DIMENSIONAMENTO DE UM ESTACIONAMENTO COM GERAÇÃO SOLAR FOTOVOLTAICA PARA O CARREGAMENTO DE VEÍCULOS ELÉTRICOS NO CAMPUS ARARANGUÁ DA UFSC

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FERNANDO MACHADO CONSTANTE

DIMENSIONAMENTO DE UM AESTACIONAMENTO COM GERAÇÃO SOLAR FOTOVOLTAICA PARA O CARREGAMENTO DE VEÍCULOS ELÉTRICOS NO

CAMPUS ARARANGUÁ DA UFSC

Araranguá, SC 2019

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DIMENSIONAMENTO DE UM ESTACIONAMENTO COM GERAÇÃO SOLAR FOTOVOLTAICA PARA O CARREGAMENTO DE VEÍCULOS ELÉTRICOS NO

CAMPUS ARARANGUÁ DA UFSC

Trabalho Conclusão do Curso de Graduação em Engenharia de Energia do Centro de Ciências, Tecnologias e Saúde da Universidade Federal de Santa Catarina como requisito para a obtenção do título de Engenheiro de Energia.

Orientador: Prof. Dr. Luciano Lopes Pfitscher

Araranguá 2019

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Ficha de identificação da obra elaborada pelo autor, através do Programa de Geração Automática da Biblioteca Universitária da UFSC

Constante, Fernando Machado DIMENSIONAMENTO DE UM ESTACIONAMENTO COM GERAÇÃO SOLAR FOTOVOLTAICA PARA O CARREGAMENTO DE VEÍCULOS ELÉTRICOS NO CAMPUS ARARANGUÁ DA UFSC / Fernando Machado Constante ; orientador, Luciano Lopes Pfitscher, 2019. 66 p.

Trabalho de Conclusão de Curso (graduação) - Universidade Federal de Santa Catarina, Campus Araranguá, Graduação em Engenharia de Energia, Araranguá, 2019.

Inclui referências.

1. Engenharia de Energia. 2. Energia solar fotovoltaica. 3. veículos elétricos. 4. estacionamento solar. I. Pfitscher, Luciano Lopes. II. Universidade Federal de Santa Catarina. Graduação em Engenharia de Energia. III. Título.

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AGRADECIMENTOS

Apesar do caminho difícil que tive que percorrer durante esse ano, tive pessoas importantes na minha vida que ajudaram a manter a cabeça erguida e não desanimar com os problemas que surgiram. Desta maneira quero agradecer as pessoas que de alguma forma contribuíram para me fortalecer e realizar este trabalho.

Primeiramente agradeço a Deus e a minha família, pais e irmã, pois sem eles nada disso seria possível. Deus foi maravilhoso em colocar uma família tão amorosa e compreensiva na minha vida, que desde pequeno me ensinaram a ser uma pessoa boa, querer seguir no caminho do bem, sempre buscando ser uma pessoa de bom caráter. Eu amo muito vocês.

Quero também lembrar das duas pessoas que me acompanharam praticamente a faculdade inteira, sendo meus parceiros de estudo, me ajudando a manter o foco e disciplina, não sendo apenas colegas, mas amigos para vida. Obrigado Dheferson Alixandre e Letícia Tramontin.

As pessoas que vou mencionar agora são tão recentes na minha vida, mas com um peso de afeto tão grande que é difícil explicar em palavras. João Pedro Semeler, Gabriel Semeler e Jonas Borges, vocês foram as pessoas mais importantes para tirar a minha cabeça dessa pressão diária que é estudar e trabalhar, além de me fazer acreditar que podemos ter irmãos de outras mães, que podemos confiar para qualquer coisa. Obrigado por tudo mesmo!

Por último e não menos importante, quero listar algumas pessoas que de alguma forma me ajudaram para a realização deste trabalho. Essas pessoas são Lauren Lopes Colares, Sandrielem Alves, Murillo Fabris, Elicson Colombo, Ketlyn Miguel e Filipe Henrique.

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RESUMO

Com o crescimento da demanda de energia elétrica e a possibilidade de usuários da rede gerarem sua própria energia, abriu-se portas para utilização da geração fotovoltaica. Um dos cenários que pode aumentar a utilização da geração distribuída é a inserção de veículos elétricos na frota mundial, pois esses vão aumentar expressivamente a demanda por energia elétrica. Porém essa inserção pode trazer problemas indesejáveis para a rede elétrica, principalmente no horário de pico de demanda. Através disso, este trabalho tem como principal objetivo apresentar uma solução técnica para mitigar este problema de aumento de demanda para concessionária de energia, gerado pela inserção de veículos elétricos na frota veicular. A solução que vai ser apresentada é através da instalação de sistemas fotovoltaicos integrados a estacionamentos corporativos. A energia solar fotovoltaica hoje já possui uma tecnologia confiável comparando com outras, sendo uma potencial forma de diminuir esses eventuais danos causados pelos veículos elétricos. A junção de sistemas fotovoltaicos acoplado em estacionamentos é viável quando sabemos que veículos elétricos passam horas nestes lugares, podendo assim serem carregados. Serão feitos estudos em cima de diferentes cenários de inserção de veículos elétricos, para assim encontrar o sistema mais viável a ser instalado. A metodologia será aplicada na Universidade Federal de Santa Catarina – UFSC, localizada na cidade de Araranguá.

Palavras-chave: Energia solar fotovoltaica, veículos elétricos, estacionamento solar.

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1: Crescimento do número de veículos elétricos no mundo de 2013 a 2018. Fonte: IEA

(2019)... 14

Figura 2: Estacionamento com módulos fotovoltaicos na UFRJ. Fonte: SOLAR ENERGY (2015)... 16

Figura 3: Irradiação solar – Brasil (a) / Irradiação solar – Alemanha (b). Média anual da radiação global. Fonte: CABRAL et al. 2013. ... 18

Figura 4: Camadas de um módulo fotovoltaico comercial. Fonte: EPE (2016). ... 20

Figura 5: Inversor WEG para geração distribuída. Fonte: (https://www.weg.net/institutional/BR/pt/). ... 21

Figura 6: Classificação dos carregadores dos VEs. Fonte: SAUSEN (2017). ... 24

Figura 7: Veículo elétrico de pequeno porte estacionado sob telhado solar fotovoltaico. Fonte: Pereira et al. 2017. ... 26

Figura 8: Curva de carga típica do alimentador urbano TDE05 do sistema de distribuição de Florianopólis‐SC, Brasil. Fonte: Pereira et al. 2017. ... 27

Figura 9: Localização da Universidade (UFSC). Fonte: Google Maps (2019). ... 28

Figura 10: Localização da Universidade (UFSC). Fonte: Google Earth (2018). ... 28

Figura 11: Universidade Federal de Santa Catarina campus Araranguá. Fonte: SINTER, ... 29

Figura 12: Laboratório de Pesquisa Aplicada. Fonte: Autor. ... 30

Figura 13: Terreno atual da UFSC Araranguá no bairro Mato Alto. Fonte: Google Earth (2019)... 31

Figura 14: Local onde será proposto o estacionamento. Fonte: Google Earth (2019). ... 31

Figura 15: Gráfico com intensidade de sol durante as horas do dia. Fonte: SOLARVALLE (http://solarvalle.com.br/o-melhor-horario-para-geracao-de-energia-solar/) ... 33

Figura 16: Carregador EVlink on-board de 3kW monofásico. Fonte: NeoSolar (https://www.neosolar.com.br/loja/carregador-carro-eletrico-evlink-1-tomada-t1.html).35 Figura 17: Distância média diárias parciais percorrida pela população urbana. Fonte: NTU (2017)... 37

Figura 18: Irradiação Média durente os meses do ano. Fonte: Radiasol 2 (2001). ... 39

Figura 19: Visão ilustrativa aérea da Universidade mostrando a localização do estacionamento. Fonte: Autor. ... 44

Figura 20: Visão das vagas do estacionamento 1. Fonte: Autor. ... 44

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Figura 22: Desenho ilustrativo dos pilares com furos, para suporte das coberturas do

estacionamento. Ilustração modificada com os valores deste projeto. Fonte: CUSTÓDIO (2018)... 46 Figura 23: Veículos Elétricos próximos aos equipamentos de recarga de bateria. Fonte: Autor.

