO DE CASO
PALOTINA
2017
MARCIO RICARDO GRAFF
COMPARATIVO DE CUSTOS DA ALTERAÇÃO DO SISTEMA FOTOVOLTAICO ISOLADO PARA FOTOVOLTAICO INTERLIGADO À REDE DA
CONCESSIONÁRIA – ESTUDO DE CASO
Dissertação apresentada como requisito parcial à obtenção do grau de Mestre em Bioenergia, no Curso de Pós-Graduação em Bioenergia, Setor Palotina, da Universidade Federal do Paraná.
Orientador: Prof. Dr. Joel Gustavo Teleken Colaborador: Prof. Me. Maurício Romani
PALOTINA
2017
Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP)
Ficha catalográfica elaborada por Liliane Cristina Soares Sousa – CRB 9/1736 Graff, Marcio Ricardo
G736 Comparativo de custos da alteração do sistema fotovoltaico isolado para fotovoltaico interligado à rede da concessionária - estudo de caso / Marcio Ricardo Graff. - Palotina, 2017.
91 f.
Orientador: Joel Gustavo Teleken Colaborador: Maurício Romani
Dissertação (mestrado) – Universidade Federal do Paraná, Setor Palotina, Programa de Pós-graduação em Bioenergia.
1. Energia fotovoltaica. 2. Sistema isolado. 3. Energia solar.
I. Teleken, Joel Gustavo. II. Romani, Mauricio. III. Universidade Federal do Paraná. IV. Título.
CDU 620.91
Dedico este trabalho às pessoas
mais presentes em minha vida: Minha
mãe, Neiva, pelo exemplo de dedicação
que é. Meu pai, Tirso, o mais generoso de
todos os pais. Minha irmã, Mônica, pelo
incentivo direto ou indireto. A minha
esposa, Débora, por estar ao meu lado
nos melhores e piores momentos de
minha vida. Ao meu orientador Prof. Joel
Gustavo Teleken, pela confiança,
paciência, incentivo, amizade e excelente
orientação. Ao Prof. Maurício Romani por
sanar minhas dúvidas.
AGRADECIMENTOS
Durante esses dois anos, só tenho a agradecer a todos que passaram pelo meu caminho e que com certeza deixaram um pouco de si. Os momentos de alegria serviram para me permitir acreditar na beleza da vida, e os de sofrimento, serviram para um crescimento pessoal único. É muito difícil transformar sentimentos em palavras, mas serei eternamente grato a vocês, pessoas imprescindíveis para a realização e conclusão deste trabalho.
Primeiramente, quero agradecer a Deus, por me dar tudo que precisei para a realização deste trabalho. Agradeço ao Prof.º Dr. Joel Gustavo Teleken, por acreditar que eu era capaz e pela orientação. Você abriu as portas, como um pai que abre os braços para receber um filho. Nesse mundo, repleto de pessoas ruins, você me faz acreditar que os bons são a maioria. Só tenho a agradecer aos seus ensinamentos (pessoais e acadêmicos), orientações, palavras de incentivo, puxões de orelha, paciência e dedicação. Você é uma pessoa ímpar, onde busco inspirações para me tornar melhor em tudo que faço e irei fazer daqui para frente. Tenho orgulho em dizer que um dia fui seu orientado.
Ao Prof. Me. Maurício Romani, pelos ensinamentos, orientações, incentivo,
amizade e dedicação. Você não mediu esforços para me ajudar.
"Que os vossos esforços desafiem as impossibilidades, lembrai-vos de que as grandes coisas do homem foram conquistadas do que parecia impossível."
(Charles Chaplin).
RESUMO
Ao buscar opções para obtenção de energias mais sustentáveis, a energia solar aparece como umas das energias mais promissoras, pois é considerada uma fonte de energia renovável, abundante e não poluente. Esta energia é resultado da conversão direta da radiação solar em energia elétrica, através de placas produzidas com materiais fotossensíveis, que possuem a característica de conversão de energia radiante em energia elétrica através do efeito fotovoltaico. Parte da iluminação externa do Setor Palotina, da Universidade Federal do Paraná, é energizada por placas fotovoltaicas, instaladas em sistema autônomo (armazena a energia em baterias) e isolado (não tem ligação à rede de distribuição de energia elétrica). Pelo fato do atual sistema isolado não apresentar funcionamento satisfatório, somado aos altos custos de manutenção, este estudo de caso foi elaborado para analisar a viabilidade econômica e técnica de se alterar o atual sistema de funcionamento (isolado) para um sistema interligado à rede de distribuição. Foram analisados todos os equipamentos, materiais e serviços necessários para esta alteração e realizado levantamento estimativo de custos para manutenção dos dois sistemas. Com os resultados obtidos, foi possível fazer uma análise dos custos unitários da energia elétrica gerada pelos dois tipos de sistemas fotovoltaicos e compará-los com as tarifas da energia da concessionária. Como resultado, verificou-se neste estudo de caso que a substituição do atual sistema isolado por um sistema interligado à rede de distribuição é tecnicamente possível e as estimativas apontam payback em 8 anos. Caso a instituição não invista na transformação acima apontada, desconectar as luminárias do atual sistema isolado e conectá-las na rede elétrica da concessionária, também se apresentou como uma alternativa mais econômica para os cofres públicos.
Palavras-chave: Energia fotovoltaica. Sistema isolado. Energia solar.
ABSTRACT
Upon searching for options to obtain more sustainable energy, the solar energy appears as one of the most promising sources because it is considered a source of renewable energy which is abundant and non-polluting. This energy results from the direct conversion of solar radiation into electric power, through plates produced with photo-sensible materials whose characteristic is the conversion of radiant energy into electric energy through the photovoltaic effect. Part of the external illumination at the Federal University of Paraná, Sector Palotina, comes from photovoltaic plates which were installed in autonomous system (it stores the energy in batteries) and isolated (it does not have a connection with the electric energy distribution net). Because the current isolated system does not present satisfying functioning and the maintenance costs are high, this case study was carried out in order to analyze the economic and technical feasibility of changing the current system (isolated) for an interconnected system. All necessary equipment, materials and services for this change were analyzed, as well as a cost estimation survey for maintaining both systems. With the obtained results, it was possible to carry out an analysis of the unit costs for the electric energy generated by both kinds of photovoltaic systems and to compare them with the energy bought from the light company. As a result, it was observed that the replacement of the current isolated system for an interconnected one is technically possible and the estimations point to a pay back in 8 years. In case the institution does not invest in this transformation, another possible and more economical alternative would be disconnecting the light fixtures from the current isolate system and connecting them to the light company’s electric net.
Keywords: Photovoltaic energy. Isolated System. Solar Energy.
