ENGENHARIA INDUSTRIAL ELÉTRICA – ÊNFASE ELETROTÉCNICA HENRIQUE D’AVILA
KAREN KRYSTIE XAVIER MARÇAL RIBEIRO THIAGO HIDEKI SEIKE
ESTUDO DE VIABILIDADE PARA A IMPLANTAÇÃO DE UM
SISTEMA DISTRIBUÍDO FOTOVOLTAICO NO EDIFÍCIO
RESIDENCIAL RESERVA ECOVILLE
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO CURITIBA 2017
THIAGO HIDEKI SEIKE
ESTUDO DE VIABILIDADE PARA A IMPLANTAÇÃO DE UM
SISTEMA DISTRIBUÍDO FOTOVOLTAICO NO EDIFÍCIO
RESIDENCIAL RESERVA ECOVILLE
Trabalho de conclusão de curso de Graduação, apresentado à disciplina de TCC 2, do Curso Superior de Engenharia Industrial Elétrica – Ênfase Eletrotécnica do Departamento Acadêmico de Eletrotécnica (DAELT) da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR), como requisito parcial para obtenção do Título de Engenheiro Eletricista.
Orientador: Prof. Dr. Roberto Cesar Betini CURITIBA 2017
A folha de aprovação assinada encontra-se na Coordenação do Curso de Engenharia Industrial Elétrica ênfase Eletrotécnica
ESTUDO DE VIABILIDADE PARA A IMPLANTAÇÃO DE UM
SISTEMA DISTRIBUÍDO FOTOVOLTAICO NO EDIFÍCIO
RESIDENCIAL RESERVA ECOVILLE
Este Trabalho de Conclusão de Curso de Graduação foi julgado e aprovado como requisito parcial para a obtenção do Título de Engenheiro Eletricista, do curso de Engenharia Industrial Elétrica ênfase Eletrotécnica do Departamento Acadêmico de Eletrotécnica (DAELT) da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR).
Curitiba, 29 de junho de 2017.
____________________________________ Prof. Emerson Rigoni, Dr.
Coordenador de Curso
Engenharia Industrial Elétrica ênfase Eletrotécnica
____________________________________ Profa. Annemarlen Gehrke Castagna, Mestre Responsável pelos Trabalhos de Conclusão de Curso de Engenharia Industrial Elétrica ênfase Eletrotécnica do DAELT
ORIENTAÇÃO BANCA EXAMINADORA
______________________________________ Roberto Cesar Betini, Dr.
Universidade Tecnológica Federal do Paraná Orientador _____________________________________ Roberto Cesar Betini, Dr.
Universidade Tecnológica Federal do Paraná
_____________________________________ Lilian Moreira Garcia, Dr.
Universidade Tecnológica Federal do Paraná
_____________________________________
Joaquim Eloir Rocha, Dr. Universidade Federal do Paraná
D’AVILA, Henrique;; RIBEIRO, Karen Krystie X.;; SEIKE, Thiago Hideke.Estudo de Viabilidade para Implantação de um Sistema Fotovoltaico no Edifício Residencial Reserva Ecoville. 2017. 107 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação do Curso Superior de Engenharia Industrial Elétrica – Ênfase Eletrotécnica) – Departamento Acadêmico de Eletrotécnica, Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2017.
O presente trabalho aborda um estudo de caso sobre a implantação de um sistema distribuído fotovoltaico em um edifício residencial. Primeiramente, foram estudadas a definição do sistema fotovoltaico, seu funcionamento, as normatizações e recomendações envolvidas, as partes integrantes do sistema, os cálculos relacionados a produção de energia solar em função da localização e layout da instalação. Em seguida foram estudados os procedimentos para instalação do sistema, e assim feita a seleção de equipamentos necessários para garantir a produção de energia elétrica requerida pelo edifício. Os procedimentos de medição e aquisição de dados foram detalhados no trabalho e os resultados discutidos com base no software de análise de produção de energia. Ao final de todas as medidas organizadas, calculadas, e verificado o custo de instalação do sistema e comparadas com o custo da energia cobrada pela concessionária Copel, foi verificada a viabilidade de implantação do sistema e tempo de payback, foi feito ainda um comparativo entre a instalação do sistema e um investimento bancário. Ao final foi concluído que o sistema fotovoltaico é mais interessante economicamente para o edifício residencial, além de contribuir com a geração de energia de forma limpa e renovável.
Palavras-chave: Sistema;; Fotovoltaico;; Estudo;; Residencial.
de Viabilidade para Implantação de um Sistema Fotovoltaico no Edifício Residencial Reserva Ecoville. 2017. 107 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação do Curso Superior de Engenharia Industrial Elétrica – Ênfase Eletrotécnica) – Departamento Acadêmico de Eletrotécnica, Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2017.
This paper discusses a case study on the implementation of a distributed photovoltaic system in a residential building. First, the definition of the photovoltaic system, its operation, the regulations and recommendations involved, the integral parts of the system, the calculations related to the production of solar energy according to the location and layout of the installation were studied. Next, the procedures for installing the system were studied, and thus the selection of the necessary equipment to guarantee the production of electrical energy required by the building was done. The measurement and data acquisition procedures were detailed in the paper and the results discussed based on the energy production analysis software. At the end of all the measures organized, calculated, and verified the cost of installing the system and compared to the cost of energy charged by the Copel concessionaire, it was verified the feasibility of system implementation and payback time, a comparison was made between the Installation of the system and a bank investment. At the end it was concluded that the photovoltaic system is more economically interesting for the residential building, besides contributing to the generation of energy in a clean and renewable way.
Keywords: System;; Photovoltaic;; Study;; Residential Building.