... 46 Figura 24: Visão dos carregadores. Fonte: Autor. ... 47 Figura 25: Estimativa de geração energética mensal pelo sistema FV de 118,8 kWp a ser

instalado no estacionamento da UFSC Araranguá. Fonte: System Advisor Model (2017). ... 48 Figura 26: Gráfico da comparação da Geração x Consumo x Excedente do Cenário 1. Fonte:

Autor. ... 50 Figura 27: Estimativa de geração energética mensal pelo sistema FV de 59,4 kWp a ser

Autor. ... 53 Figura 29: Inversor Fronius Symo 15.0-3-M. Fonte: NeoSolar

(https://www.neosolar.com.br/loja/inversor-fronius-symo-15-0-3-m-15000w.html). ... 54 Figura 30: Especificações técnicas do Inversor Fronius Symo 15.0-3-M. Fonte: NeoSolar

(https://www.neosolar.com.br/loja/inversor-fronius-symo-15-0-3-m-15000w.html). ... 54 Figura 31: Estimativa de geração energética mensal pelo sistema FV de 14,85 kWp a ser

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LISTA DE TABELAS

Tabela 1: Média de veículos por hora do dia no estacionamento da UFSC. Fonte: MARTINS (2019)... 32 Tabela 2: Média de veículos no estacionamento por hora de funcionamento da UFSC. Fonte:

MARTINS (2019)... 33 Tabela 3: Tabela resumo das distâncias médias parcias percorridas e a distância média total

percorrida. Fonte: NTU (2017). ... 37 Tabela 4: Especificações técnicas do veículo elétrico proposto. ... 38 Tabela 5: Especificações técnicas do veículo elétrico modelo Nissan Leaf 2014. Fonte:

BITTERCOURT (2014). ... 38 Tabela 6: Valor da Irradiação Global Horizontal e a Média Anual. Fonte: Radiasol 2 (2001).

... 40 Tabela 7: Cenário onde 100% da média dos veículos elétricos sejam elétricos. Fonte:

MARTINS (2019)... 42 Tabela 8: Estimativa da demanda necessária dos veículos para o Cenário 1. Fonte: Autor. ... 42 Tabela 9: Valores de Geração Médio Mensal e a Geração Anual média do Cenário 1. Fonte:

System Advisor Model (2017). ... 48 Tabela 10: Excedente de energia de cada mês proveniente da subtração da geração e o

consumo do Cenário 1. Fonte: Autor... 49 Tabela 11: Estimativa da demanda necessária dos veículos para o Cenário 2. Fonte: Autor. . 50 Tabela 12: Valores de Geração Médio Mensal e a Geração Anual média do Cenário 2. Fonte:

consumo do Cenário 2. Fonte: Autor... 52 Tabela 14: Estimativa da demanda necessária dos veículos para o Cenário 3. Fonte: Autor. . 53 Tabela 15: Valores de Geração Médio Mensal e a Geração Anual média do Cenário 3. Fonte:

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SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 13 1.1 Motivação e Relevância ... 14 1.2 Justificativa ... 15 1.3 Objetivos ... 16 1.3.1 Objetivo geral ... 16 1.3.2 Objetivos específicos ... 17 1.4 Estrutura do trabalho ... 17 2 REFERENCIAL TEÓRICO ... 18 2.1 Potencial Fotovoltaico ... 18 2.2 Sistema fotovoltaico... 19 2.2.1 Módulos Fotovoltaicos ... 19 2.2.2 Inversores... 20

2.3 Geração distribuída fotovoltaica ... 22

2.4 Veículos elétricos ... 22

2.5 Carregamento dos veículos ... 22

2.6 Carregadores ... 23

2.7 Perfil de Usuários ... 24

2.8 Impacto do Carregamento nas Redes de Distribuição ... 25

2.9 Utilização da Geração Distribuída Para Diminuir Impactos na Rede Elétrica ... 25

3 METODOLOGIA ... 28

3.1 Localização ... 28

3.1.1 Localização do Estacionamento ... 30

3.2 Considerações realizadas ... 32

3.2.1 Veículo Elétrico utilizado ... 32

3.2.2 Fluxo de Veículos Elétricos na Universidade... 32

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3.3.1 Distância Percorrida ... 36

3.3.2 Consumo Energético do VE ... 37

3.3.3 Eficiência do Carregador ... 38

3.4 Sistema de Carregamento Baseado em Energia Fotovoltaica... 39

3.4.1 Análise do Recurso Solar da Região ... 39

3.4.2 Energia Solar Fotovoltaica ... 40

3.4.3 Dimensionamento da instalação ... 40

3.5 Seleção dos equipamentos ... 41

3.5.1 Módulo Fotovoltaico ... 41

3.5.2 Inversor Solar ... 41

4 RESULTADOS ... 42

4.1 Cenário 1 ... 42

4.1.1 Disposição do projeto arquitetônico e fotovoltaico ... 43

4.1.2 Geração fotovoltaica ... 47 4.1.3 Contribuição Energética ... 49 4.2 Cenário 2 ... 50 4.2.1 Geração fotovoltaica ... 50 4.2.2 Contribuição Energética ... 52 4.3 Cenário 3 ... 53 4.3.1 Geração fotovoltaica ... 53 4.3.2 Contribuição Energética ... 55 5 CONCLUSÃO ... 57

5.1 Sugestões de Trabalhos Futuros... 57

5.2 Publicação ... 58

REFERÊNCIAS ... 59

ANEXOS ... 62

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ANEXO B – Inversor e Suas Especificações Técnicas ... 63 ANEXO C – Edificações ... 64 ANEXO D – Diagrama Unifilar ... 66

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1 INTRODUÇÃO

A forma que a energia elétrica é produzida, transmitida e distribuída vem mudando ao longo dos anos. Uma grande modificação que vem acontecendo no setor elétrico é o livre acesso à infraestrutura de transmissão e distribuição, como incentivo a competitividade nesse setor, que resulta na descentralização da geração de energia elétrica. (BITTENCOURT, 2014). Nesse contexto, o aproveitamento da energia gerada pelo Sol, é uma das alternativas energéticas bem desenvolvidas tecnologicamente para prover energia necessária ao desenvolvimento humano (PINHO e GALDINO, 2014).

Neste contexto, o Brasil está localizado em uma região com uma ótima incidência de raios solares, pois fica em uma região do planeta que parte da sua extensão está na região tropical. Por este motivo, são medidos altos valores de irradiação solar em quase todo o território nacional (TOMALSQUIM, 2016). Desta forma, as tecnologias de geração que utilizam a energia solar para gerar energia elétrica tem grande potencial no país.

A Geração Distribuída (GD) caracteriza-se por habilitar uma quantidade significativa de métodos de geração de energia, dentre as quais se destacam os geradores a diesel, as turbinas a gás, pequenas centrais hidrelétricas, geradores eólicos, células de combustível e os geradores solares como os fotovoltaicos, mas na prática os geradores fotovoltaicos são os únicos utilizados para GD (JUNIOR, 2011).