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 01 – INCIDÊNCIA DE IRRADIAÇÃO SOLAR GLOBAL. ... 16
FIGURA 02 – SISTEMA FOTOVOLTAICO ISOLADO. ... 18
FIGURA 03 – FLUXO DE POTÊNCIA GLOBAL (EM W/M²). ... 21
FIGURA 04 – COMPONENTES DA RADIAÇÃO SOLAR... 22
FIGURA 05 – DIAGRAMA FUNCIONAL DO CAMPO ELÉTRICO INDUZIDO E CORRENTE ELÉTRICA PRODUZIDA. ... 24
FIGURA 06 – ESTRUTURA DA CÉLULA SOLAR. ... 25
FIGURA 07 – O MÓDULO FOTOVOLTAICO. ... 27
FIGURA 08 – SISTEMA FOTOVOLTAICO ISOLADO (SFI). ... 30
FIGURA 09 – SISTEMA FOTOVOLTAICO CONECTADO À REDE (SFCR). ... 31
FIGURA 10 – IMAGEM AÉREA DO SETOR PALOTINA DA UFPR... 33
FIGURA 11 – TARIFAÇÃO HORO-SAZONAL. ... 37
FIGURA 12 – SFI DO SETOR PALOTINA DA UFPR. ... 39
FIGURA 13 – SFCR ILUSTRAÇÃO. ... 40
FIGURA 14 – SUPORTE DE ALUMÍNIO PARA MÓDULOS FOTOVOLTAICOS. ... 41
FIGURA 15 – DIAGRAMA UNIFILAR DE INSTALAÇÃO - NTC 905200. ... 43
FIGURA 16 – QUADRO DE PROTEÇÃO EM CORRENTE CONTÍNUA. ... 45
FIGURA 17 – MODELO DE INVERSOR DE FREQUÊNCIA. ... 46
FIGURA 18 – TAXA DE DESEMPENHO. ... 49
FIGURA 19 – CUSTOS DE ENERGIA ELÉTRICA. ... 52
LISTA DE GRÁFICOS
GRÁFICO 01 – IRRADIAÇÃO SOLAR DIÁRIA MÉDIA MENSAL ... 59
GRÁFICO 02 – ÍNDICE MÉDIO DO INCC ANUAL. ... 61
GRÁFICO 03 – ÍNDICE DE REAJUSTES DAS TARIFAS DE ENERGIA. ... 61
GRÁFICO 04 – SALDO ENTRE O CUSTO DA ENERGIA DA CONCESSIONÁRIA E
DOS SFI’S. ... 65
GRÁFICO 05 – ANÁLISE DE PAY BACK DOS SFI’S. ... 65
GRÁFICO 06 – CUSTOS DE MANUTENÇÃO DO SFCR. ... 68
GRÁFICO 07 – SALDO ENTRE O CUSTO DA ENERGIA DA CONCESSIONÁRIA E
DO SFCR. ... 73
GRÁFICO 08 – ANÁLISE DE PAY BACK DO SFCR. ... 73
LISTA DE QUADROS
QUADRO 01 – ESTRUTURAS TARIFÁRIAS DA ANEEL. ... 36
QUADRO 02 – RELÉS DE PROTEÇÃO. ... 44
LISTA DE TABELAS
TABELA 01 – INFORMAÇÕES TÉCNICAS DO SISTEMA EXISTENTE. ... 34
TABELA 02 – MELHOR ÂNGULO DE INCLINAÇÃO DO MÓDULO. ... 41
TABELA 03 – TAXA DE DESEMPENHO MÉDIO DE UM SFCR REAL. ... 50
TABELA 04 – MÉDIA DO NASCER E PÔR DO SOL NO VERÃO DE 2015/2016. .... 54
TABELA 05 – CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA NO HORÁRIO DE VERÃO. .... 55
TABELA 06 – MÉDIA DO NASCER E PÔR DO SOL NO INVERNO DE 2015. ... 56
TABELA 07 – CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA NO HORÁRIO DE INVERNO. 56 TABELA 08 – CONSUMO ANUAL DAS LUMINÁRIAS. ... 57
TABELA 09 – ALTERAÇÃO DOS SFI’S PARA O SFCR. ... 58
TABELA 10 – CÁLCULO DA EFICIÊNCIA DE CONVERSÃO DE CADA MÓDULO. 59 TABELA 11 – CÁLCULO DA ENERGIA PRODUZIDA DIÁRIA E MENSAL. ... 60
TABELA 12 – CUSTOS DE MANUTENÇÃOS DOS SFI’S. ... 62
TABELA 13 – CUSTOS UNITÁRIOS DA ENERGIA GERADA PELOS SFI’S. ... 63
TABELA 14 – SALDO ENTRE O CUSTO DA ENERGIA DA CONCESSIONÁRIA E DOS SFI’S. ... 64
TABELA 15 – ESTIMATIVA DE AMORTIZAÇÃO NA FATURA DE ENERGIA. ... 67
TABELA 16 – CUSTOS DE MANUTENÇÃO DO SFCR. ... 67
TABELA 17 – CUSTOS DA ENERGIA GERADA PELO SFCR. ... 70
TABELA 18 – SALDO ENTRE O CUSTO DA ENERGIA DA CONCESSIONÁRIA E DO SFCR. ... 71
TABELA 19 – TARIFAS REAJUSTADAS DA CONCESSIONÁRIA. ... 72
TABELA 20 – COMPARATIVO ENTRE FONTES DE ENERGIA ELÉTRICA. ... 75
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ABINEE -Associação Brasileira da Indústria Elétrica e Eletrônica ANEEL -Agência Nacional de Energia Elétrica
A.R.T. -Anotação de Responsabilidade Técnica A-Si -Silício Amorfo
CA -Corrente alternada CC - Corrente contínua CdTe - Telureto de Cádmio
CEPEL -Centro de Pesquisa de Energia Elétrica CGEE -Centro de Gestão e Estudos Estratégicos CHESF -Companhia Hidroelétrica de São Francisco CIGS -Disseleneto de Cobre, Gálio e Índio
CIS - Disseleneto de Cobre e Índio CNPJ -Cadastro de Pessoa Jurídica COBEI -Comitê Brasileiro de Eletricidade
COFINS -Contribuição para o Financiamento da Seguridade Social CONFAZ -Conselho Nacional de Política Fazendeira
COPEL -Companhia Paranaense de Eletricidade CPF -Cadastro de Pessoa Física
CPV -Centrais Fotovoltaicas de Concentração DPS -Dispositivos de Proteção Contra Surtos DSSC -Célula Solar Sensibilizada por Corante
Ecod - Eco Desenvolvimento - Plataforma Eletrônica de comunicação especializada em sustentabilidade - http://www.ecodesenvolvimento.org EVA -Etil Vinil Acetato
FAPESP -Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de São Paulo FGV -Fundação Getúlio Vargas
fp - Fator de potência FV -Sistemas Fotovoltaicos
ICMS -Imposto sobre Circulação de Mercadorias e Serviços IEA - Instituto de Estudos Avançados
IEC -Comissão Internacional de Eletrotécnica
IEEE -Instituto de Engenheiros, Eletricistas e Eletrônicos
INCC -Índice Nacional de Custos da Construção
INMETRO - Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia MME - Ministério de Minas e Energia
M-Si -Silício Monocristalino NTC -Normas Técnicas da Copel OPV -Painéis Fotovoltaicos orgânicos PIS -Programa de Integração Social
PROCEL -Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica
PRODIST - Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional
PPER - Programa de Capacitação de Energias Renováveis P-Si -Silício Policristalino
P&D -Pesquisa e Desenvolvimento
SFCR - Sistema Fotovoltaico Conectado à Rede SFI - Sistema Fotovoltaico Isolado
SFV - Sistema Fotovoltaico
SWERA - Solar and Wind Energy Resource Assessment TD -Taxa de Desempenho
UFPR -Universidade Federal do Paraná
UFRGS -Universidade Federal do Rio Grande do Sul UFSC -Universidade Federal de Santa Catarina
UTC -Universal Time Coordinated (Tempo Universal Coordenado) USP -Universidade de São Paulo
UC -Unidade Consumidora
UV -Ultravioleta
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ... 16
1.1 OBJETIVOS ... 19
1.1.1 Objetivo Geral ... 19
1.1.2 Objetivos Específicos ... 19
2 REVISÃO DE LITERATURA ... 20
2.1 RADIAÇÃO SOLAR ... 20
2.2 O EFEITO FOTOVOLTAICO... 22
2.3 A ESTRUTURA DA CÉLULA SOLAR ... 23
2.4 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO ... 25
2.5 O MÓDULO FOTOVOLTAICO ... 26
2.6 EFICIÊNCIA DO SISTEMA DE GERAÇÃO ... 27
2.7 ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA ... 28
2.8 SISTEMAS AUTÔNOMOS E INTERLIGADOS À REDE ... 29
2.8.1 Sistemas fotovoltaicos isolados ... 29
2.8.2 Sistemas fotovoltaicos conectados à rede ... 30
2.9 FUNDAMENTAÇÃO LEGAL PARA COMPENSAÇÃO DE ENERGIA ... 31
3 MATERIAL E MÉTODOS ... 33
3.1 SISTEMA FOTOVOLTAICO EXISTENTE ... 34
3.2 CONSUMO DAS LUMINÁRIAS ... 34
3.2.1 Estruturas tarifárias de energia do grupo A ... 36
3.2.2 Tarifa de energia elétrica do Setor Palotina ... 36
3.3 CUSTOS PARA INTERLIGAR OS MÓDULOS EXISTENTES À REDE ... 39
3.4 GERAÇÃO DE ENERGIA PELOS MÓDULOS FOTOVOLTAICOS ... 46
3.5 MANUTENÇÃO DOS SFI’S ... 50
3.6 MANUTENÇÃO DO SFCR ... 51
3.7 COMPARATIVO ENTRE CUSTOS DE ENERGIA DOS SISTEMAS FOTOVOLTAICOS E COMPRA DA CONCESSIONÁRIA ... 51
3.8 ATUALIZAÇÕES MONETÁRIAS ... 52
3.9 AMORTIZAÇÃO NA FATURA DE ENERGIA ... 53
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 54
4.1 CONSUMO DAS LUMINÁRIAS ... 54