ABSolar – Associação Brasileira de Energia Solar Fotovoltaica ACL – Ambiente de Contratação Livre
ACR – Ambiente de Contratação Regulada ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica
CCEE - Câmara de Comercialização de Energia Elétrica CMSE – Comitê de Monitoramento do Setor Elétrico
COFINS – Contribuição para o Financiamento de Seguridade Social EPE – Empresa de Pesquisa Energética
ICMS – Imposto sobre a Circulação de Mercadorias e Serviços IEA – International Energy Agency
LER – Leilão de Energia de Reserva MAE – Mercado Atacadista de Energia MME – Ministério de Minas e Energia
ONS – Operador Nacional do Sistema Elétrico PDE – Plano Decenal de Energia
PIS – Programa de Integração Social SIN – Sistema Interligado Nacional SV – Sistema Fotovoltaico
Figura 1 - Matriz da Oferta Interna de Energia no Brasil em 2014. ... 18
Figura 2 - Oferta Interna de Energia Elétrica por Fonte. ... 19
Figura 3 - Estimativa de produção mundial de eletricidade em 2014. ... 20
Figura 4 - Acréscimo de capacidade instalada de eólica, PCH, biomassa e solar... 23
Figura 5 - Reflexão e espalhamento da radiação solar. ... 27
Figure 6 - Esquema de funcionamento de células fotovoltaicas. ... 29
Figura 7 - Sistema fotovoltaico integrado à edificação e isolado com banco de baterias. ... 30
Figura 8 - A central fotovoltaica de Amareleja, 2015. ... 31
Figura 9 - Capacidade Global de Solar Fotovoltaica 2004-2014. ... 32
Figura 10 - Os 10 países com maior capacidade solar fotovoltaica em 2014. .. 32
Figura 11 - Diagrama esquemático do sistema solar fotovoltaico integrado a um edifício. ... 34
Figura 12 - Esquema de ligação de disjuntores. ... 35
Figura 13 - Esquema de ligação de diodo de bloqueio e bypass. ... 36
Figura 14 - Suporte de painel fotovoltaico para telhados. ... 37
Figura 15 - Ligação em série de dois painéis fotovoltaicos. ... 39
Figura 16 - Conexão em paralelo de dois painéis fotovoltaicos. ... 40
Figura 17 - Sistema de geração distribuída fotovoltaica ligado à rede de distribuição. ... 41
Figura 18 - Sistema de geração distribuída fotovoltaica ligado à rede de distribuição com uso de energia solar e eólica. ... 42
Figura 19 - Etapas de acesso obrigatórias para microgeradores e minigeradores. ... 46
Figura 20 - Procedimento e etapas de acesso. ... 49
Figura 21 – Componentes do Pacote Completo fornecido pela SICES. ... 51
Figura 24 – Datasheet Canadian Solar 60cells 265w p-si. ... 57
Figura 25 – Datasheet ABB Pro 33.0-TL-OUTD-SX-400. ... 58
Figura 26 – – Custo da Energia – Ramificado. ... 59
Figure 27 - Tela "Geographical Parameters". ... 61
Figure 28 - Aba "Monthly meteo". ... 61
Figure 29 - Janela "Definition of a PV module". ... 62
Figure 30 - Aba "Model Parameters. ... 63
Figure 31 - Aba “Sizes and Techonology”. ... 63
Figure 32 - Aba "Main parameter". ... 64
Figure 33 - Aba "Secondary Parameter". ... 65
Figure 34 - Janela "Orientation". ... 66
Figure 35 - Janela "Grid system definition". ... 67
Figure 36 - Janela "Results". ... 68
Figura 37 - Diagrama de perdas do PVsyst para 900 painéis. ... 69
Figura 38 - Tabela de geração mensal para 900 painéis. ... 70
Figura 39 - Diagrama de perdas do PVsyst para 1050 painéis. ... 71
Figura 40 - Tabela de geração mensal para 1050 painéis. ... 72
Figura 41 - Diagrama de perdas do PVsyst para 1200 painéis. ... 73
Figura 42 - Tabela de geração mensal para 1200 painéis. ... 74
Figura 43 - Formulário de licitação de acesso. ... 76
Figura 44 - Valores do Pacote SICES. ... 78
Figura 45 – Gráfico de geração. ... 79
Figura 46 – Gráfico do Payback Acumulado sem lucro. ... 83
Figura 47 – Gráfico do Payback Acumulado com lucro. ... 86
Tabela 1 - Capacidade instalada de fontes alternativas do mundo – 2015. ... 21
Tabela 2 - Elasticidade-renda do consumo de energia elétrica – 2015. ... 23
Table 3 - Relação entre tecnologia e rendimento dos painéis fotovoltaicos. .... 37
Tabela 4 - Irradiação solar no plano horizontal na região. ... 53
Tabela 5 - Tabela resumida com os pacotes SICES próximos ao valor de 1227 painéis. ... 56
Tabela 6 - Tarifas COPEL A4-Verde – Resolução Homologatória 1.879/2015. 59 Tabela 7 - Custo da Energia – Resolução Homologatória 1.879/2015. ... 60
Tabela 8 - Bandeira Tarifária e seu respectivo custo adicional. ... 60
Tabela 9 - Custos estipulados. ... 77
Tabela 10 - Queda de geração anual. ... 80
Tabela 11 - Valores de economia em reais. ... 81
Tabela 12 – Comparação de rendimentos (sem lucro). ... 84
Tabela 13 – Comparação de rendimentos (com lucro). ... 87
Tabela 14 – Tabela de rendimento na poupança com aumento anual de 1%. . 88
Tabela 15 – Comparativo de gastos durante os 30 anos. ... 89
LISTA DE EQUAÇÕES Equação 1 – Quantidade de Painéis (N) ... 52
1. INTRODUÇÃO ... 11
1.1. TEMA ... 12
1.2. DELIMITAÇÃO DO TEMA ... 13
1.3. PROBLEMAS E PREMISSAS ... 14
1.4. OBJETIVOS ... 14
1.4.1. Objetivo Geral ... 14
1.4.2. Objetivos Específicos ... 14
1.5. JUSTIFICATIVA ... 15
1.6. PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS ... 15
2. SISTEMA ELÉTRICO BRASILEIRO ... 17
2.1. MATRIZ ENERGÉTICA DO BRASIL ... 18
2.2. MATRIZ ELÉTRICA BRASILEIRA ... 19
2.3. FONTES ALTERNATIVAS DE ENERGIA ... 19
2.3.1. Cenário nacional das fontes alternativas ... 20
2.3.2. Potencial energético brasileiro ... 21
2.3.3. Perspectivas Futuras ... 22
2.3.4. Práticas sustentáveis ... 24
3. ENERGIA SOLAR ... 25
3.1. HISTÓRICO ... 25
3.2. RADIAÇÃO SOLAR ... 27
3.3. EFEITO FOTOVOLTAICO E FUNCIONAMENTO ... 28
3.4. SOLAR FOTOVOLTAICO ... 30
3.4.1. Cenário Atual ... 32
3.4.2. Célula Fotovoltaica ... 33
3.4.3. Componentes de um Sistema Solar Fotovoltaico ... 33
3.4.4. Eficiência e Rendimento ... 37
3.4.5. Conexões ... 38
4. GERAÇÃO DISTRIBUIDA ... 41
4.1. HISTÓRICO ... 42
4.2. APLICAÇÕES EM EDIFÍCIOS RESIDENCIAIS ... 43
4.3. INCENTIVOS / SUBSÍDIOS PARA UTILIZAÇÃO DA GERAÇÃO DISTRIBUIDA FOTOVOLTAICA ... 44
4.4. PROCEDIMENTOS LEGAIS PARA INTEGRALIZAÇÃO COM A REDE DE DISTRIBUIÇÃO LOCAL ... 45
5. DESENVOLVIMENTO DO PROJETO ... 51
5.1. DEFINIÇÃO DO POTENCIAL A SER INSTALADO ... 52
5.1.1. Perfil Energético do condomínio ... 52
5.1.2. Irradiação Solar na localidade ... 53