Uma das aplicações que utiliza a geração solar fotovoltaica é a mini e microgeração distribuída, onde geradores solares fotovoltaicos integrados a edificações, com o sistema conectados à rede elétrica, geram energia elétrica para utilização da própria edificação, injetando o excedente para a rede (PEREIRA et al. 2017). Pelo método de compensação previsto na Resolução Normativa n° 482/2012 da ANEEL (2016), a excedente gerado pela unidade consumidora é injetado na rede de distribuição, que ficará registrado como crédito de energia até o momento que a unidade necessite de energia proveniente da concessionária de energia.

Com o aumento da demanda de energia elétrica, pela adição constante de novas cargas na rede, a estruturação da rede pode ficar comprometida caso não haja métodos de ampliação da capacidade da rede ou alternativas para suprir a demanda da carga. Um exemplo de carga que pode apresentar uma grande demanda à rede são os Veículos Elétricos (VEs).

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1.1 Motivação e Relevância

No mundo é possível ver as grandes iniciativas pela troca de motores a combustão por motores elétricos. É notável nos últimos anos o crescimento do número de veículos elétricos produzidos no mundo, que comparado a veículos a combustão ainda é pequeno. Segundo a IEA (2019), em 2018 ultrapassou-se 5 milhões de veículos elétricos espalhado pelo mundo. A Figura 1 apresenta o crescimento do número de VEs no mundo durante os anos de 2013 a 2018.

Figura 1: Crescimento do número de veículos elétricos no mundo de 2013 a 2018. Fonte: IEA (2019).

Uma forma de diminuir a sobrecarga causado pelo carregamento proveniente dos VEs nas redes de transmissão e distribuição pelo aumento de demanda de energia é a utilização da geração distribuída, através da geração fotovoltaica, para suprir esta demanda proveniente do carregamento. Além disso, há uma contribuição com o meio ambiente, por utilizar energia renovável para carregar as baterias dos veículos.

Pensando na atividade cotidiana de um proprietário de VEs, existe o estudo do método G2V (do inglês, grid to vehicle, da rede para o veículo), onde existem pontos estratégicos de carregamento relacionados as principais atividades das pessoas, como ir trabalhar. O proprietário do VE estacionará seu carro no estacionamento, conectando-o em uma tomada elétrica disponível. Através dos geradores fotovoltaicos instalados na estrutura das coberturas do estacionamento, será produzido a energia elétrica para o carregamento dos veículos. Assim, no fim do expediente, o proprietário utilizará seu veículo com a bateria carregada para voltar a sua residência. A segunda parte do estudo V2G (vehicle to grid, do veículo para à rede), é ligar a bateria já carregada do veículo em uma tomada residencial, no período da noite, fazendo com que a bateria sirva como um gerador distribuído. Em horários de alto pico de demanda, a bateria injetaria energia elétrica na rede e em momentos de baixa demanda, a bateria carregaria. (JUNIOR, 2011)

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Através da relação entre geração fotovoltaica e carregamento de veículos elétricos, neste trabalho de conclusão de curso buscou-se as soluções e métodos que podem ser utilizados para ter uma relação crescente entre essas duas tecnologias.

1.2 Justificativa

Com o início da inserção de veículos elétricos no mundo e o grande potencial que essa modalidade traz, estima-se que serão mais de 13 milhões de veículos que se moverão pela energia elétrica até 2020. Porém essa mudança traz diversas consequências que devem ser estudadas para que essa inserção não acarrete problemas. Um deles é o aumento das demandas nos horários de pico, pois o veículo elétrico ao ser carregado será mais uma carga que demanda energia elétrica.

Com esse desafio, é por meio do ambiente acadêmico que se deve iniciar os estudos para viabilizar um cenário de prospectivas. Desta forma, este trabalho visa propor o uso de um estacionamento com sistema fotovoltaico acoplado, com intuito de diminuir o impacto que pode ser gerado pelo aumento de demanda que o carregamento dos veículos elétricos gera na rede. A redução do impacto aconteceria através da utilização do recurso solar convertido em energia elétrica, para o carregamento de carros elétricos estacionados.

O estacionamento da UFRJ localizado no campus da Ilha do Fundão mostrado na Figura 2, é um exemplo de estacionamento com sistema fotovoltaico integrado, que tem capacidade para 65 automóveis, ocupando uma área de 651,64 metros quadrados. O sistema tem potência nominal de até 99 kWp, num total de 414 módulos fotovoltaicos que são capazes de gerar 140 mil kWh por ano (SOLAR ENERGY, 2015).

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Figura 2: Estacionamento com módulos fotovoltaicos na UFRJ. Fonte: SOLAR ENERGY (2015).

O local utilizado como estudo neste trabalho foi a Universidade Federal de Santa Catarina, Campus Araranguá – unidade Mato Alto. Foram propostas estruturas de cobertura para estacionamento de veículos, com um sistema fotovoltaico integrado, dedicado ao carregamento dos veículos elétricos naquela unidade.

1.3 Objetivos

Diante dos problemas apresentados, o objetivo principal do trabalho é propor uma solução tecnicamente viável para redução de impactos gerados pelo aumento de demanda de energia proveniente do carregamento de veículos elétricos nas redes de distribuição. A ideia principal é a implantação de um parque fotovoltaico integrado à estrutura de cobertura do estacionamento da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), Campus Araranguá – unidade Mato Alto, para o carregamento dos veículos elétricos em ambiente corporativo, considerando o tempo que o veículo fica parado no estacionamento, podendo ser estar carregando enquanto seu proprietário está ocupando a Universidade.

1.3.1 Objetivo geral

Projetar um sistema fotovoltaico em um estacionamento universitário, visando reduzir a demanda exigida pelo processo de carregamento de veículos elétricos em um cenário hipotético.

Como delimitação da pesquisa; Sistema fotovoltaico para carregamento de veículos elétricos terá como base de dados a Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), Campus Araranguá – unidade Mato Alto.

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1.3.2 Objetivos específicos

• Analisar os aspectos e métodos necessários para dimensionar a potência necessária para o sistema fotovoltaico;

• Propor diferentes cenários para determinar o sistema mais viável a ser instalado; • Dimensionar a potência do sistema fotovoltaico necessária a ser instalada.

1.4 Estrutura do trabalho

Esse trabalho está organizado em 5 capítulos, sendo:

 Capítulo 1: descreve uma breve introdução do cenário que introduz o tema a ser abordado por esse trabalho, além dos objetivos que buscam ser alcançados com a realização do mesmo;

 Capítulo 2: encontra-se o conteúdo necessário para o entendimento do assunto do trabalho e de termos técnicos utilizados ao decorrer dos outros capítulos;

 Capítulo 3: metodologia utilizada para a realização do trabalho, sendo nesse capítulo onde foram feitas as considerações para a realização de simulações para a obtenção de resultados;

 Capítulo 4: os resultados do trabalho obtidos através de todos métodos utilizados são observados nesse capítulo;

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2 REFERENCIAL TEÓRICO

Serão descritos a seguir a base teórica necessária para entender a temática proposta nesse estudo.

2.1 Potencial Fotovoltaico

No Brasil a geração fotovoltaica tem um potencial muito expressivo. Nas regiões menos ensolarado do Brasil, que a irradiação solar é em torno de 1642 kWh/m²/ano, é possível gerar mais eletricidade que no local mais ensolarado da Alemanha que recebe valores de 1300 kWh/m²/ano (CABRAL et al. 2013). A Figura 3 mostra essa comparação nas escalas.