4.1.1 Consumo das luminárias no horário de verão ... 54
4.1.2 Consumo das luminárias no horário de inverno ... 55
4.2 CUSTO DO CONSUMO ANUAL DAS LUMINÁRIAS ... 57
4.3 CUSTOS DE ALTERAÇÃO DOS SFI’S PARA O SFCR ... 58
4.4 ESTIMATIVA DA GERAÇÃO FOTOVOLTAICA ... 58
4.5 ATUALIZAÇÕES MONETÁRIAS DE MANUTENÇÕES E TARIFAS ... 60
4.6 CUSTOS DA ENERGIA DOS SFI’S ... 61
4.7 ESTIMATIVA DE AMORTIZAÇÃO COM O SFCR ... 66
4.8 CUSTOS DA ENERGIA DO SFCR ... 67
4.9 COMPARATIVO DE CUSTOS DA ENERGIA ELÉTRICA DAS DIFERENTES FONTES ... 74
5 CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 76
6 RECOMENDAÇÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ... 77
REFERÊNCIAS ... 78
ANEXO A – NASCER, OCASO E CREPÚSCULO DE 18/10/2015 A 21/02/2016 ... 82
ANEXO B – NASCER, OCASO E CREPÚSCULODE 22/02/2015 A 17/10/2015 ... 85
ANEXO C – FATURA DE ENERGIA ELÉTRICA DO SETOR PALOTINA –
UFPR...91
1 INTRODUÇÃO
A energia solar é considerada uma fonte de energia renovável, abundante e não poluente. A produção de energia solar cresce em um ritmo acelerado no mundo, porém dentro da matriz energética mundial ainda representa uma pequena parcela (IEA, 2014).
O Brasil é particularmente privilegiado, relatou Pereira et al. (2006), por ter níveis de irradiação solar superior a 2.000 kWh/m² por ano, conforme pode ser observado na FIGURA 01. De acordo com o Projeto SWERA (Solar and Wind Energy Resource Assessment), que mapeou o potencial solar e eólico do território brasileiro e de outros 15 países, o Brasil dispõe de grandes potenciais solares e eólicos espalhados por todo território.
FIGURA 01 – INCIDÊNCIA DE IRRADIAÇÃO SOLAR GLOBAL.
FONTE: Pereira et al. (2006).
O aumento da utilização das fontes renováveis de energia no Brasil, em especial da energia fotovoltaica, pode favorecer o estabelecimento da geração distribuída num país de dimensões continentais, permitindo uma maior diversificação da matriz energética e auxiliando no sistema de distribuição e demanda de energia elétrica (RUTHER et al., 2008).
Apesar das células solares convencionais de silício cristalino serem mais
caras, ainda correspondem a 90% da participação do mercado devido a sua maior
eficiência energética. A taxa de conversão da energia luminosa em energia elétrica –
relação entre a quantidade de fótons que incide sobre a célula e a quantidade de
energia elétrica convertida - chamada de fotoconversão é de 24,7% para essas células. Os outros 10% do mercado correspondem às células de filmes finos inorgânicos de silício amorfo, silício policristalino ou microcristalino e seleneto de cobre-índio-gálio (CIGS), embora menos eficientes do que as células tradicionais (fotoconversão de 18,8%) são mais baratas de produzir (FAPESP, 2014).
O aproveitamento da energia gerada pelo Sol, tanto como fonte de calor quanto de luz, é uma das alternativas energéticas mais promissoras. E quando se fala em energia, Pinho e Galdino (2014) lembram que o Sol é responsável pela origem de praticamente todas as outras fontes de energia, pois as mesmas são derivadas da energia do Sol.
Segundo Villalva e Gazoli (2012),o crescimento da demanda mundial por energia tem trazido desafios constantes para engenheiros e pesquisadores do mundo todo no desenvolvimento de tecnologia de geração de energias mais limpas e eficientes. Dentre estas se destaca a energia solar fotovoltaica.
Em concordância com o exposto pela IEA (2014), estudos indicam que até o ano de 2050, 50% da geração de energia elétrica mundial virá de fontes de energias renováveis e a energia solar fotovoltaica irá corresponder a 25% desta demanda. A energia solar fotovoltaica já é uma realidade de muitos países com incentivo de políticas públicas a exemplo Alemanha que já possui cerca de 35% de produção anual de energia fotovoltaica contando com uma forte política de tarifas fixas e incentivos para estimular a instalação de equipamentos em residências particulares e empresas (Instituto ECOD). A oferta da energia gerada por painéis fotovoltaicos ligados à rede elétrica vem aumentando e consolidando-se como uma forma eficiente e sustentável de obtenção de energia elétrica.
Em 17 de abril de 2012, a ANEEL aprovou a Resolução Normativa nº
482/2012 (ANEEL, 2012). As regras destinam-se ao acesso de microgeração e
minigeração distribuída aos sistemas de rede de distribuição de energia elétrica. A
resolução criou um programa de compensação de energia elétrica, no qual a energia
gerada pela unidade consumidora, através da microgeração ou minigeração
distribuída, compensará o consumo de energia elétrica ativa. Estas regras são
válidas para os consumidores que utilizam fontes incentivadas de energia (ANEEL,
2012). A microgeração distribuída (com potência instalada menor ou igual a 75 kW)
são centrais geradoras de energia elétrica que podem utilizar, dentre outras, a
energia solar fotovoltaica conectada à rede de distribuição por meio de instalações de unidades consumidoras.
Com isso nota-se o crescimento deste mercado no Brasil. Um sistema fotovoltaico residencial trará economia para o proprietário, valorização do imóvel, além de estar contribuindo para o crescimento da energia renovável na matriz nacional (MME, 2009).
Este trabalho justifica-se pelo desempenho insatisfatório do sistema fotovoltaico isolado existente no local deste estudo de caso que ocorre devido ao desgaste das baterias e pelo elevado custo de reposição das mesmas.
Por este motivo, buscou-se comparar o custo da energia elétrica gerada pelo equipamento fotovoltaico existente em relação a outras duas fontes alternativas:
1) alterar o atual sistema para um sistema fotovoltaico conectado à rede;
2) desativar a geração própria de energia elétrica e comprá-la diretamente da concessionária.
Os resultados dessas análises poderão servir de diretrizes na tomada de decisões em relação ao aproveitando das placas fotovoltaicas já adquiridas, fazendo um melhor uso dos recursos públicos. Também poderá servir de auxílio para investidores em geração de energia.
FIGURA 02 – SISTEMA FOTOVOLTAICO ISOLADO.
FONTE: O autor (2016).
1.1 OBJETIVOS
1.1.1 Objetivo Geral
Apresentar o comparativo econômico da conversão dos sistemas fotovoltaicos isolados (SFI’s) em sistema fotovoltaico conectado à rede (SFCR).
1.1.2 Objetivos Específicos
Os objetivos específicos do trabalho são:
a) Examinar os custos do consumo de energia das luminárias que são alimentadas pelos sistemas fotovoltaicos existentes (SFI’s);
b) Analisar os custos para transformação dos SFI’s em SFCR;
c) Estimar a quantidade de energia gerada e os custos de manutenção dos dois modelos supracitados;
d) Comparar os custos unitários da energia elétrica das seguintes fontes:
SFI’s (existentes);
SFCR com a alteração dos SFI’s (existentes);
Compra de energia da concessionária local, sem sistema de
geração próprio.