5.1.3. Eficiência do Sistema Fotovoltaico ... 53
5.1.4. Potência do Sistema fotovoltaico – Pacote completo ... 55
5.2. CUSTO DA ENERGIA ATUALMENTE ... 58
5.3. SIMULAÇÃO NO PVSYST ... 60
5.4. ENERGIA INJETADA NA REDE DE DISTRIBUIÇÃO ... 68
5.4.1. Sistema de 238,5 kWp – 900 painéis ... 69
5.4.2. Sistema de 278,25 kWp – 1050 painéis ... 70
5.4.3. Sistema de 318 kWp – 1200 painéis ... 72
6. VIABILIDADE TÉCNICA E ECONÔMICA DO PROJETO ... 75
6.1. PROCEDIMENTOS PARA INJEÇÃO DE ENERGIA NA REDE ... 75
6.2. INVESTIMENTO NECESSÁRIO ESTIMADO ... 77
6.3. ECONOMIA MENSAL ESTIMADA ... 79
6.4. VIDA ÚTIL DOS EQUIPAMENTOS E GARANTIA DO FORNECEDOR ... 82
6.5. RETORNO DO INVESTIMENTO ESTIMADO - PAYBACK ... 82
6.5.1. Payback acumulado sem lucro ... 83
6.5.2. Payback acumulado com lucro ... 86
7. CONCLUSÃO ... 91 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 92
1. INTRODUÇÃO
A energia elétrica é uma das maiores descobertas da humanidade, devido às inúmeras utilidades, provendo melhorias da qualidade de vida e do bem estar dos seres humanos, como principais importâncias. Porém, a previsão do crescimento da demanda de energia elétrica no Brasil para os próximos anos, até 2023, é de 4,3% ao ano para a classe residencial (EPE, 2013, p.54). Isto pode ser visto como o efeito combinado de um crescimento médio de 2,4% ao ano do número de consumidores e de um consumo por consumidor expandindo a um ritmo de 1,9% ao ano.
A sustentabilidade ambiental, preocupação com a preservação dos recursos naturais para gerações futuras, é um dos temas mais discutidos atualmente. Enfocam também a maneira da produção de energia, sendo este um elemento significativo de degradação ambiental, porém de fundamental importância para a evolução industrial e tecnológica.
A matriz energética mundial é composta por grande parte de energia não renovável e/ou derivadas do petróleo. Com relação a eletricidade, em particular, a dependência mundial por estas fontes energéticas também é elevada. O carvão tem uma parcela representativa de 40,4% de toda a geração de eletricidade do mundo, o gás natural com 22,5%, a hidráulica com 16,2%, a nuclear com 10,9%, o óleo e os outros com 5,0% cada uma (IEA, 2014, p. 24). A preocupação que nos cerca é que as reservas petrolíferas são recursos naturais passíveis de esgotamento e, principalmente seus derivados, juntamente com o carvão, emitirem gases poluentes durante a própria combustão.
No Brasil, a matriz energética é sustentada por dois pilares: o petróleo e a força das águas. As hidrelétricas, embora utilizem recurso natural renovável, causam grandes impactos ambientais e sociais, provenientes dos alagamentos de grandes áreas próximas dos locais em que elas são implantadas. Além disso, a instabilidade do nível dos reservatórios hidráulicos e a crescente demanda de carga do sistema elétrico brasileiro são fatores preocupantes devido a nossa enorme dependência desta fonte energética.
Somado a isto, há grande concentração geográfica de consumo nos centros urbanos, pois estes detêm a maior parcela das residencias, dos setores comerciais e industriais. Todavia, as grandes unidades geradoras estão localizadas em pontos
específicos/distantes do território nacional, o que exige uma complexa rede de transmissão e distribuição.
1.1. TEMA
Diante das inúmeras adversidades do setor elétrico nacional, estudos conduzidos buscam fontes alternativas de energia, que visam concomitantemente minimizar os impactos ambientais e oferecer um valor econômico competitivo em relação as convencionais.
O governo federal juntamente com o Ministério de Minas e Energia - MME fomentam a geração solar fotovoltaica com incentivos fiscais e tributários, leilões de energia de reserva exclusivos e estímulos à geração distribuída. Com relação a este último, o diretor geral da Agência Nacional de Energia Elétrica – ANEEL, Romeu Rufino, declarou que devido ao risco de racionamento de energia no Brasil, o governo federal deve incentivar a geração de energia solar por famílias e empresas (NÉRI, 2015).
Até a presente data, a Resolução Normativa que rege o acesso de microgeração e minigeração distribuída aos sistemas de energia elétrica é a 482, publicada em 17 de abril de 2012. Nela consta a forma de compensação de energia elétrica: o excedente ativo é contabilizado em forma de crédito, cedida à distribuidora a título de empréstimo gratuito. Desta forma, o consumidor repassa a energia à distribuidora sem a incidência de impostos (ICMS, PIS e COFINS, como as principais), e quando de seu uso há a cobrança de todos os tributos vigentes (ANEEL, 2012, p.2).
No início do ano de 2015, a ANEEL abriu audiência pública para simplificar e acelerar os processos de geração de energia com painéis solares, com a Revisão da Resolução Normativa 482/2012. Ela deverá reduzir as barreiras que ainda dificultam a conexão de geração distribuída (MME, 2015). Entre as medidas estimuladas estão a simplificação nas regras (acesso aos sistemas de distribuição, sistema de compensação e de medição da energia elétrica) para a geração em casas e prédios comerciais, mudança na tributação da energia produzida e fomento ao investimento industrial no setor.
1.2. DELIMITAÇÃO DO TEMA
Podemos citar como vantagens da geração distribuída fotovoltaica a produção de energia elétrica próxima aos pontos de consumo, diminuindo assim os custos de transmissão e distribuição;; a apropriação ou utilização de uma área já construída sem comprometer as áreas livres;; a geração energética em um período diurno concomitante a demanda do setor comercial e industrial, aliviando diretamente o Sistema Interligado Nacional - SIN.
A curva de demanda energética de edifícios varia basicamente pela atividade exercida, ou seja, alta demanda no período matutino e vespertino para os edifícios comerciais e de serviços, já para os edifícios residenciais alta demanda no período noturno. Apesar das edificações residenciais parecerem menos propícias à integração da geração distribuída fotovoltaica, elas possuem uma maior área de cobertura em relação a área construída e normalmente estão localizadas em zonas de baixos índices de sombreamento.