Figura 3: Irradiação solar – Brasil (a) / Irradiação solar – Alemanha (b). Média anual da radiação global. Fonte: CABRAL et al. 2013.

Porém, a irradiação solar não é o fator predominante para que um país tenha grande investimento em geração fotovoltaica, muitas regiões do Brasil, por exemplo, possuem altos índices de irradiação e pouco investimento em geração fotovoltaica, pois são regiões de baixo

poder econômico. Além do benefício da geração distribuída, fazendo redução do gasto mensal na fatura

de energia, a geração própria também ajuda na contribuição para redução dos picos de demanda dos sistemas de transmissão do Sistema Interligado Nacional – SIN. “Nos meses de verão, principalmente de dezembro e março, a geração é máxima nos estados do extremo Sul e Sudeste

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do Brasil” (PEREIRA et al. 2017). Nestes mesmos meses são registradas as maiores demandas pelo Operador Nacional do Sistema – ONS para essas regiões, fazendo com que este método de geração seja ainda mais interessante (PEREIRA et al. 2017).

2.2 Sistema fotovoltaico

Um sistema fotovoltaico é composto por blocos, entre eles o bloco gerador, bloco de condicionamento de potência e, de acordo com a aplicação pode-se ter um bloco de armazenamento. (PINHO e GALDINO, 2014)

Segundo a EPE, Empresa de Pesquisa Energética, o bloco gerador é constituído por módulos fotovoltaicos em série e paralelo, buscando um valor de corrente e tensão de acordo com a permitida, sendo que a geração é feita em corrente contínua (CC), necessitando do bloco de condicionamento de potência, que é composto pelo inversor, que faz a transformação da corrente contínua em corrente alternada (CA), podendo assim ser utilizada nas aplicações convencionais conectada à rede elétrica (On-grid). Por último, caso o sistema for desconectado da rede, sistema isolado (Off-grid), além dos outros blocos citados anteriormente, será necessário o bloco de armazenamento, que é composto por bancos de baterias e controladores de carga. (TOLMASQUIM, 2016)

2.2.1 Módulos Fotovoltaicos

De acordo com a GTES, Grupo de Trabalhos de Energia Solar (PINHO e GALDINO, 2014), módulo fotovoltaico para aplicação de sistemas on-grid, possuem um conjunto de células fotovoltaicas conectadas entre si, com a finalidade de produzir tensão e corrente suficientes para utilizar naquilo que lhe foi proposto.

De acordo com Tolmasquim (2016) “o elemento principal para a geração fotovoltaica é a célula fotovoltaica. Porém, o aproveitamento em escala comercial desse tipo de energia se faz com auxílio de outros componentes.”. Dentre estes componentes que formam o módulo fotovoltaico estão:

 Moldura: parte externa estruturante do módulo, geralmente de alumínio. É através dela que é feita a fixação do módulo;

 Selante: composto adesivo usado para unir as camadas internas do módulo com a moldura. Deve impedir a entrada de gases e umidade, além de proteger o interior de vibrações e choques mecânicos;

 Vidro: camada rígida externa que protege as células e condutores do ambiente, ao mesmo tempo em que permite a entrada de luz para ser convertida em eletricidade. É

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um vidro especial, com baixo teor de ferro, com uma camada antireflexiva, e com superfície texturizada, que reduzem a reflexão da luz que atinge o vidro;

 Encapsulante: filme que envolve as células, protegendo-as da umidade e dos materiais externos, além de otimizar a condução elétrica. O encapsulante mais utilizado é o EVA (Etil Vinil Acetato);

 Células Fotovoltaicas: componente eletrônico responsável pela conversão direta da energia eletromagnética em energia elétrica. Os diferentes tipos de células serão detalhados na sequência;

 Backsheet: parte inferior do módulo que previne a entrada de umidade e protege as células de elementos externos. Além disso, oferece isolamento elétrico adicional. O Tedlar® é o material base mais utilizado para confecção do backsheet.

A Figura 4 mostra a sequência dos materiais que compõem o módulo fotovoltaico.

Figura 4: Camadas de um módulo fotovoltaico comercial. Fonte: EPE (2016).

A EPE complementa que a maioria dos módulos fotovoltaicos utilizados comercialmente são constituídos por células de silícios cristalino, representando praticamente 90% da produção total de células fotovoltaicas em 2014. As células de silício podem ser monocristalinas ou policristalinas. (TOLMASQUIM, 2016)

2.2.2 Inversores

O inversor é um dispositivo eletrônico que tem a função de fornecer a energia elétrica em CA a partir de uma fonte de energia elétrica em CC, sendo essa proveniente dos módulos fotovoltaicos. Em sistemas on-grid, conectados à rede elétrica, a tensão CA convertida pelo inversor deve estar sincronizada com a tensão da rede, além da amplitude, frequência e conteúdo harmônico, que devem estar adequadas às cargas a serem alimentadas. Com o avanço

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da tecnologia de inversores, já é possível chegar a eficiências de conversão de aproximadamente 99% em alguns inversores para conexão à rede elétrica. (PINHO e GALDINO, 2014)

De acordo com Tolmasquim (2016), os inversores que podem ser encontrados normalmente são classificados em um dos três tipos:

 Inversores centrais: são inversores de grande porte, possuem potência na ordem de centenas de kW até MW, sendo conectados por vários arranjos fotovoltaicos. Utilizados majoritariamente em usinas fotovoltaicas.

 Inversores String (monofásicos ou trifásicos): são os inversores mais utilizados para geração distribuída em instalações residenciais e comerciais. Sua topologia se baseia em agregação de um grupo de modulo fotovoltaico em cada inversor de pequeno porte, chamadas strings.

 Microinversores: são inversores individuais que são acoplados a cada módulo fotovoltaico da instalação. São utilizados normalmente na geração distribuída em instalações residenciais e comerciais, possuindo algumas vantagem e desvantagem comparados a inversores string. Dentre as vantagens estão: a maximização da produção de energia elétrica de cada módulo, diminui a quantidade de cabos necessárias, isola eventuais defeitos por serem individuais e possuem um maior tempo de garantia. Pode-se observar um modelo de inversor na Figura 5.

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2.3 Geração distribuída fotovoltaica

São geradores solares fotovoltaicos que estão interligadas à rede elétrica pública da concessionaria local. Esses módulos fotovoltaicos geram energia elétrica pela conversão direta da radiação solar, utilizando a energia produzida no ponto de consumo (edificação) e injetam o restante na rede elétrica, podendo compensar futuramente esse excedente.

Segundo a Resolução Normativa N° 687 da ANEEL (2016), a geração distribuída pode ser dívida em duas categorias de acordo com a potência instalada:

• microgeração distribuída: central geradora de energia elétrica, com potência instalada menor ou igual 75 kW;

• minigeração distribuída: central geradora de energia elétrica, com potência instalada superior a 75 kW e menor ou igual a 5 MW.

2.4 Veículos elétricos

Um veículo elétrico rodoviário é constituído por um conjunto propulsor puramente elétrico, que é alimentado através de acumuladores de carga recarregáveis. A energia elétrica necessária para o carregamento desse veículo é extraída de uma fonte externa, através da tecnologia de conexão com a rede elétrica (ABNT, 2013).