2 REVISÃO DE LITERATURA
2.1 RADIAÇÃO SOLAR
Quando se planeja instalar um sistema fotovoltaico, de acordo com Xavier (2015), o primeiro fator a ser analisado é a disponibilidade de radiação solar, ou seja, disponibilidade do recurso para geração de energia.
Estudos da Empresa de Pesquisa Energética (EPE, 2012), apontam que já existem locais no Brasil em que a geração fotovoltaica distribuída é competitiva com a energia elétrica da concessionária, dependendo de fatores como o nível de radiação solar e a tarifa de energia elétrica.
A radiação solar é a energia (Wh) que chega do Sol em forma de ondas eletromagnéticas. Alonso, García e Silva (2013) afirmaram que, diferentemente de outro tipo de transferência de energia, a radiação eletromagnética não precisa de suporte material para sua transmissão, isso é, pode ser transmitida através do vácuo.
Segundo Xavier (2015), empresas, indústrias e universidades se enquadram em grupos tarifários em que há contrato por demanda e, com isso, podem ser punidos, com aplicação de multas pela concessionária, caso seja ultrapassada a demanda contratada de energia. Os picos de consumo de energia elétrica ocorrem nos períodos mais quentes do dia, devido à climatização de ambientes, e são os mesmos períodos que há grande incidência de radiação solar, o que torna extremamente favorável a utilização de energia solar fotovoltaica para suprir a demanda extra.
Alonso, García e Silva (2013) conceituam irradiância solar como uma medida de potência (energia/tempo) por unidade de área, ou seja, é medido em watts por metro quadrado (W/m²), quando se trata de expressar a irradiância incidente sobre uma célula.
Observações periódicas feitas a partir do espaço permitem análises mais
qualitativas dos fluxos de energia na Terra. Trenberth, Fasullo e Kiel (2009)
atualizaram o diagrama de fluxo de potência global, com base em medições de
março de 2000 a novembro de 2005. Pode-se observar neste diagrama que, cerca de 54% da irradiação solar que incide sobre o topo da atmosfera, é refletida (7%) e absorvida (47%) pela superfície terrestre, (os 46% restantes são absorvidos ou refletidos diretamente pela atmosfera).
FIGURA 03 – FLUXO DE POTÊNCIA GLOBAL (EM W/M²).
FONTE: Trenberthet et al. (2009).
A radiação solar que chega à superfície terrestre é constituída, segundo Pinho e Galdino (2014), por uma componente direta (ou de feixe) e por uma componente difusa. A radiação direta é aquela que provêm diretamente da direção do Sol e produz sombras nítidas. A difusa é aquela proveniente de todas as direções e que atinge a superfície após sofrer espalhamento pela atmosfera terrestre.
Mesmo num dia totalmente sem nuvens, pelo menos 20% da radiação que
atinge a superfície é difusa. Já em um dia totalmente nublado não há radiação direta
e 100% da irradiação é difusa. Notadamente, se a superfície estiver inclinada em
relação a horizontal, haverá uma terceira componente refletida pelo ambiente do
entorno (solo, vegetação, obstáculos, terrenos rochosos, etc.). O coeficiente de
reflexão destas superfícies é denominado de “albedo” (PINHO e GALDINO, 2014).
FIGURA 04 – COMPONENTES DA RADIAÇÃO SOLAR.
FONTE: Pinho et al. (2008).
Mitscher e Rüther (2012) analisaram a competitividade econômica de sistemas fotovoltaicos conectados à rede instalados em cobertura de residências em cinco capitais brasileiras: Florianópolis, Rio de Janeiro, Brasília, São Paulo e Belo Horizonte. Foram analisados dois parâmetros essenciais para a viabilidade dos conjuntos fotovoltaicos: nível de radiação e tarifa de energia local. Os resultados mostraram que condições de mercado que consigam reduzir os custos e financiamentos de longo prazo são requerimentos essenciais para que os equipamentos fotovoltaicos se tornem uma alternativa de geração justificável. Os autores ainda destacam que, com os atuais custos de financiamento, sistemas fotovoltaicos em residências têm um desempenho financeiro que é muito inferior à energia convencional fornecida pela concessionária, ou seja, ainda não vale a pena, do ponto de vista estritamente econômico.
2.2 O EFEITO FOTOVOLTAICO
O elemento fundamental na conversão fotovoltaica, de acordo com o Alonso,
García e Silva (2013), é a célula solar. Em determinados materiais semicondutores,
os fótons da radiação solar são capazes de transmitir sua energia aos elétrons de
valência do semicondutor, tornando possível romper suas ligações de modo que fiquem livres e possam movimentar-se pelo material. A ausência de um elétron devido ao rompimento de uma ligação se chama lacuna, e também pode mover-se pelo condutor. Portanto, as propriedades de condução elétrica de um semicondutor devem-se tanto ao movimento dos elétrons, quanto ao movimento das lacunas, denominando-se ambos, de maneira genérica, portadores de carga.
O movimento de elétrons e lacunas em direções opostas gera uma corrente elétrica no semicondutor, que seria aproveitável por um circuito externo. A fim de separar as lacunas dos elétrons para que a ligação não se restabeleça, utiliza-se um campo elétrico que obriga à circulação de ambas as cargas em sentidos opostos.
Uma célula solar nada mais é do que um semicondutor preparado de maneira que seja possível extrair a circulação de corrente do mesmo até um circuito externo (ALONSO, GARCÍA E SILVA, 2013).
2.3 A ESTRUTURA DA CÉLULA SOLAR
O material base é o silício e o campo elétrico é conseguido induzindo
impurezas de maneira controlada (dopando) com materiais que apresentam excesso
ou defeito de elétrons com relação ao silício. Alonso, García e Silva (2013) afirmam
que se em um dos lados introduzimos átomos doadores, isto é, com excesso de
elétrons, como poderia ser o fósforo, obteria a chamada capa n da célula, ou seja,
uma área com densidade de elétrons maior. Se em outro lado, introduzimos átomos
receptores, isso é, com defeito de elétrons, como poderia ser o boro, obteríamos
uma área com densidade de lacunas maior do que o resto do dispositivo. A diferença
de concentração entre elétrons e lacunas cria um campo elétrico e o conjunto assim
formado se denomina união p-n. A maioria das células solares é formada a partir de
uma união p-n, a qual se adicionam contatos metálicos para poder extrair a corrente
até o exterior, conforme FIGURA 05.
FIGURA 05 – DIAGRAMA FUNCIONAL DO CAMPO ELÉTRICO INDUZIDO E CORRENTE ELÉTRICA PRODUZIDA.
FONTE: Alonso, García e Silva (2013).
Os elementos que aparecem na FIGURA 06 são:
- Capa antirreflexo: desenha-se com o objetivo de reduzir as perdas por reflexão superficial, com uma refletância mínima a determinado comprimento da onda.
- Rede de metalização: prepara-se de maneira a permitir a coleta adequada de elétrons introduzindo uma resistência mínima e considerando que deve permitir a maior passagem possível de luz ao interior do dispositivo. A estrutura mais utilizada é a apresentada no desenho, em forma de pente.
- As camadas ativas do semicondutor: são o emissor ou capa n, e a base ou capa p. Observa-se que a espessura do emissor é muito menor do que a da base. A espessura da célula solar foi diminuindo com o tempo, mas podem ser considerados valores típicos de espessura de célula solar entre 250 e 350 µm.
- Contato metálico posterior, que normalmente se realiza em toda a
superfície da célula solar.
FIGURA 06 – ESTRUTURA DA CÉLULA SOLAR.
FONTE: Alonso, García e Silva (2013).