Por tais razões, o estudo da geração distribuída fotovoltaica em edifícios residenciais será objeto do presente, analisando-se, em especial o edifício Reserva Ecoville, localizado no endereço Rua Professor Pedro Viriato Parigot de Souza, 3901 – Ecoville – Curitiba/PR. Ele possui uma grande área de cobertura com um índice de sombreamento praticamente nulo, quase toda a cobertura dos quatro edifícios é passível de utilização, sem contar as áreas não privativas que serão analisadas na etapa do projeto.
Para a distribuidora, ele se encontra no Grupo A4 na modalidade tarifária verde, e como possui uma demanda inferior a 500kW, é um consumidor cativo. Isto significa que ele não pode negociar o preço da sua energia como seria se ele fosse um consumidor livre, sendo obrigado a comprar energia da distribuidora local na tarifa pré-estabelecida. Em outras palavras quer dizer que a eficiência energética e a implantação de geração distribuída são as ferramentas mais viáveis a fim de reduzir o impacto da fatura de eletricidade.
1.3. PROBLEMAS E PREMISSAS
A massiva utilização da tecnologia fotovoltaica está aquém da desejada por ambientalistas devido a barreira econômica que esta tecnologia impõe. Porém o governo federal, percebendo a alta dependência pela fonte hidráulica e o baixo nível pluviométrico dos últimos anos, vem incentivando a geração distribuída, sendo a fotovoltaica uma das mais discutidas na atualidade.
Este trabalho dará enfoque na geração distribuída fotovoltaica, analisando a viabilidade técnica e econômica da integração do sistema com a rede no edifício residencial Reserva Ecoville. Será comparado a curva de consumo do edifício com a curva de geração do sistema fotovoltaico, com isso saber-se-á em quais horários o edifício estará enviando excedente ou recebendo o complemento energético, afim de uma maior precisão no cálculo do retorno do investimento.
1.4. OBJETIVOS
A seguir são listados o objetivo geral e os específicos do trabalho. 1.4.1. Objetivo Geral
Elaborar um projeto de módulos fotovoltaicos com a finalidade de geração de energia elétrica para suprir parte do consumo do edifício Residencial Reserva Ecoville, buscando verificar a viabilidade técnica e econômica da integração com a rede de distribuição.
1.4.2. Objetivos Específicos
1) Verificar o histórico e tendências futuras para a utilização da geração distribuída fotovoltaica em edifícios residenciais, focando principalmente em grandes centros urbanos do porte e estrutura da capital paranaense;;
2) Verificar quais as gerações distribuídas de energia possíveis de serem utilizadas em edifícios residenciais, analisando as suas vantagens e desvantagens ao comparar com a geração distribuída fotovoltaica;;
3) Verificar e analisar a viabilidade técnica e econômica da utilização da geração distribuída fotovoltaica: entraves legais junto à distribuidora local, custos de implantação e manutenção, zonas de sombreamento no edifício, eficiência e
desempenho de módulos fotovoltaicos na cidade de Curitiba e curvas atuais e perspectivas futuras de consumo e de demanda de energia elétrica.
4) Simular a implantação do projeto elaborado, coletar e analisar os resultados econômicos e de sustentabilidade alcançados, e se necessário, verificar o melhor enquadramento da modalidade tarifária e demandas contratadas após esta implantação.
1.5. JUSTIFICATIVA
Tendo em vista a busca pela preservação ambiental, são essenciais as iniciativas que promovam o avanço da utilização das fontes renováveis até a sua inserção na matriz energética. A energia solar fotovoltaica é uma das fontes alternativas mais indicada aos sistemas energéticos convencionais, e tem a vantagem da possibilidade de produção no próprio local de consumo. Portanto, os estudos neste tema são extremamente necessários para acelerar a utilização desta tecnologia.
A projeção da geração distribuída fotovoltaica no Brasil para 2023 é de 835MWp de potência instalada, isto representaria uma geração de 126 MWm de energia elétrica limpa (EPE, 2014, p.35), ou seja, aproximadamente 15% da energia total gerada em 2023. A projeção da EPE aponta ainda que somente no setor residencial poderiam ser gerados 287 TWh/ano, o que representa 2,3 vezes mais que o próprio consumo residencial do país.
Estudos relacionados ao uso da geração distribuída fotovoltaica em edificações habitacionais de grandes centros urbanos são escassos. Costuma-se restringir a grandes empreendimentos de geração conectados à rede elétrica e sistemas isolados em locais remotos.
1.6. PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS
Inicialmente será feito um breve levantamento do histórico evolutivo da geração fotovoltaica, das gerações distribuídas possíveis de serem utilizadas em edifícios residenciais, dos incentivos fiscais dado pelo governo federal para investimentos no setor elétrico relacionados, das tendências futuras à utilização da geração distribuída fotovoltaica em edifícios residenciais, e das definições técnicas a serem utilizada neste estudo.
Em seguida será feita a pesquisa de referencial teórico sobre a implantação da geração distribuída fotovoltaica: exigências, desempenho, eficiência, custo, projeto e instalação, levantamento de dados sobre a incidência solar média da cidade de Curitiba, e o desempenho, de uma forma geral, dos módulos fotovoltaicos. Com isso será possível analisar a viabilidade técnica e econômica para a sua implementação. Em paralelo, será feito o estudo do comportamento de consumo e demanda de energia elétrica do edifício residencial Reserva Ecoville. Essas informações serão coletadas através das faturas da distribuidora local.
Uma vez conhecidas as informações necessárias para o desenvolvimento do projeto, serão indispensáveis visitas para definir o melhor local para a instalação dos módulos fotovoltaicos, levando em conta principalmente o espaço disponível, zonas de sombreamento e a correta angulação, para buscar uma melhor eficiência do sistema.
Após concluído o projeto, será feita uma simulação para coletar e analisar os resultados obtidos. Os resultados econômicos serão utilizados para analisar a viabilidade econômica da utilização da geração distribuída no edifício residencial Reserva Ecoville. Os resultados de sustentabilidade serão usados para mostrar a importância da conscientização da população em preservar ao máximo o meio em que vivemos.
O material de apoio deverá ser retirado de bibliografias especializadas, normas técnicas, leis federais e municipais, resoluções homologatórias, manuais, notícias, artigos, catálogos de produtos, sites de fabricantes e especialistas da área.