De acordo com Yong et al. 2015, pode ser dividido o tipo de veículo elétrico pelo nível de hibridização, conforme descrito a seguir:

 VEH- Veículo Elétrico Híbrido: Combina um motor a combustão com um elétrico, o carro alterna entre os dois buscando maior eficiência. A bateria é recarregada somente pelo motor convencional e pela energia gerada nas desacelerações e nas frenagens. Exemplos de modelos podem ser o Toyota Prius, Ford Fusion e Lexus CT200h;

 VEHP- Veículo Elétrico Híbrido Plug-in: é um híbrido no qual a bateria do motor elétrico pode ser recarregada tanto pela rede elétrica quanto pelo motor a combustão. Exemplos de VEHP são, BMW iB, Mitsubishi Outlander e Volvo V60;

 VEB- Veículo Elétrico à Bateria: também conhecido como puro elétrico, usa exclusivamente energia da bateria, que precisa ser recarregada na rede elétrica. Não emite poluentes e é ideal para trajetos urbanos curtos. Podem ser citados exemplos desse tipo de veículo como o Tesla Model 3, Nissan Leaf, Renault Zoe, Chevrolet Bolt e BYD e6.

2.5 Carregamento dos veículos

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eles são escolhidos de acordo com a estratégia de carregamento que será utilizada. Podem ser escolhidos entre duas classificações de carregamento, relacionadas ao tempo de duração da recarga dos VE, sendo elas recargas lentas ou recargas rápidas. A recarga rápida é realizada em estações de carregamento com alimentação em Corrente Contínua (CC), onde retificadores de alta potência são conectados à rede trifásica de média tensão. Desta forma o carregamento do VE é realizado em poucos minutos. A recarga lenta acontece de forma diferente, no geral o VE permanece conectado à rede de baixa tensão durante algumas horas. A recarga lenta está relacionada normalmente ao carregamento que será realizado em residências, que utiliza Corrente Alternada (CA) em níveis baixos de tensão. (SAUSEN, 2017)

2.6 Carregadores

O equipamento necessário para retificar a Corrente Alternada (CA) da rede de distribuição em Corrente Contínua (CC), com níveis necessários para ser realizado a recarga das baterias é chamado de Carregador. (YONG et al. 2015)

Existem dois tipos comuns de classificação de carregadores, sendo eles carregadores off-board e carregadores on-board, podendo ser unidirecional ou bidirecional, relacionado ao fluxo de energia. Segundo Sausen (2017), “a maioria dos modelos de VEs vem equipados com um carregador embarcado, ou on-board, que opera em níveis baixos de corrente, geralmente associados à recarga lenta.”. Essa categoria pode ser classificada em dois subgrupos, sendo eles carregadores condutivos e carregadores indutivos. Os carregadores condutivos são os mais comuns, onde a energia elétrica é transmitida através do contato elétrico entre o plug da tomada e o conector do veículo (SAUSEN, 2017).

Os carregadores indutivos, menos comuns, realizam magneticamente a transferência de energia, sendo mais caros e complexos. Porém, a recarga é mais facilitada pois não é necessário a conexão manual do cabo com a rede elétrica (SAUSEN, 2017).

Os sistemas embarcados possuem circuitos dedicados para controle de carga ou, quando não possuem, são associados aos conversores do sistema de propulsão do veículo. Desta forma, os dispositivos embarcados operam em potências reduzidas, pois são desenvolvidos para serem mais compactos, uma vez que o sistema está instalado no próprio veículo e desta forma, buscam sempre apresentar menor peso e volume possível, para melhor a performance do veículo (SAUSEN, 2017).

Carregadores tipo off-board, localizados externamente aos veículos, são mais comuns em estações de carregamento, onde é realizada a recarga rápida mencionada anteriormente, operada com níveis de corrente mais altos e consequentemente com potências mais elevadas

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(SAUSEN, 2017). A Figura 6 abaixo apresenta um fluxograma com a classificação dos carregadores dos VEs.

Figura 6: Classificação dos carregadores dos VEs. Fonte: SAUSEN (2017).

2.7 Perfil de Usuários

A utilização de veículos elétricos na frota brasileira atualmente ainda é muito baixa, por consequência disso, ainda não existem dados concretos e confiáveis para estimar o perfil do usuário que utiliza esse meio de transporte e como é a frequência de recarga. Para ter uma estimativa base do perfil de um usuário que utiliza um veículo elétrico são necessárias informações básicas como: tempo conectado à rede para recarga e a distância média percorrida com o veículo. Para obter o valor do primeiro parâmetro é necessário estimar o momento inicial em que o VE se conecta à rede elétrica e o segundo parâmetro é importante para saber a quantidade de energia que será necessária para recarregar a bateria do VE. Obtendo esses

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parâmetros, é possível idealizar um cenário de demanda energética que representará a curva de consumo do local de recarregamento em função do tempo de recarga dos VEs (SAUSEN, 2017).

Alguns autores utilizam métodos para determinar valores representativos da mobilidade do transporte urbano brasileiro. Um método utilizado por Simon (2013), seria analisar o mercado de combustíveis na região de estudo, relacionando com a faixa de renda mensal disponibilizada pelo censo demográfico Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE), com o propósito de estimar a distância média percorrida diariamente.

De acordo com Borba (2008), formas genéricas não acabam resultando em valores apropriados, pois cada região do Brasil apresenta diferentes características que influenciam na distância percorrida por um veículo, sejam elas: perfil do proprietário do veículo, a quantidade de rodovias, as condições que se encontram as vias públicas, entre outros. O autor utiliza o método do cálculo da quilometragem média anual dos veículos leves de forma indireta a partir de dados de consumo energético do setor de transportes.

2.8 Impacto do Carregamento nas Redes de Distribuição

Como os veículos elétricos necessitam, na maioria dos casos, da rede elétrica para realizar o carregamento das suas baterias, ele se torna uma nova carga para rede. Isso pode ocasionar problemas se não houver um planejamento, necessitando de métodos para diminuir os efeitos negativos ao sistema elétrico.

Segundo Farmer et al. 2010, a inserção dos VEs na rede de distribuição pode causar os seguintes impactos:

 Aumento dos harmônicos ocasionado pela eletrônica de potência dos VEs;  Aumento na temperatura do transformador provocado pelo acréscimo de carga;  Desgaste das buchas do transformador.

Os principais problemas ocasionados pelos VEs em relação a rede elétrica, acontecem devido a recarga descontrolada das baterias em horários de ponta, sendo umas das principais ameaças para o colapso da rede e assim ameaçando as concessionárias de energia. Porém, com a utilização das recargas inteligentes, tais impactos podem ser reduzidos, recarregando em horários fora da ponta (BORBA e KURANI, 2010).

2.9 Utilização da Geração Distribuída Para Diminuir Impactos na Rede Elétrica

Um método utilizado para diminuir os decorrentes problemas gerados pela inserção dos VEs na frota brasileira é a utilização da Geração Distribuída (GD), como reforço da Rede

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Elétrica, pois a GD injetará potência no sistema, diminuindo a necessidade da energia proveniente da rede elétrica. Uma das formas de GD mais difundida hoje no Brasil é a geração fotovoltaica, que por fatores construtivos e operacionais são mais atrativos para esta utilização. A Figura 7 mostra um veículo elétrico de pequeno porte sob um telhado fotovoltaico, ilustrando esse trabalho em conjunto dos VEs e geração fotovoltaica.

Figura 7: Veículo elétrico de pequeno porte estacionado sob telhado solar fotovoltaico. Fonte: Pereira et al. 2017.