2.4 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO
Quando a luz solar incide sobre a superfície da célula, se esta se encontra conectada a uma carga, como na FIGURA 05, será produzida uma diferença de potencial nesta carga. Desse modo, haverá uma circulação de corrente do terminal positivo ao terminal negativo da célula. Nem todos os fótons da radiação solar são capazes de gerar pares elétron-lacuna, mas o faz aquele que tem uma energia igual ou superior ao gap de energia do material (largura da banda proibida). Este valor é típico e característico de cada material semicondutor. Segundo Alonso, García e Silva (2013), os fenômenos que ocorrem são:
- Os fótons com energia igual ou superior a energia do gap podem ser absorvidos e produzir pares de elétron-lacuna que, por sua vez podem atuar como portadores de corrente. Mas nem todos os fótons com energia igual ou superior ao gap são absorvidos, já que existe uma parte que pode atravessar o dispositivo.
- São produzidos fenômenos de injeção e recombinação de pares elétron- lacuna, causando assim perdas de recombinação na célula fotovoltaica.
Considerando isto, a corrente gerada pela célula solar seria a diferença entre
a corrente fotogerada, devida a geração de portadores produzidas pela iluminação, e
o que se chama de corrente de diodo ou escura, devida a recombinação de portadores produzida pela diferença de potencial externa.
2.5 O MÓDULO FOTOVOLTAICO
O módulo fotovoltaico consiste na conexão elétrica de células fotovoltaicas em série-paralelo até obter os valores de tensão e corrente desejados. O conjunto assim definido é encapsulado de forma que fique protegido dos agentes atmosféricos que o possam afetar quando esteja trabalhando exposto ao tempo, conferindo-lhe ao mesmo tempo rigidez mecânica e isolando-o eletricamente do exterior (ALONSO, GARCÍA E SILVA, 2013).
Os módulos fotovoltaicos não emitem qualquer tipo de poluente para geração de energia, segundo Kanget al. (2012), sendo a poluição a eles associada presente apenas na fabricação e descarte, em níveis muito menores que a poluição proveniente de usinas térmicas.
A estrutura mais convencional do módulo fotovoltaico é a esquematizada na FIGURA 07, que representa a seção transversal de um módulo no qual pode se observar os seguintes elementos apontados por Alonso, García e Silva (2013):
- Cobertura frontal: Deve apresentar uma elevada transmissão na gama de comprimentos de onda que possa ser aproveitada por uma célula solar fotovoltaica (350 a 1200 (nm) no caso de células de silício) e uma baixa reflexão da superfície frontal, para aproveitar ao máximo a energia solar incidente. Ademais, o material deve ser impermeável, ter boa resistência ao impacto, ser estável à exposição prolongada de raios UV (ultravioleta) e possuir uma baixa resistência térmica.
- Encapsulamento: Utiliza-se para conferir adesão entre as células solares, a superfície frontal e a posterior do módulo. Deverá ser impermeável à água e resistente à fadiga térmica e à abrasão. O mais utilizado é o EVA (etileno-vinil- acetato).
- Cobertura posterior: Deve ser impermeável e com baixa resistência térmica.
Normalmente é utilizado como uma camada de Tedlar aderida a toda a superfície do
módulo, ainda que também existam modelos que utilizam uma nova camada de
Tedlar e um segundo vidro.
- Células solares e seus conectores: as faixas de interconexão elétrica geralmente são de alumínio ou aço inoxidável, soldadas de forma redundante com dois condutores paralelos para aumentar a coleta de portadores nas duas faces das células.
FIGURA 07 – O MÓDULO FOTOVOLTAICO.
FONTE: Alonso, García e Silva (2013).
Os módulos de silício monocristalino e multicristalino, de acordo com Alonso, García e Silva (2013), são as células mais abundantes no mercado. As células de silício monocristalino, provenientes de lingotes, tem a forma semi-quadrada, enquanto que as de silício poli e multicristalino, por serem cristalizadas pela solidificação direcional, possuem aspecto quadrado. Os rendimentos para este tipo de tecnologia costuma ser de 16-18% nas células e de 13-15% nos módulos.
2.6 EFICIÊNCIA DO SISTEMA DE GERAÇÃO
Os valores de eficiência dos módulos fotovoltaicos são importantes para escolha e o dimensionamento do equipamento. O responsável pela aferição e certificação da eficiência dos módulos no Brasil é o INMETRO, um selo do Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica – PROCEL, que identifica e atesta a eficiência do módulo.
Para o cálculo de eficiência do conversor de energia utiliza-se a relação da
máxima potência de saída do inversor dividida pela potência nominal do
equipamento, um inversor padrão tem cerca de 95% de eficiência de conversão de corrente contínua para alternada (LISITA, 2005).
2.7 ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
Segundo afirmam Pinho e Galdino (2014), a energia solar fotovoltaica é obtida através da conversão direta da luz em eletricidade (efeito fotovoltaico), sendo a célula fotovoltaica, um dispositivo fabricado com material semicondutor, a unidade fundamental desse processo de conversão.
As principais tecnologias aplicadas na produção de células e módulos fotovoltaicos são classificadas em três gerações, conforme Pinho e Galdino (2014).
A primeira geração é dividida em duas cadeias produtivas: silício monocristalino (m- Si) e silício policristalino (p-Si), que representam mais de 85% do mercado. A segunda geração, comercialmente denominada de filmes finos, é dividida em três cadeias produtivas: silício amorfo (a-Si), disseleneto de cobre e índio (CIS) ou disseleneto de cobre, índio e gálio (CIGS) e telureto de cádmio (CdTe),esta geração apresenta menor eficiência do que a primeira e tem uma modesta participação do mercado. A terceira geração é dividida em três cadeias produtivas: célula fotovoltaica multijunção e célula fotovoltaica para concentração (CPV – Concentrated Photovoltaics), células sensibilizada por corante (DSSC – Dye- Sensitized Solar Cell) e células orgânicas ou poliméricas (OPV – Organic Photovoltaics).
A energia solar fotovoltaica é conhecida como energia limpa, pois não são emitidos poluentes durante a geração de energia. Entretanto deve-se ressaltar que há emissão de poluentes nas fases de produção e descarte dos módulos fotovoltaicos. Os principais agentes poluentes são: arsina, compostos de cádmio, tetracloreto de carbono, diborano, fluoreto de hidrogênio, seleneto de hidrogênio, sulfureto de hidrogênio, fosfina e silano (KANG et al., 2012).
O desenvolvimento de solução e equipamentos complementares para
sistemas fotovoltaicos, com qualidade e vida útil comparável à dos módulos
fotovoltaicos (fabricantes de módulos de silício cristalino garantem os seus produtos
por 25 anos) é um grande desafio para pesquisas e indústrias de desenvolvimento, em consonância com o afirmado por Pinho e Galdino (2014).
2.8 SISTEMAS AUTÔNOMOS E INTERLIGADOS À REDE
Os sistemas fotovoltaicos, de acordo com Demonti (2003), podem ser divididos em dois grupos: SFI’s e SFCR. Os SFI’s geralmente são aplicados em locais distantes da rede elétrica, por outro lado, os SFCR operam em conjunto com a rede elétrica já existente, podendo suprir uma parte da energia fornecida pela rede ou até mesmo produzi-la em excesso. Em geral são instalados em diversos pontos distantes entre si, caracterizando as chamadas gerações distribuídas. A FIGURA 08 ilustra um SFI e a FIGURA 09 um SFCR.
2.8.1 Sistemas fotovoltaicos isolados
Os sistemas fotovoltaicos isolados (SFI’s) podem ser individuais, ou seja, responsável por fornecer energia elétrica para uma única unidade de consumo ou em minirredes quando a geração é compartilhada entre um pequeno grupo de unidades consumidoras geograficamente próximas umas das outras. Estes sistemas são utilizados em regiões onde não há rede de distribuição de energia elétrica pelas concessionárias. Por exemplo: povoados ou comunidades em regiões distantes das cidades e pouco habitadas;
Sistemas fotovoltaicos isolados (SFI’s) em geral, necessitam de algum tipo de armazenamento de energia. Este armazenamento pode ser feito através de baterias, quando deseja-se acionar cargas em período onde não há geração de energia.
Existem alguns outros meios de armazenar a energia gerada, tais como, ar comprimido, volante de inércia, produção de hidrogênio, entre outros.
Em um sistema de bombeamento para irrigação em áreas distantes, por
exemplo, pode-se utilizar um SFI para alimentar uma bomba de água, irrigando
lavouras, este sistema pode ser implementado sem o uso de baterias.