2. SISTEMA ELÉTRICO BRASILEIRO
O novo modelo para o Setor Elétrico Brasileiro criado pelo governo federal, lançado entre 2003 e 2004 sustentado pelas Leis nº 10.847 e 10.848, de 15 de março de 2004, e pelo Decreto nº 5.163, de 30 de julho de 2004, definiu a criação do(a):
• Empresa de Pesquisa Energética – EPE: entidade responsável pelo planejamento do setor elétrico a longo prazo;;
• Comitê de Monitoramento do Setor Elétrico – CMSE: instituição com a função de avaliar permanentemente a segurança do suprimento de energia elétrica;; • Mercado Atacadista de Energia – MAE: instituição para dar continuidade às
atividades do mercado atacadista de energia;;
• Câmara de Comercialização de Energia Elétrica – CCEE: instituição responsável pela comercialização de energia elétrica no Sistema Interligado Nacional
A definição do exercício do Poder Concedente ao Ministério de Minas e Energia – MME e a ampliação da autonomia do Operador Nacional do Sistema Elétrico – ONS foram outras duas alterações importantes.
Existem dois ambientes para celebrar contratos de compra e venda de energia:
• Ambiente de Contratação Regulada – ACR: participam agentes de geração e de distribuição de energia. A compra de energia das distribuidoras sendo realizada por meio de leilões, observando o critério de menor tarifa.
• Ambiente de Contratação Livre – ACL: participam agentes de geração, comercializadores, importadores / exportadores de energia e consumidores livres. A compra de energia é negociada bilateralmente entre as duas partes envolvidas.
Devido a criação do ambiente de contratação livre, onde o gerador pode negociar livremente o montante e o preço da sua energia, e dos incentivos do Governo Federal juntamente com as instituições do Setor Elétrico, a geração de energia renovável aumentou consideravelmente.
2.1. MATRIZ ENERGÉTICA DO BRASIL
Após a Revolução Industrial, a energia passou a influenciar diretamente na competitividade econômica das indústrias e na qualidade de vida dos seres humanos. Os países que conseguiram recursos energéticos de baixo custo e de baixo impacto ambiental obtiveram expressivas vantagens comparativas. Com a crescente preocupação da preservação ambiental e do custo energético, apresenta- se uma grande oportunidade para o país desenvolver-se em fontes renováveis.
Juntamente com a disponibilidade de excelentes condições para obtenção de recursos energéticos sustentáveis e das tecnologias atualmente conhecidas, o Brasil possui um grande potencial de geração de energia renovável.
A matriz energética do Brasil, composta de 39,4% de energia renovável na demanda total (com uma expressiva participação hidráulica e biomassa), é considerada uma das mais limpas. Os nossos indicadores de emissão de CO2 são
bem menores do que a média mundial. Em termos do indicador tCO2/tep de energia
consumida (relação entre tonelada de dióxido de carbono com tonelada equivalente de petróleo), o Brasil ficou em 1,59 enquanto o mundo em 2,37 (MME, 2015, p.5). A Figura 01 exibe o percentual da oferta interna de energia no Brasil em 2014.
Figura 1 - Matriz da Oferta Interna de Energia no Brasil em 2014. Fonte: Dados da Resenha Energética Brasileira, MME, 2015.
Não Renováveis 61% Hidráulica e Eletricidade 11% Lenha e Carvão
Vegetal 8% Derivados da cana-‐de-‐açúcar 16% Outras renováveis 4% Renováveis 39,4%
2.2. MATRIZ ELÉTRICA BRASILEIRA
O Brasil dispõe de uma matriz elétrica predominantemente renovável, destaque para a fonte hidráulica devido ao enorme potencial hídrico que o país possui. A Figura 02 exibe a parcela representativa de cada fonte energética na oferta interna de energia elétrica de 2014. A geração elétrica a partir de fontes não- renováveis representou 25,6% do total nacional.
Figura 2 - Oferta Interna de Energia Elétrica por Fonte. Fonte: Dados do Balanço Energético Nacional 2015, EPE, 2015.
2.3. FONTES ALTERNATIVAS DE ENERGIA
Programas oficiais para expansão das fontes renováveis de energia, focando as fontes hidráulicas e de biomassa, não apresentaram significativo potencial de expansão (ANEEL, 2002). Assim, as pesquisas e aplicações favoreceram o grupo chamado fontes alternativas de energia ou simplesmente outras fontes: energia eólica, solar, marítima, geotérmica, esgoto, lixo, dejetos animais e entre outros.
Elas possuem o fator comum de serem fontes renováveis e, portanto, corretas da perspectiva ambiental. Tem a grande vantagem na redução da dependência dos combustíveis fósseis, como carvão e petróleo, cuja utilização é responsável pela emissão de grande parte dos gases que agravam o efeito estufa. Além disso, podem operar como complemento a energia primária local no Brasil, as usinas hidrelétricas.
As fontes alternativas de energia (energia hidráulica, eólica, biomassa, solar fotovoltaica, geotérmica e marítima) representaram 22,8% de toda a produção de eletricidade no mundo em 2014 (REN21, 2015). A fonte solar fotovoltaica representa 0,9% da produção total e aproximadamente 4% da produção de eletricidade por fonte renovável. A Figura 03 exibe o percentual das fontes de energia na produção total de eletricidade no mundo em 2014.
Figura 3 - Estimativa de produção mundial de eletricidade em 2014. Fonte: Renewables 2015: Global Status Report, REN21, 2015.
2.3.1. Cenário nacional das fontes alternativas
O Brasil está muito consciente da importância das fontes alternatvas de energia, porém está muito aquém dos países desenvolvidos em relação a capacidade instalada destas fontes. Em 2012, o Brasil possuía uma capacidade instalada de 11.8 GW de energia provida de fontes alternativas, enquanto que os Estados Unidos possuíam 78,9 GW (EPE, 2015). Na Tabela 01 observam-se os 10 países do mundo com maior capacidade instalada de fontes alternativas de energia.
Tabela 1 - Capacidade instalada de fontes alternativas do mundo – 10 maiores em 2012. Capacidade Instalada (GW) 2008 2009 2010 2011 2012 ∆% (2012/2011) Part. % (2012) Mundo 200,6 242,0 286,8 377,5 459,7 21,8 100 Estados Unidos 39,4 49,4 54,7 62,6 78,9 25,9 17,2 Alemanha 36,0 43,1 52,8 63,0 72,9 15,8 15,9 China 15,0 19,3 36,4 56,3 72,5 28,7 15,8 Espanha 20,7 23,8 16,3 26,9 30,6 13,6 6,6 Itália 6,4 8,9 12,5 23,4 29,1 24,5 6,3 Índia 11,8 13,2 15,7 20,0 23,2 15,9 5,0 França 5,0 6,4 8,6 12,5 14,5 16,1 3,2 Reino Unido 5,2 6,4 7,6 10,7 13,8 29,3 3,0 Brasil 5,5 6,3 8,9 10,5 11,8 13,0 2,6 Canadá 5,6 7,4 8,3 10,1 11,2 11,6 2,4 Outros 50,1 57,7 65,1 81,6 101,2 24,0 22,0
Fonte: Dados do Anuário estatístico de Energia Elétrica 2015, EPE, 2015.