Segundo Atlas Brasileiro de Energia Solar (2017), “a utilização de VEs gera novas demandas por energia elétrica, que podem ser supridas pela geração solar fotovoltaica em área equivalente àquela ocupada pelo veículo estacionado”, assim um veículo elétrico pode ser carregado tanto na residência do proprietário, no estacionamento do seu trabalho, supermercado ou shopping center. Desta forma, com um carregamento considerável no seu local de trabalho por exemplo, ele poderá retornar para sua residência e utilizar a carga remanescente no horário de pico da rede elétrica, conectando seu veículo a uma tomada elétrica inteligente da residência, diminuindo ainda mais os impactos gerados na rede (PEREIRA et al. 2017). Pode ser observado um exemplo da redução no pico de demanda relacionado a estratégia V2G na Figura 8, onde com estratégias de V2G em um contexto de redes inteligentes, uma frota de EVs pode oferecer suporte à rede reduzindo o pico de demanda (área verde), enquanto que a geração solar fotovoltaica integrada a edificações urbanas pode fornecer a eletricidade adicional necessária para a recarga das baterias desta frota de EVs.

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Figura 8: Curva de carga típica do alimentador urbano TDE05 do sistema de distribuição de Florianopólis‐ SC, Brasil. Fonte: Pereira et al. 2017.

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3 METODOLOGIA

A metodologia proposta para realização do estudo será explanada nos itens a seguir.

3.1 Localização

A análise em questão será realizada na Universidade Federal de Santa Catarina- UFSC, Campus Araranguá, localizado no Bairro Mato Alto na cidade de Araranguá, sul de Santa Catarina. As Figuras 9 e 10 apresentam a localização da UFSC no mapa geográfico de Santa Catarina.

Figura 9: Localização da Universidade (UFSC). Fonte: Google Maps (2019).

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A estrutura atual na UFSC localizada no bairro Mato Alto, apresenta o prédio principal onde ficam os cursos de Pós-Graduação e diversos laboratórios, onde professores e alunos atuam. Além dessa edificação, existe o Laboratório de Pesquisa Aplicada (LPA), que realiza diversos projetos de pesquisa, principalmente voltadas para a área de energia solar e eólica. As Figuras 11 e 12 a seguir mostram as estruturas existentes no local onde serão realizados os estudos desse Trabalho de Conclusão de Curso. No ANEXO C encontram-se as edificações projetadas no SketchUp Pro 2018.

Figura 11: Universidade Federal de Santa Catarina campus Araranguá. Fonte: SINTER, (http://sinter.ufsc.br/campus-ararangua/)

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Figura 12: Laboratório de Pesquisa Aplicada. Fonte: Autor.

3.1.1 Localização do Estacionamento

A área atual disponível para a realização da construção do estacionamento possui cerca de 64000 m², porém para os cenários de estudo que é o atual, não será necessária uma grande porcentagem desse montante, sendo que 4,54%, que equivale a 2904 m², já são suficientes para realizar o projeto. As Figuras 13 e 14 apresentam respectivamente o terreno disponível da Universidade e o local escolhido para a proposta de estacionamento.

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Figura 13: Terreno atual da UFSC Araranguá no bairro Mato Alto. Fonte: Google Earth (2019).

Figura 14: Local onde será proposto o estacionamento. Fonte: Google Earth (2019).

A quantidade de vagas no estacionamento para recarregamento vai estar relacionada diretamente com a suposta quantidade de módulos fotovoltaicos necessárias para suprir a demanda dos veículos elétricos, onde esses módulos serão a área coberta do estacionamento.

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3.2 Considerações realizadas

Para realização do estudo foram feitas algumas considerações para obtenção dos resultados.

3.2.1 Veículo Elétrico utilizado

Serão considerados somente veículos elétricos puros, chamados de Veículos Elétricos à Baterias – VEB. Esse tipo de veículo utiliza como energia primária na alimentação do seu motor elétrico seu banco de bateria. Foi demonstrado por Gray e Morsi (2015), que através do estudo em cima de VEB, é possível obter resultados mais bem relacionados a demanda utilizada para o carregamento das baterias, por depender 100% da rede elétrica para o seu recarregamento.

3.2.2 Fluxo de Veículos Elétricos na Universidade

Será utilizado o estudo relacionado ao fluxo de veículos diário na Universidade Federal de Santa Catarina, Campus Araranguá (MARTINS, 2019). Foi coletado dados de 99 dias, compreendendo todos os dias da semana, com valores de veículos estacionados a cada hora.

O fluxo médio de veículos no estacionamento da universidade é apresentado na Tabela 1 apresentada a seguir:

Tabela 1: Média de veículos por hora do dia no estacionamento da UFSC. Fonte: MARTINS (2019). Horário Média 00:00 1 01:00 1 02:00 1 03:00 1 04:00 1 05:00 1 06:00 1 07:00 2 08:00 9 09:00 18 10:00 21 11:00 19 12:00 12 13:00 11 14:00 19

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15:00 22 16:00 19 17:00 15 18:00 7 19:00 3 20:00 2 21:00 2 22:00 1 23:00 1

Como os módulos fotovoltaicos necessitam de incidência solar para poder gerar energia, os horários onde ele fica exposto ao sol fica em torno de 6h00min a 20h00min, dependendo da época do ano, sendo que geralmente a maior irradiação solar acontece entre as 10h00min e as 15h00min como mostrado na Figura 15:

Figura 15: Gráfico com intensidade de sol durante as horas do dia. Fonte: SOLARVALLE (http://solarvalle.com.br/o-melhor-horario-para-geracao-de-energia-solar/)

Considerando que o maior fluxo de veículos é durante as aulas de mestrado, que compreendem do horário das 8 até as 18 horas, podemos observar que estão dentro do horário de geração fotovoltaica. Assim será considerado o número de veículos dispostos entre as 8 e as 18 horas, como mostrado na Tabela 2:

Tabela 2: Média de veículos no estacionamento por hora de funcionamento da UFSC. Fonte: MARTINS (2019). Horário Média

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09:00 18,13 10:00 20,65 11:00 19,38 12:00 11,97 13:00 10,71 14:00 19,01 15:00 22,16 16:00 19,2 17:00 15,04 18:00 7,13

Será considerado o valor médio de veículos estacionados durante o horário de funcionamento da UFSC, das 8 às 18 horas, para a realização dos cálculos de demanda e os eventuais cenários propostos, sendo esse aproximadamente 16 veículos.

3.3 Demanda Energética do Veículo Elétrico

Para calcular a parcela da demanda energética requisitada por cada VE ao sistema elétrico da edificação será utilizado o método utilizado por Sausen (2017), que considera a multiplicação da distância percorrida pelo consumo energético do veículo baseado em um perfil de condução estimado. Além disso, aspectos técnicos como a potência e eficiência do carregador embarcado ao próprio veículo são considerados nessa multiplicação. A equação utilizada é: 𝐷𝑉𝐸 = 𝐷𝑃 × 𝐶𝐸 × 𝐸𝐶 (1) Onde: 𝐷𝑉𝐸 = Demanda do VE (kWh); 𝐷𝑃 = Distância Percorrida (km); 𝐶𝐸 = Consumo Energético do VE (kWh/km); 𝐸𝐶 = Eficiência do Carregador (%).

Segundo B Bittencourt (2014) para descobrir o tempo necessário para carregar cada VE pode-se utilizar a seguinte equação:

𝑇𝑐 = 𝐷𝑉𝐸

𝑃𝑐 (2)

Onde:

𝑇𝑐 = Tempo para carregar (horas);

(35)

𝑃𝑐 = Potência do carregador (kW).

São considerados carregadores EVlink on-board com uma tomada, mostrado na Figura 16, onde o fornecimento de energia é com um equipamento dedicado ao VE com nível de potência esperada próximo a 3 kW monofásico, com máxima tensão de 230 V, frequência de 50/60 Hz e uma tomada para carregar o VE.