FIGURA 08 – SISTEMA FOTOVOLTAICO ISOLADO (SFI).
FONTE: O autor (2017).
2.8.2 Sistemas fotovoltaicos conectados à rede
De acordo com Pinho e Galdino (2014), os SFCR são aqueles em que a energia produzida pelo gerador fotovoltaico é entregue diretamente à rede elétrica.
Os diferenciais do SFCR são:
Sistema de compensação de energia elétrica no qual a energia ativa gerada por unidade de consumo é injetada na rede da distribuidora local e posteriormente compensada com o consumo de energia elétrica ativa;
Não necessita armazenar energia, seja por baterias ou outros meios, pois o SFCR comporta-se como um gerador paralelo a rede de energia elétrica da concessionária, que suprirá eventuais demandas de carga superiores à geração do SCFR;
Redução de perdas com transmissão e distribuição de energia: como
o sistema é interligado, a unidade consumidora mais próxima da
unidade geradora, utilizará a energia gerada.
A corrente produzida pelo movimento de portadores de cargas nas células fotovoltaicas possui sentido único, ou seja, das camadas de silício dopado classificadas como tipo p para tipo n, com fluxo de corrente contínua.
O sistema de distribuição de energia elétrica nacional é padronizado em corrente alternada com variados níveis de tensão senoidal trifásica e frequência de 60 Hz (MAMEDE, 2007).
Para entregar a energia gerada pelas placas fotovoltaicas aos circuitos de alimentação de cargas conectadas nas instalações da universidade e consequentemente aos circuitos de distribuição da concessionária de energia, faz-se necessário transformar (inverter) a energia gerada em corrente contínua para corrente alternadas com tensões trifásicas em 60 Hz.
FIGURA 09 – SISTEMA FOTOVOLTAICO CONECTADO À REDE (SFCR).
FONTE: O autor (2017).
2.9 FUNDAMENTAÇÃO LEGAL PARA COMPENSAÇÃO DE ENERGIA
Desde 17 de abril de 2012, entrou em vigor a Resolução Normativa ANEEL
nº 482/2012, que permite ao consumidor de energia elétrica nacional gerar sua
própria energia elétrica a partir de fontes renováveis ou co-geração qualificada,
fornecendo o excedente à rede de distribuição de sua localidade.
COPEL (2016) relata que, quando a produção de energia elétrica excede o consumo da unidade consumidora, o excedente será injetado na rede de distribuição e creditado nos valores da fatura mensal de energia. O consumidor poderá utilizar na sua fatura mensal os créditos gerados ou acumular créditos para utilização em até 60 meses após faturamento. A compensação a ser creditada ao cliente corresponde à energia injetada no mês, somado ao saldo de energia injetada nos meses anteriores. O crédito gerado pode ser utilizado por outra unidade consumidora, desde que esta esteja relacionada ao mesmo CPF (Cadastro de Pessoa Física) ou CNPJ (Cadastro de Pessoa Jurídica) da unidade consumidora responsável pela geração dos créditos.
A energia gerada e consumida instantaneamente na própria unidade consumidora, ou seja, não injetada na rede de distribuição, não terá qualquer cobrança de tarifas ou impostos. Os créditos adquiridos poderão ser compensados em outro posto horário. Por exemplo, se gerados no horário fora da ponta poderão ser utilizados no horário da ponta. Neste caso será utilizado um fator de ajuste referente a relação entre os valores das tarifas de energia (COPEL, 2016).
O fator de ajuste do consumo a compensar, é calculado pela divisão entre a tarifa de energia fora do horário da ponta e a tarifa de energia no horário da ponta.
No estado do Paraná, a partir da publicação da LEI Nº 13.169 de 06/10/2015, foram reduzidas a zero as alíquotas de PIS/COFINS sobre o consumo compensado, permanecendo a cobrança de ICMS.
O Conselho Nacional de Política Fazendária (CONFAZ, 2013) define, que questões fiscais relacionadas ao Sistema de Compensação de Energia proposto pela Resolução 482 da ANEEL, deverão seguir as regras tributárias definidas no Convênio ICMS VI, de 5 de Abril de 2013.
De acordo com o Convênio ICMS VI, em sua Cláusula segunda, a base de cálculo para a cobrança do ICMS é “o valor integral da operação, antes de qualquer compensação, correspondente à quantidade total de energia elétrica entregue ao destinatário, nele incluídos...”(CONFAZ, 2013).
Segundo Nakabayashi (2015), na prática a cobrança de ICMS
regulamentada no convênio ICMS VI, implica em um valor da energia injetada na
rede pelo micro/minigerador menor do que o valor pago para a energia convencional
da rede elétrica.
3 MATERIAL E MÉTODOS
A proposta deste trabalho é realizar simulações para encontrar o menor custo unitário de energia elétrica, seja ela oriunda dos atuais SFI’s, do SFCR ou através da compra direta da distribuição pública de eletricidade.
Essas simulações e estimativas serão realizadas através de equações matemáticas, utilizando dados técnicos obtidos de luminárias, módulos fotovoltaicos, tarifas de energia elétrica e tempo de necessidade de iluminação.
O ambiente deste estudo de caso é identificado como a Universidade Federal do Paraná (UFPR), localizada em Palotina, Município do Oeste do Paraná. A cidade encontra-se localizada na latitude de 24º 17’ 02” S e longitude de 53º 50’ 24”
W, altitude de 333 m e apresenta uma área de 575,8 km². O local de estudo é arborizado, com grande fluxo de pessoas e com uma área total de 284.089,4 m², que corresponde aos locais onde estão construídos blocos de salas de aulas, laboratórios, restaurante universitário e prédios administrativos.
FIGURA 10 – IMAGEM AÉREA DO SETOR PALOTINA DA UFPR.
FONTE: Google Earth (2016).
3.1 SISTEMA FOTOVOLTAICO EXISTENTE
Parte da iluminação externa do Setor Palotina da UFPR, possui necessidade de funcionamento do anoitecer até às 24h, sendo acionada através de relés fotoelétricos e energizada pelo sistema fotovoltaico denominado de isolado ou autônomo, que se caracteriza por não se conectar à rede elétrica da concessionária.
Os atuais SFI’s são formados por 68 conjuntos, cada um composto por um poste sobre o qual está instalada uma luminária, que é alimentada pela energia armazenada em uma bateria (com um controlador de carga) de 115 Ah e 12 V.
Acarga elétrica da bateria é proveniente da conversão fotovoltaica.
A TABELA 01 apresenta as características técnicas do conjunto fotovoltaico existente.
TABELA 01 – INFORMAÇÕES TÉCNICAS DO SISTEMA EXISTENTE.
EQUIPAMENTO POTÊNCIA TENSÃO (V) CARGA ELÉTRICA (Ah) DIMENSÕES (mm)
Luminária 40 W 12 - 200 x 200
Painel Fotovoltaico 100 Wp 12 - 1040 x 670 x 35
Bateria - 12 115 -
FONTE: XIAMEN SOLAR FIRST ENERGY TECHNOLOGY CO.LTD. (2016).
As luminárias, baterias e módulos fotovoltaicos operam em corrente contínua, por este motivo os SFI´s dispensam o uso de inversor. Também não há necessidade do uso do medidor bidirecional, pois a energia elétrica é consumida integralmente no local, sem conexão com a rede elétrica da concessionária.
3.2 CONSUMO DAS LUMINÁRIAS
O consumo de energia das 68 luminárias que atualmente estão conectadas aos SFI’s, segundo o Manual de Tarifação do PROCEL, pode ser calculado pela EQUAÇÃO (01), obtida no site da ANEEL, que é a potência instalada (kW) consumida em um intervalo de tempo, expresso em quilowatt-hora.
1000 T
EC PL (01)
= energia consumida (kWh);
= potência de carga (W);
= período de tempo de consumo (h).
A formulação de custo da eletricidade é dada em conformidade com o tipo de instalação, seguindo as regras e resoluções da ANEEL.