2.3.2. Potencial energético brasileiro
O Brasil é um país com um imenso potencial energético, tendo como principais fontes a hidráulica, a eólica, a maremotriz e a solar.
A energia hidráulica pode ser considerada alternativa em relação aos combustíveis fósseis, no Brasil ela é a principal fonte energética para geração de energia elétrica. Ela tem muitas vantagens: limpa, renovável e é muito barata comparada com as outras fontes. A grande desvantagem é a inundação de grandes áreas, podendo causar destruição da flora e fauna (UNIOESTE, 2013).
A energia eólica é considerada a energia mais limpa que existe, pois utiliza- se de fonte teoricamente inesgotável e sua emissão de poluentes é praticamente nula, incluindo na fabricação, entretanto não são muitos os lugares onde existem condições favoráveis ao aproveitamento desta fonte, com ventos constantes e intensos. Na região nordeste do país, principalmente no Ceará e em Pernambuco, a ANEEL e a CBEE publicaram através do Atlas Eólico o enorme potencial de geração eólica nesta faixa litorânea (ANEEL, 2002).
A energia das marés ou simplesmente maremotriz utiliza a energia contida no movimento de massas de águas, tanto cinética quanto potencial. No Brasil
existem pontos onde a maré pode atingir alturas da ordem de 15 metros. Sem contar toda a extensão litorânea que o país possui.
A energia solar é uma energia abundante, limpa e renovável. Existem três formas de fazer a sua conversão: painéis fotovoltaicos, coletores térmicos e captores de energia. O Brasil possui um enorme potencial solar devido a intensidade do sol e a sua extensão territorial.
2.3.3. Perspectivas Futuras
No mundo, de uma forma geral, o modelo energético é baseado no consumo de combustíveis fósseis: petróleo, gás natural e carvão. Além de ser recursos não renováveis ocasionam danos ao meio ambiente. A dependência de combustíveis fósseis certamente afeta a vida na Terra, comprometendo a qualidade de vida dos seres que aqui habitam. Sendo assim, é necessário o avanço dos trabalhos científicos e tecnológicos dirigidos a produção de fontes alternativas de energia.
Segundo o Painel Intergovernamental para mudanças climáticas as tecnologias renováveis podem prover até 80% das necessidades de energia do planeta até a metade do século 21 (IPCC, 2014), e que metade dos investimentos atuais em geração de eletricidade no mundo são voltadas para as fontes renováveis.
Já para o Brasil é esperado um crescimento do consumo de eletricidade de 4,2% ao ano (EPE, 2015, p. 43). A Tabela 02 mostra a projeção do consumo total de eletricidade e os valores médios quinquenais da elasticidade-renda resultante, assim como os valores pontuais da intensidade do consumo de energia elétrica em relação ao PIB no Brasil. Elasticidade-renda é a medida do impacto decorrente de uma variação na renda sobre a demanda, ou seja a variação da renda impactando sobre o consumo de energia.
Tabela 2 - Elasticidade-renda do consumo de energia elétrica – 2015.
Fonte: Plano Decenal de Expansão de Energia 2024, EPE, 2015.
Em relação a expansão das fontes alternativas no Brasil (eólicas, PCH, biomassa e solar), nota-se um crescimento médio anual de cerca de 10%, em relação a capacidade instalada total dessas fontes (EPE, 2015, p. 90). A Figura 04 exibe a previsão de acréscimo de capacidade instalada das fontes eólica, PCH, biomassa e solar em MW ao longo da próxima década.
Figura 4 - Acréscimo de capacidade instalada de eólica, PCH, biomassa e solar. Fonte: Adaptada - Plano Decenal de Expansão de Energia 2024, EPE, 2013.
A capacidade instalada da energia solar é pouco representativa, incluindo projetos de P&D, usinas instaladas nos estádios da Copa do Mundo 2014 e usinas enquadradas como mini ou microgeração distribuída. No entanto, a expectativa é de
crescimento da participação dessa fonte na capacidade instalada no SIN (Sistema Interligado Nacional), sistema interligado nacional (EPE, 2015). Nos leilões promovidos ao longo de 2014 foram comercializados 891 MW de potência instalada fotovoltaica, 521 MW localizados na região Nordeste e o restante na região SE/CO.
2.3.4. Práticas sustentáveis
Desde 2000, o governo alemão oferece subsídios para quem quer instalar placas fotovoltaicas. O cidadão que opta por este programa gera sua própria energia e vende o excedente para os vizinhos a preços competitivos. Estes subsídios são retirados da sobretaxa na conta de luz de quem não opta por energias limpas. Isto fez com que a Alamanha aumentasse em mais de 300 vezes sua geração de energia solar nos últimos 11 anos, tornando-se lider global no quesito.
A PUC-RS em parceria com a prefeitura de Porto Alegre possui um programa em que a prefeitura recolhe e entrega a PUC óleo vegetal que é transformado em biodiesel para ser utilizado nos tratores da secretaria de meio ambiente da cidade.
O Estado da Califórnia economizou mais de 10 milhões de barris de petróleo somente com o aproveitamento da energia eólica como complemento as usinas hidroelétricas e termoelétricas.
3. ENERGIA SOLAR
Todos os dias, a milhares de anos, uma forma de energia vem sido entregue ao planeta em forma de radiação solar. Primeiramente se utilizava essa energia para fins mais óbvios, como aquecimento ou geração indireta de energia elétrica (através da geração de vapor pelo aquecimento). Mas com os estudos e avanços tecnológicos chegamos ao ponto de gerar diretamente energia elétrica através da luz pelo efeito fotovoltáico, chamamos essa energia de energia solar (ou energia fotovoltaica).
Daremos neste capítulo um foco na energia solar. Veremos um breve histórico da sua descoberta, aplicação, como ela é transformada em energia elétrica, os equipamentos necessários e métodos de ligação dos mesmos.
3.1. HISTÓRICO
A transformação de luz solar em energia elétrica ocorreu graças a descoberta do efeito fotovoltaico (junção das palavras foto = luz e vol = unidade de medida de diferença de potencial elétrico) pelo físico francês Edmond Becquerel em 1839, através de um experimento muito simples. Usando dois eletrodos colocados em um eletrólito (solução condutora de eletricidade), ele verificou o aumento da eletricidade quando havia presença da luz solar (VALLÊRA, 2006, p.12).
Em 1873, o engenheiro eletricista britânico Willoughby Smith descobriu um material isolante, mas quando exposto à luz transformava-se em condutor (fotocondutividade), o selênio. E que além de conduzir, este material era capaz de produzir energia a partir da luz solar (Perlin, 2004).