Figura 16: Carregador EVlink on-board de 3kW monofásico. Fonte: NeoSolar (https://www.neosolar.com.br/loja/carregador-carro-eletrico-evlink-1-tomada-t1.html).

Considerando que serão carregados vários VE diferentes durante todo tempo de funcionamento da Universidade, para descobrir quantos VE cada carregador carrega nesse período de tempo, pode-se usar a seguinte equação:

𝑛°𝑉𝐸 =𝑇𝑓_𝑇𝑐 (3)

Onde:

𝑛°𝑉𝐸 = Número de VE carregados por carregador;

𝑇𝑓 = Tempo de funcionamento (horas);

(36)

Será considerado (𝑇𝑓) igual o período de funcionamento da Universidade, que é igual a 10 horas.

A demanda total diária é equivalente a multiplicação das equações (1), (3) e o número de carregadores utilizados em média, como observado a seguir:

𝐷𝑡𝑑 = 𝐷_𝑉𝐸∗ 𝑛°𝑉𝐸 ∗ 𝑛°𝐶𝑎𝑟𝑟eg (4)

Onde:

𝐷𝑡𝑑 = Demanda total diária (kWh);

𝐷_𝑉𝐸 = Demanda do VE (kWh);

𝑛°𝑉𝐸 = Número de VE carregados por carregador; 𝑛°𝐶𝑎𝑟𝑟𝑒𝑔 = Número de carregadores.

O valor considerado para 𝑛°𝐶𝑎𝑟𝑟eg será equivalente ao valor médio de VE estacionados durante o tempo de funcionamento da UFSC. Para Demanda mensal será considerado que cada mês possui 30 dias.

3.3.1 Distância Percorrida

A distância percorrida é um valor necessário para determinar qual será a demanda energética necessária para os veículos que serão recarregados. Pela falta de estudos sobre o padrão de mobilidade urbana em todas as cidades do país, é necessário utilizar métodos que estimem valores aproximados para a realização dos cálculos.

A Associação Nacional das Empresas de Transporte Urbano (NTU), órgão responsável por pesquisas referentes à mobilidade rodoviária da população urbana do Brasil, fez um estudo onde mostra que a distância média diária percorrida pelos brasileiros é de 42,6 km (NTU, 2017). A Figura 17 a seguir mostra as parcelas diárias percorridas e a Tabela 3 mostra o valor que totaliza o total percorrido:

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Figura 17: Distância média diárias parciais percorrida pela população urbana. Fonte: NTU (2017).

Tabela 3: Tabela resumo das distâncias médias parcias percorridas e a distância média total percorrida. Fonte: NTU (2017). Distância Percorrida Média (km) Até o trabalho 13,3 Até a escola 9,5

Até o tratamento de saúde 11,4

Outros motivos 8,4

Total 42,6

A partir desse valor, para realização dos cálculos e simulações desse projeto, é considerado que a Distância Percorrida por um veículo diariamente é de 42 km.

3.3.2 Consumo Energético do VE

De acordo com os estudos realizado por Bittencourt (2014) na literatura relacionada a consumo energético de veículos elétricos, os valores são relativamente variáveis, podendo

(38)

variar aproximadamente de 0,20 kWh/km (5,0 km/kWh) até 0,0926 kWh/km (10,8 km/kWh), de acordo com o tipo de tecnologia empregado no veículo e as considerações tomadas para os estudos.

Para os veículos puramente elétricos, a International Energy Agency (IEA, 2011), apresenta valores típicos de autonomia de 125 a 150 km com 30 kWh de energia na carga da bateria, o que reflete em valores de 0,20 (5,0 km/kWh) a 0,15 kWh/km (6,7 km/kWh). Desta forma, com esses valores apresentados, serão feitas considerações para realizar as simulações. Essas considerações poderão ser observadas na Tabela 4:

Tabela 4: Especificações técnicas do veículo elétrico proposto.

Especificações técnicas Valores

Autonomia 150 km

Energia total da bateria 24 kWh Consumo energético 0,2 kWh/km

Para ter um ponto de comparação, a Tabela 5 apresenta valores referentes ao modelo de veículo puramente elétrico Nissan Leaf:

Tabela 5: Especificações técnicas do veículo elétrico modelo Nissan Leaf 2014. Fonte: BITTERCOURT (2014).

Especificações técnicas Valores

Autonomia 190 km

Energia total da bateria 24 kWh Consumo energético 0,1266 kWh/km 3.3.3 Eficiência do Carregador

A porcentagem de energia extraída da rede elétrica ao recarregar um veículo elétrico que é absorvida efetivamente pela bateria, é chamada de Eficiência do Carregador (EC).

Através de um estudo realizado entre junho e novembro de 2013, em Vermont, observou a Eficiência do Carregador de 4 veículos elétricos, sendo 2 do modelo Nissan Leaf e 2 do modelo Chevrolet Volts, para dois níveis de tensão no carregamento: Nível 1 – 120 Volts e Nível 2 – 240 Volts. Foram feitas 115 cargas nos VE e assim observador uma eficiência média de carregamento de 85,7%. A carga Nível 2 foi 5,6% mais eficiente que a Nível 1, sendo 89,4% e 83,8% respectivamente. (SEARS et al. 2014)

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3.4 Sistema de Carregamento Baseado em Energia Fotovoltaica

O dimensionamento do sistema fotovoltaico para a realização do carregamento dos veículos elétricos será desenvolvido e analisado considerando a produção de energia elétrica através do software System Advisor Model (SAM), descobrindo com qual módulo será utilizado e inversor necessário para atender a potência de módulos.

3.4.1 Análise do Recurso Solar da Região

A análise preliminar em relação ao recurso solar da região foi feita com o auxílio do software Radiasol 2, desenvolvido pelo Laboratório de Energia Solar da Universidade Federal de Rio Grande do Sul (UFRGS, 2001). Para o desenvolvimento das simulações é necessário conhecer as coordenadas do local da análise, variações de azimute e inclinação, conforme as características de instalação dos módulos fotovoltaicos.

Foi utilizado o banco de dados do software referente a cidade de Florianópolis – SC, que é a cidade mais próxima de Araranguá com valores de Irradiação Solar. Os valores encontrados podem ser observados no gráfico da Figura 18:

Figura 18: Irradiação Média durente os meses do ano. Fonte: Radiasol 2 (2001).

Para realização dos cálculos é utilizado a média diária anual de Irradiação Global Horizontal, que é de 4,51 kWh/m²/dia, conforme observa-se na Tabela 6:

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Tabela 6: Valor da Irradiação Global Horizontal e a Média Anual. Fonte: Radiasol 2 (2001). Mês Global Janeiro 5,96 Fevereiro 5,59 Março 4,92 Abril 4,07 Maio 3,27 Junho 2,83 Julho 2,9 Agosto 3,56 Setembro 4,13 Outubro 4,95 Novembro 5,75 Dezembro 6,15 Média 4,51

3.4.2 Energia Solar Fotovoltaica

Foram utilizados os dados fornecidos pelo software System Advisor Model (SAM) equivalente a cidade de Florianópolis, que por ser próximo de Araranguá, terá resultados satisfatórios para a realização do projeto.