Os consumidores são, de acordo com o PROCEL (2011), classificados conforme as características de tensão de atendimento, ramo de atividade, carga instalada e demanda contratada. A ANEEL divide-os em grupo A e B.
Os usuários atendidos com tensão superior a 2,3 kV são classificados no grupo A, subdividindo nos subgrupos abaixo:
• Subgrupo A1 para o nível de tensão de 230 kV ou mais;
• Subgrupo A2 para o nível de tensão de 88 a 138 kV;
• Subgrupo A3 para o nível de tensão de 69 kV;
• Subgrupo A3a para o nível de tensão de 30 a 44 kV;
•Subgrupo A4 para o nível de tensão de 2,3 a 25 kV;
• Subgrupo AS para sistema subterrâneo.
Para os subgrupos pertencentes ao grupo A, são aplicadas tarifas do tipo binômia, com custos de fornecimento constituídos por preços aplicáveis ao consumo de energia elétrica ativa (kWh) e a demanda faturável (kW).
Os usuários atendidos com tensão igual ou inferior a 2,3 kV, são classificados no grupo B, subdividindo conforme abaixo:
• Subgrupo B1 – residencial e residencial de baixa renda;
• Subgrupo B2 – rural e cooperativa de eletrificação rural;
• Subgrupo B3 – demais classes;
• Subgrupo B4 – iluminação pública.
Para os consumidores dos subgrupos do grupo B é aplicado tarifa monômia de fornecimento de energia elétrica, constituída por preços aplicáveis unicamente ao consumo de energia elétrica ativa (kWh).
T P E
L C
3.2.1 Estruturas tarifárias de energia do grupo A
No Brasil, as tarifas do Grupo A são divididas em três modalidades de fornecimento relacionadas no QUADRO 01, (PROCEL, 2011).
QUADRO 01 – ESTRUTURAS TARIFÁRIAS DA ANEEL.
Estrutura tarifária Convencional Estrutura tarifária horo-sazonal Verde;
Estrutura tarifária horo-sazonal Azul.
Contrato específico com a Concessionária;
Único valor de demanda, independentemente da hora do dia, ou período do ano;
Os consumidores do Grupo A, sub-grupos A3a, A4 ou AS, podem ser enquadrados na estrutura tarifária convencional quando a demanda contratada for inferior a 300 kW, desde que não tenham ocorrido, nos 11 meses anteriores, 3 (três) registros consecutivos ou 6 (seis) registros alternados de demanda superior a 300 kW;
Consumo com faturamento horo-sazonal, custos diferentes para consumo na ponta e fora da ponta.
Contrato específico com a Concessionária;
Possível para unidades consumidoras do Grupo A, sub-grupos A3a, A4 e AS.
Único valor de demanda, independentemente da hora do dia ou período do ano.
Permite contratação para 2 demandas distintas por ano, período seco e período úmido.
Consumo com faturamento horo-sazonal, ou seja, custos diferentes para consumo na ponta e fora da ponta.
Contrato específico com a Concessionária;
Aos consumidores dos sub- grupos A1, A2 ou A3, é obrigatório o enquadramento na estrutura tarifária horo- sazonal azul e opcional para os consumidores dos subgrupos A3a, A4 e AS.
Dois valores distintos de contratação de demanda, contratação de demanda para horário da ponta e horário fora da ponta.
Permite contratação para 2 períodos do ano.
Consumo com faturamento horo-sazonal, ou seja, custos diferentes para consumo na ponta e fora da ponta.
FONTE: PROCEL (2011).
3.2.2 Tarifa de energia elétrica do Setor Palotina
A Universidade Federal do Paraná se enquadra no grupo tarifário A4, com
contratação da estrutura tarifária horo-sazonal verde. Portanto, como pode ser
constatada na fatura de eletricidade (ANEXO C), a medição da demanda apresenta custo único e a energia consumida possui tarifa horo-sazonal.
A legislação define 2 (dois) diferentes tipos de horários de tarifação, segundo a COPEL (2016).São eles:
a) Horário na ponta de carga: Somente em dias úteis, das 18h às 21h no período fora do horário de verão, e das 19h às 22h no período de horário de verão.
b) Horário fora da ponta de carga: demais períodos não incluídos no item
“a”.
FIGURA 11 – TARIFAÇÃO HORO-SAZONAL.
FONTE: Copel (2016).
Conforme o Manual de Tarifação de Energia Elétrica do PROCEL (2011), para consumidores de tarifa horo-sazonal, o custo da energia elétrica será calculado pela EQUAÇÃO (02).
) T (D C C
Ct tp tfp d (02)
C
t =custo total mensal (R$);
Ctp =
custo total na ponta (R$);
Ctfp =
custo total fora da ponta (R$);
ENQUADRAMENTO TARIFÁRIO DA ENERGIA ELÉTRICA
HORÁRIO DE VERÃO
FORA DO HORÁRIO DA PONTA (ANTES
DAS 19H E APÓS ÀS 22H)
HORÁRIO DA PONTA (DAS 19H
ÀS 22H)
HORÁRIO DE INVERNO
FORA DO HORÁRIO DA PONTA (ANTES
DAS 18H E APÓS ÀS 21H)
HORÁRIO DA PONTA (DAS 18H
ÀS 21H)
D =
demanda contratada (kW);
T
d =tarifa da demanda (R$/kW);
Em conformidade com Mamede (2007), adicionado aos custos de energia utilizada nos horários da ponta e fora da ponta, o usuário do grupo A, está sujeito à cobrança de tarifas pela contratação de demanda de consumo instantâneo. Além disso, poderá receber multas caso ultrapasse a demanda contratada, ou por ficar abaixo do fator de potência (energia reativa) na carga conectada. Assim sendo, para os usuários de tarifa horo-sazonal, o custo da eletricidade será calculado pelas EQUAÇÕES (03), EQUAÇÕES (04) e EQUAÇÕES (02).
ap cp cmp
tp (E T ) M
C (03)
Ctp =
custo total na ponta (R$);
Ecmp=
energia consumida mensal na ponta (kWh);
Tcp=
tarifa de consumo na ponta (R$/kWh);
Map=
multas adicionais no período da ponta (por ultrapassar a demanda, energia reativa).
afp cfp cmfp
tfp (E T ) M
C (04)
Ctfp =
custo total fora da ponta (R$);
Ecmfp=
energia consumida mensal fora da ponta (kWh);
Tcfp=
tarifa de consumo fora da ponta (R$/kWh);
Mafp=
multas adicionais no período fora da ponta (por ultrapassar a demanda, energia reativa).
Conforme mencionado nos parágrafos anteriores, faz-se necessário analisar
o somatório da potência das luminárias alimentadas pelos SFI’s, que serão
conectadas à rede de distribuição e verificar se haverá necessidade de contratação
de demanda adicional.
3.3 CUSTOS PARA INTERLIGAR OS MÓDULOS EXISTENTES À REDE
Para se transformar os SFI’s, similar ao apresentado na FIGURA 12, em um SFCR, será necessário:
a) A retirada dos módulos fotovoltaicos, baterias e os controladores de carga dos postes de iluminação, mantendo as luminárias em suas atuais posições.
FIGURA 12 – SFI DO SETOR PALOTINA DA UFPR.
FONTE: O autor (2016).
b) Para que as luminárias continuem funcionando adequadamente, será necessária a inclusão de fontes de chaveamento eletrônico CA/CC em 127 V para corrente contínua 12 V e fp ≥ 0,92. Isto ocorre, porque a concessionária que passará a energizar todo o Setor Palotina, dispõe de tensão de 127 V, incompatível com a tensão de 12 V das luminárias.
c) Será necessária a instalação de uma rede de cabos elétricos,
devidamente dimensionados, para a alimentação de cada luminária. Estas
deverão ser conectadas a um quadro de disjuntores, desde que o mesmo
suporte a carga necessária, assim como possua espaço físico para
instalação do disjuntor de proteção;
As placas fotovoltaicas serão instaladas sobre a cobertura de um prédio didático da UFPR, conforme ilustra a FIGURA 13, pois mesmo em uma região com recurso solar uniforme, a escolha de um correto local para fixação dos painéis fotovoltaicos é determinante para o seu desempenho.