Envolvidas em pastilhas de selênio, surgiram em 1883 as primeiras células fotovoltaicas funcionais. Mas só ao final da 2ª guerra mundial que a utilização de equipamentos que utilizavam energia solar começou a se tornar popular. Em 1954 os cientistas Daryl Chapin, Calvin Fuller e Geral Pearson, integrantes do laboratório Bell, divulgaram, depois de alguns anos de estudo e aprimoramento, a primeira célula fotovoltáica para uso prático (feita de silício monocristalino). O primeiro uso comercial aconteceu no espaço, com o intuito de fornecer eletricidade para os satélites e estações espaciais, a partir de 1958 (Perlin, 2004).
3.2. RADIAÇÃO SOLAR
Antes de falarmos do processo de transformação da energia solar em elétrica e dos materiais necessários para o mesmo, precisamos falar como a energia vinda do sol (radiação solar) atinge a terra e o que acontece com a mesma.
A radiação solar é a forma de transferência de energia advinda do Sol, através da propagação de ondas eletromagnéticas (URBANETZ, 2015).
O Sol está em média (tem variações durante o ano), a uma distância de 150.000.000 km da Terra. As radiações emitidas pelo mesmo atingem a camada externa da atmosfera terrestre com intensidade que depende da distância do Sol a Terra. A intensidade de radiação média, conhecida como “constante solar”, é de 1360 W/m2 (LUTGENS, 2012).
Porém não é toda a radiação que consegue passar pela atmosfera, nuvens e permanecer na crosta terrestre. Cerca de 30% da radiação é refletida de volta ao espaço, sendo que 5% refletida diretamente pela atmosfera, 20% pelas nuvens e 5% pelo próprio planeta (efeito albedo). Somados a isso, mais 20% da radiação é absorvida pelas nuvens e atmosfera, sendo assim, os 50% restantes, atingem a crosta terrestre e permanecem ali sem serem refletidos (LUTGENS, 2012, p. 50). A Figura 05 mostra os efeitos sofridos pela radiação solar ao chegar ao globo:
Fonte: The Atmosphere an introduction to meteorology 12th edition, LUTGENS, 2012.
A radiação solar que chega ao solo terrestre pode ser dividida, basicamente, em 3 componentes: direta, difusa e albedo.
A primeira, como o nome já exemplifica, é direta. Em outras palavras os raios atingem diretamente o solo e oceanos, com uma angulação variável dependendo da latitude em que se encontram, e são absorvidos por eles.
A segunda, difusa, ocorre devido ao efeito da refração ocorrido na atmosfera e nuvens. Esse efeito faz com que uma parcela da luz seja dispersa em várias direções. Esse fenômeno explica como a luz chega em baixo de uma árvore ou como um quarto permanece claro sem presença de radiação direta.
E, por fim, a terceira, albedo, é o fenômeno de reflexão que o próprio planeta (e objetos contido neles) emite de volta para o espaço.
3.3. EFEITO FOTOVOLTAICO E FUNCIONAMENTO
O processo de conversão da energia contida na luz solar em eletricidade é feito com a utilização de células fotovoltaicas. A luz vinda do sol ao entrar em contato com as células fotovoltaicas faz com que, dentro das mesmas, ocorra o efeito fotovoltaico. Esse efeito faz com que uma corrente elétrica seja gerada, que pode ser fornecida a um sistema.
As células fotovoltaicas são fabricadas com materiais semicondutores, como principais o: carbono (C), silício (Si), germânio (Ge), arsênio (As), fósforo (P), selênio (Se) e telúrio (Te). Eles possuem a característica de, ao mesmo tempo, apresentarem uma camada de valência totalmente preenchida por elétrons, uma camada condutora vazia na temperatura de 0 Kelvin.
Quando surge tensão em um material semicondutor, no momento que o mesmo é exposto à luz visível, dizemos que o mesmo sofreu o efeito fotovoltaico. Ao receber fótons de radiação da luz os elétrons do semicondutor sofrem uma perturbação e produzem uma corrente elétrica dentro do próprio elemento. Porém essa perturbação cessa e o semicondutor volta ao seu estado normal (neutro).
Para podermos usufruir dessa corrente que é gerada dentro do semicondutor é necessário dopar o mesmo, tornando-o em um semicondutor do tipo-N e tipo-P. O primeiro se mantém negativamente carregado (possui elétrons livres) e o segundo positivamente (falta de elétron). Para formar uma célula
fotovoltaica são unidos os dois tipos de semicondutores. Na área da união, chamada de Junção-PN, os elétrons livres do semicondutor tipo N migrarão até o semicondutor tipo P para ocuparem os espaços onde tem a falta de elétron. Porém essa migração cessa, pois forma-se um campo elétrico na área de junção que impede que os elétrons continuem fluindo. Assim quando há a incidência de luz sobre o painel fotovoltaico, os fótons chocam-se com os elétrons da estrutura do semicondutor energizando-os, porém os mesmos não conseguem fluir entre as camadas N e P. Por este motivo ligamos a camada negativa e a positiva por meio de um condutor externo, facilitando a passagem dos elétrons, gerando uma corrente e tensão elétrica enquanto houver incidência de luz. A Figura 06 retrata a produção de corrente elétrica na junção do material tipo N e tipo P quando em contato com fonte luminosa.
Figure 6 - Esquema de funcionamento de células fotovoltaicas. Fonte: Edifícios Solares Fotovoltaicos, RUTHER, 2004.
Estas duas camadas dos materiais semicondutores podem atingir uma diferença de potencial de até 3 eV (elétron-volt) entre si. É importante ressaltar também que o aumento da temperatura do semicondutor aumenta a condutividade e a intensidade da corrente gerada variará proporcionalmente conforme a intensidade da luz incidente.
3.4. SOLAR FOTOVOLTAICO
A célula fotovoltaica é a unidade mais básica desenvolvida para a geração de energia elétrica a partir da energia solar. Ao agruparmos várias células e interligarmos as mesmas eletricamente criamos um módulo fotovoltaico, e ao juntarmos 2 ou mais módulos, conectados eletricamente, criamos um painel fotovoltaico (ou painel solar fotovoltaico).
Pode-se dizer que existem basicamente dois tipos de sistema fotovoltaico: isolado (ou autônomo) e conectados à rede elétrica.
Atualmente no Brasil é mais utilizado o sistema isolado, onde a energia é armazenada em um banco de baterias. Esse tipo de sistema é mais utilizado em locais desprovidos de energia elétrica e/ou sistemas afastados de centros urbanos, a fim de suprir pequenas demandas. Também é utilizado em meios rurais isolados onde a expansão da rede seria de um custo muito elevado. Na Figura 07 vemos um esquema de um sistema fotovoltaico isolado.