Pinho e Galdino (2014) afirmam que um local para instalação do SFV deve possuir integração com os elementos arquitetônicos e sem a presença de elementos de sombreamento ou superfícies reflexivas próximas as placas, pois estas podem afetar a eficiência do SFV. Portanto, é indicada a instalação dos painéis em superfícies livres, sem sombreamento e com boa circulação de ar.
FIGURA 13 – SFCR ILUSTRAÇÃO.
FONTE: Neosolar (2016).
A instalação dos módulos fotovoltaicos deverá ser direcionada ao norte geográfico, pois o local deste estudo de caso situa-se no hemisfério sul. O norte geográfico pode ser definido a partir do norte magnético através de uma bússola e/ou GPS.
O Setor Palotina da UFPR está localizado a uma latitude de 24º 17’39,56” S,
o melhor ângulo para instalação de módulos fotovoltaicos mede 29º, a partir do nível
do solo, como informa a TABELA 02.
TABELA 02 – MELHOR ÂNGULO DE INCLINAÇÃO DO MÓDULO.
LATITUDE LOCAL ÂNGULO RECOMENDADO
0º a 10º α=10º
11º a 20º α= latitude local
21º a 30º α= latitude local + 5º
31º a 40º α= latitude local +10º
41º ou mais α= latitude local +15º FONTE: VILLALVA E GAZOLI, (2012).
Para a instalação dos equipamentos fotovoltaicos, serão necessários suportes metálicos, ilustrados na FIGURA 14. Estes servirão para fixação dos módulos sobre a cobertura, garantindo o posicionamento e inclinação adequada para um melhor aproveitamento da radiação solar.
FIGURA 14 – SUPORTE DE ALUMÍNIO PARA MÓDULOS FOTOVOLTAICOS.
FONTE: O autor (2017).
d) Para conectar o sistema existente à rede da concessionária, o projeto
de alteração deverá atender simultaneamente, as Normas Técnicas da Copel
NTC 905200 e NTC 903100. O diagrama unifilar da entrada de serviço da
unidade consumidora deverá ter, no mínimo, as proteções ilustradas na
FIGURA 15 e descritas no QUADRO 02, pois a unidade é atendida em tensão
primária de distribuição (13,8 kV).
A contratação do projeto para aprovação junto à concessionária deverá conter:
Estudo de curto circuito e de coordenação;
Estudo de ilhamento;
Estudos para viabilizar os ajustes para a faixa de potência a qual se enquadra a central geradora;
Tabela resumo com os ajustes aos sistemas de proteção exigidos;
A.R.T. - Anotação de Responsabilidade Técnica, emitida por
Engenheiro Eletricista;
FIGURA 15 – DIAGRAMA UNIFILAR DE INSTALAÇÃO - NTC 905200.
FONTE: Copel (2016).
QUADRO 02 – RELÉS DE PROTEÇÃO.
Equipamento ANSI n.º 25 Equipamento ANSI nº 27 Equipamento ANSI nº 50 Relé de verificação de
sincronismo: equipamento eletroeletrônico capaz de monitorar o sincronismo entre duas fontes de energia verifica os níveis de tensão, ângulos de fase e frequência. Atua na proteção evitando o paralelismo de fontes geradoras em níveis de sincronismo medidos fora dos padrões pré-definidos.
Relé de subtensão:
equipamento eletroeletrônico capaz de monitorar os níveis de tensão da rede. Atua na proteção quando a tensão de entrada é inferior a um valor pré-determinado.
Relé de sobrecorrente instantâneo: equipamento eletroeletrônico capaz de monitorar os níveis dascorrentes de linha. Atua na proteção instantaneamente quando os níveis das correntes de linha são superiores a um valor pré-determinado.
Equipamento ANSI nº 50 N Equipamento ANSI nº 51 Equipamento ANSI nº 51N Relé de sobrecorrente de
neutro instantâneo:
equipamento eletroeletrônico capaz de monitorar os níveis da corrente no Neutro. Atua na proteção instantaneamente quando o nível da corrente de neutro ultrapassar a um valor pré-determinado.
Relé de sobrecorrente temporizado: equipamento eletroeletrônico capaz de monitorar os níveis das correntes de linha. Atua na proteção quando os níveis das correntes de linha são superiores a um valor pré- determinado por um período de tempo pré-ajustado.
Relé de sobrecorrente de neutro temporizado:
equipamento eletroeletrônico capaz de monitorar o nível da corrente no neutro. Atua na proteção quando o nível da corrente do neutro ultrapassar a um valor pré-determinado por um período de tempo pré- ajustado.
Equipamento ANSI nº 51G Equipamento ANSI nº 59 Equipamento ANSI nº 81 Relé de sobrecorrente
temporizado de sensor de terra (GS): equipamento eletroeletrônico capaz de monitorar o nível da corrente no sistema de aterramento. Atua na proteção quando o nível da corrente no condutor de terra ultrapassar a um valor pré- determinado por um período de tempo pré-ajustado.
Relé de sobretensão:
equipamento eletroeletrônico capaz de monitorar os níveis de tensão da rede. Atua na proteção quando a tensão de entrada é superior a um valor pré-determinado.
Relé de sub / sobre frequência:
equipamento eletroeletrônico capaz de monitorar a frequência das tensões da rede. Atua na proteção quando as frequências lidas estiverem fora dos limites pré- estabelecidos.
Equipamento ANSI nº 86 Equipamento antiilhamento Relé auxiliar de bloqueio:
equipamento eletroeletrônico capaz de receber comando de bloqueio. Atua na proteção quando acionado sistema de bloqueio.
Relé de proteção antiilhamento:
equipamento eletroeletrônico capaz de monitorar a rede da concessionária. Impossibilita que a fonte geradora distribuída (paralela) assuma as cargas conectadas a ela em caso de falha da rede da concessionária.
FONTE: INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMMITION’S (2016).
Após a instalação dos módulos fotovoltaicos sobre a cobertura, os mesmos
serão interligados em barramento único, com as devidas proteções dos circuitos
individuais e proteção geral, de maneira a conduzir a energia produzida para a
própria instituição e, se for o caso, o excedente à rede de distribuição da concessionária.
Será necessária a aquisição e instalação de um quadro elétrico de proteção em corrente contínua, similar à apresentada na FIGURA 16. Este deverá ser composto por um conjunto de dispositivos aptos a intervir contra distúrbios elétricos, que ocasionalmente, podem ocorrer entre as séries de módulos fotovoltaicos e o inversor. Os dispositivos que compõem o quadro de proteção são: base porta fusível, fusíveis, DPS (dispositivos de proteção contra surtos) e chave seccionadora em corrente contínua.
FIGURA 16 – QUADRO DE PROTEÇÃO EM CORRENTE CONTÍNUA.
FONTE: Sices Brasil (2016).
Para o processo de transformação de energia de CC/CA, em conformidade
com o exigido pela Copel (2007), deverão ser utilizados inversores de frequência
que atendam as normas nacionais ABNT NBR 16149, ABNT NBR 16150 e ABNT
NBR IEC 62116, assim como, as normas europeias IEC 61727:2004-12 e IEC
62116:2014, ou a norma norte americana IEEE 1457, como o modelo apresentado
na FIGURA 17.
FIGURA 17 – MODELO DE INVERSOR DE FREQUÊNCIA.
FONTE: ABB (2016).
e) Além dos componentes já citados, outros equipamentos e materiais serão necessários, como dispositivos de proteção em CC e em CA, eletrodutos, cabos, aterramento e acessórios para conexões elétricas.
3.4 GERAÇÃO DE ENERGIA PELOS MÓDULOS FOTOVOLTAICOS
O cálculo da eletricidade diária produzida pelo módulo fotovoltaico deverá seguir o modelo proposto por Fortes e Ferreira (2013), dado pela EQUAÇÃO (05).
d d p
s
pd E A T P
E (05)
Epd
= energia produzida diária (kWh/dia);
E
s= irradiação recebida pelo Sol por dia (
kWh/m².dia);
Ap