Figura 7 - Sistema fotovoltaico integrado à edificação e isolado com banco de baterias. Fonte: Edifícios Solares Fotovoltaicos, RUTHER, 2004.
Os sistemas ligados à rede podem ser sistemas em grande escala, grandes usinas de geração, ou integrados a arquitetura da cidade.
As grandes usinas ocupam grandes espaços com painéis fotovoltaicos. Estas possuem desvantagens significativas pelo fato de ocupar uma grande área que poderia ser usada para outros fins além da geração de energia. Um exemplo é de como uma usina ocupa um grande espaço é a central Solar Fotovoltaica de Amareleja (ver Figura 08).
Figura 8 - A central fotovoltaica de Amareleja, 2015.
Fonte: Referência mundial no desenvolvimento das energias renováveis, ACCIONA, 2015.
Assim sendo a integração dos sistemas fotovoltaicos à arquitetura vem sendo uma solução ideal, pois a geração se situa próximo ao consumo (quando não no próprio consumidor), além de não ocupar um espaço só para a geração de energia, devido ao fato de que os painéis ficam sobrepostos a algo que já exerça uma função na arquitetura do local implantado (telhados, terraços e etc.).
3.4.1. Cenário Atual
Em 2014 foram instalados cerca de 40GW de fonte solar fotovoltaica ao redor do mundo, totalizando 177 GW de capacidade mundial instalada (ver Figura 09), destaques para a China e Japão (ver Figura 10).
Figura 9 - Capacidade Global de Solar Fotovoltaica 2004-2014. Fonte: Renewables 2015: Global Status Report, REN21, 2015.
Figura 10 - Os 10 países com maior capacidade solar fotovoltaica em 2014. Fonte: Renewables 2015: Global Status Report, REN21, 2015.
Como já mencionado antes, percebe-se uma real evolução e maior emprego na tecnologia fotovoltaica com o passar dos anos. Em um intervalo de 10 anos, de 2004 até 2014, a capacidade global fotovoltaica sofreu uma expansão de um pouco
mais de 45 vezes, um valor muito expressivo para um período relativamente curto (REN21, 2015). 3.4.2. Célula Fotovoltaica
Atualmente existem duas tecnologias para a criação da célula fotovoltaica, a primeira tecnologia, chamada de tradicional é a que segue os padrões criados pelos cientistas do laboratório Bell, a segunda tecnologia é chamada de tecnologia de filmes finos.
A primeira tecnologia compõe 90% da produção mundial. Basicamente a célula é composta por um material semicondutor dopado de modo a criar um meio adequado ao estabelecimento do efeito fotovoltaico. Dentro desta temos três tipos: silício monocristalino (m-Si), silício policristalino (p-Si) e HIT (que consiste no silício cristalino com uma camada de silício amorfo. A tecnologia de filmes finos é feita através da deposição de filmes de silício (ou outros materiais) em substratos flexíveis ou rígidos. Os filmes podem ser feitos de: silício amorfo (a-Si), telureto de cádmio (CdTe), disseleneto de cobre e índio (CIS), disseleneto de cobre, índio e gálio (CIGS) e micromorfo (µc-Si).
3.4.3. Componentes de um Sistema Solar Fotovoltaico
Uma instalação solar fotovoltaica integrada a uma edificação e conectada à rede elétrica é composta por vários itens, incluindo painéis solares, sistema de fixação ao envoltório da construção, sistema conversor CC-CA (inversor), diodos de bypass e diodos de bloqueio, fusíveis e disjuntores, cabos elétricos, terminais, proteções contra sobretensões e descargas atmosféricas e caixas de conexão (RUTHER, 2004, p. 16).
Na Figura 11 vemos um diagrama esquemático do sistema solar fotovoltaico onde aparecem os painéis solares (1), caixas de conexão (2), inversores (3) e cabos elétricos (4):
Figura 11 - Diagrama esquemático do sistema solar fotovoltaico integrado a um edifício. Fonte: Adaptada - Edifícios Solares Fotovoltaicos, RUTHER, 2004.
Na Figura 12 vemos que os fusíveis e disjuntores (5) são utilizados para a proteção dos cabos e sistema elétrico contra sobrecorrentes. Estes cabos, que devem suportar temperaturas elevadas, normalmente possuem proteção a radiação ultra-violeta e tem duplo isolamento e nas suas pontas são colocados os terminais que permitem a conexão elétrica aos demais equipamentos. Os disjuntores (5) são conectados entre um grupo de painéis solares ligados em série (string) e um inversor, e outro disjuntor deve ser colocado depois do inversor.
Figura 12 - Esquema de ligação de disjuntores.
Fonte: Adaptada - Edifícios Solares Fotovoltaicos, RUTHER, 2004.
Quando dois ou mais módulos (1) são ligados entre si alguns componentes são utilizados para a proteção dos mesmos. Diodos de bloqueio (6), ligados em série com os painéis, são aplicados para proteger o sistema contra correntes reversas entre os módulos. Em sistemas onde a tensão em circuito aberto seja maior que 30V e sabendo, também, que pode ocorrer um sombreamento parcial no sistema, fazendo com que alguns módulos produzam mais energia que outros, normalmente são adicionados diodos bypass (7), ligados em paralelo com o módulo, que isolam estes entre si. A Figura 13 demonstra o esquema de ligação dos diodos de bloqueio (6) e bypass (7), respectivamente.
Figura 13 - Esquema de ligação de diodo de bloqueio e bypass.
Fonte: Adaptada – Ligação em paralelo de mais painéis solares, MPP Solar, 2015.
Para a utilização da energia gerada, que é em corrente contínua e normalmente em uma tensão diversa da rede local, é necessário um sistema inversor (3). O sistema é um componente eletrônico que faz a conversão da energia em corrente alternada e em tensão e frequência da rede.
É mais comum o uso de dois tipos de inversores (3): comutados pela própria rede e auto-comutados.
Os inversores (3) onde o sinal da rede é utilizado para sincronizar o mesmo com a rede são os denominados “comutados pela própria rede”. Em contrapartida, os auto-comutados são os que, a partir de um circuito eletrônico, controlam e sincronizam o sinal do inversor com o da rede.
Um sistema de proteção contra sobretensões e descargas atmosféricas também é necessário, pois o mesmo se encontra exposto a variações de tensão indesejáveis, desta forma o SPDA (Sistema de Proteção contra Descargas Elétricas) faz a proteção do sistema.
O sistema de fixação deve suportar todas as cargas mecânicas, assim como cargas de ventos e expansões térmicas. Existem inúmeros métodos de se fixar o painel fotovoltaico, na Figura 14 vemos um suporte para telhados.