3.4.3 Dimensionamento da instalação

Para realizar o dimensionamento do sistema fotovoltaico e do estacionamento é necessário estimar a demanda necessária de energia para realização do recarregamento dos VE. Assim, para descobrir a energia consumida (kWh), será utilizado as equações que foram anteriormente descritas, que é a multiplicação entre a demanda do VE (𝐷𝑣𝑒), número de VE carregados por carregador (𝑛°𝑉𝐸) e o número de carregadores (𝑛°𝐶𝑎𝑟𝑟𝑒𝑔), sendo essa a maneira a utilizada para descobrir a demanda total diária dos VEs.

A partir do resultado das equações, é utilizado o software System Advisor Model (SAM) para modelar e obter os valores de geração do sistema fotovoltaico proposto. O sistema fotovoltaico pode ser observado através de imagens produzidas de forma 2D e 3D no software SketchUp Pro 2018, encontradas ao decorrer do trabalho, fornecendo uma visão ilustrada de como ficaria o projeto real. Foi proposto uma razão entre as potências de módulos e de inversores igual a 1.

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3.5 Seleção dos equipamentos

Nessa seção, são listados os tipos de equipamentos utilizados para a realização das simulações nesse trabalho.

3.5.1 Módulo Fotovoltaico

Foi selecionado o módulo comercial de marca Canadian, que são módulos de silício policristalino (p-Si) de 330 Wp de potência nominal. O ANEXO Aapresenta módulo FV e as suas especificações técnicas.

3.5.2 Inversor Solar

Serão utilizados Inversores String SIW500H - ST060 fabricados pela empresa WEG, que foi o mais próximo do utilizado nas simulações do software SAM, cuja potência é de 60 kW. O inversor e suas especificações técnicas podem ser observadas no ANEXO B.

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4 RESULTADOS

Os resultados foram obtidos propondo 3 cenários diferentes, sendo Cenário 1 para 100% de VE, Cenário 2 50% de VE e Cenário 3 10% de VE, mostrados nos itens a seguir.

4.1 Cenário 1

Este cenário foi feito para uma hipótese de que 100% dos veículos que frequentam a UFSC durante o horário de funcionamento, das 8 às 18 horas, sejam veículos elétricos. O cenário 1 foi planejado para suprir a demanda necessária para o fluxo de veículos médio encontrado no estacionamento, que é cerca de 16 veículos como observado na Tabela 7. Esse foi o cenário escolhido para fazer o projeto arquitetônico no SketchUp Pro 2018. A Tabela 8 apresenta a estimativa de demanda diária, mensal e anual necessária para um número médio de 16 VEs:

Tabela 7: Cenário onde 100% da média dos veículos elétricos sejam elétricos. Fonte: MARTINS (2019).

Horário Média 08:00 9,31 09:00 18,13 10:00 20,65 11:00 19,38 12:00 11,97 13:00 10,71 14:00 19,01 15:00 22,16 16:00 19,2 17:00 15,04 18:00 7,13 Média de Veículos 16

Tabela 8: Estimativa da demanda necessária dos veículos para o Cenário 1. Fonte: Autor.

Demanda do VE (kWh) 9,882

Número de VE carregados por carregador 3,035

Número de carregadores 16

Demanda total diária (kWh) 480

Demanda total mensal (kWh) 14400

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4.1.1 Disposição do projeto arquitetônico e fotovoltaico

De acordo com o espaço disponível no terreno onde a universidade se encontra, foram analisados fatores que influenciaram na disposição do estacionamento como:

 Atual localização do estacionamento;

 Melhor acessibilidade em relação ao prédio principal;

 Deixar o fluxo de entrada e saída do estacionamento facilitado;  Ampliações futuras do estacionamento;

 Construções de novos prédios no terreno;

 Acessibilidade ao prédio para portadores de necessidades especiais e idosos;

 Propor uma estrutura metálica visualmente leve, que possibilitasse a integração de módulos fotovoltaicos em sua cobertura;

 Orientar a inclinação das coberturas do estacionamento ao norte, com ângulo de 30º, buscando receber o máximo de irradiação solar nos módulos fotovoltaicos;

 Direção dos módulos voltados para o norte, para maior geração de energia, consequentemente a orientação de todo estacionamento para o Norte;

 Afastar as coberturas fotovoltaicas para reduzir o sombreamento entre elas e, principalmente, minimizar o sombreamento causado pela edificação principal.

Desta forma foi utilizado um espaço próximo a entrada dos carros que fica na parte do lado norte da universidade, buscando um local onde o prédio não faça sombreamento nos módulos fotovoltaicos. A dimensão do estacionamento ficou de 66 metros por 44 metros, gerando uma área aproximada de 2904 m². A Figura 19 mostra uma visão ampla da localização do estacionamento:

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Figura 19: Visão ilustrativa aérea da Universidade mostrando a localização do estacionamento. Fonte: Autor.

O layout proposto para o estacionamento foi planejado para abrigar um número de veículos que seja maior que o obtido pela média de fluxo veicular da universidade, apresentada anteriormente. Foram então propostas 66 vagas sob 3 estruturas de cobertura, sendo 48 vagas revestidas com módulos fotovoltaicas e 18 vagas com espaços para ampliação de módulos. As Figuras 20 e 21 apresentam visões diferentes das vagas:

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Figura 21: Visão das vagas do estacionamento 2. Fonte: Autor.

Cada uma das estruturas com cobertura fotovoltaica possui 120 módulos fotovoltaicos, totalizando 360 módulos no total, além de cada uma delas possuir espaço para implantação de mais 48 módulos, totalizando 144 espaços. A inclinação utilizada nas estruturas é equivalente a 30°, com orientação para o norte e com os módulos na posição de paisagem. Serão necessários 2 inversores de 60 kW.

A fim de diminuir os custos com estruturas metálicas de sustentação das coberturas, são propostos pilares com furos circulares estratégicos, que diminuem a quantidade de metal da estrutura. Os pilares foram posicionados lado a lado, com espaçamento de 5 metros, podendo ter capacidade de 4 vagas para carros entre dois pilares. O lado mais baixo das coberturas possui 3 metros de altura e a cobertura mede 12 metros, como o exemplo da Figura 22 apresenta.

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Figura 22: Desenho ilustrativo dos pilares com furos, para suporte das coberturas do estacionamento. Ilustração modificada com os valores deste projeto. Fonte: CUSTÓDIO (2018).

Entre as estruturas e nas laterais de sustentação foram dispostos 2 carregadores, totalizando 36 carregadores. As Figuras 23 e 24 mostram as posições dos equipamentos mencionados:

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Figura 24: Visão dos carregadores. Fonte: Autor.

4.1.2 Geração fotovoltaica

O sistema fotovoltaico possui um número de 360 módulos de silício policristalino do modelo MAXPOWER CS6U-330P de 330 Wp de potência nominal, totalizando 118,8 kWp de potência instalada e 2 Inversores String SIW500H - ST060 de 60 kW de potência cada, que possuem 12 strings de entrada cada um, entrando na categoria de minigeração distribuída, categorizada desta forma pela Resolução 687 da ANEEL, pois possui mais que 75 kW de potência a ser instalada. Foi utilizado o Software System Advisor Model (SAM), de acordo com as características do sistema proposto como, inclinação de 30° dos módulos, posição das estruturas fotovoltaicas voltadas para o norte e a configuração elétrica de 24 strings de 15 módulos cada. No Anexo D está o Diagrama Unifilar do sistema fotovoltaico. Foi utilizado a cidade de Florianópolis para simulação, sendo a mais próxima de Araranguá na base de dados do SAM.

Após a simulação, o software estimou uma geração energética anual de 172,88 MWh, com uma produtividade de 1454 kWh/kWp.ano e uma taxa de desempenho de 81%. Não houve perdas consideráveis por sombreamento. A estimativa de geração mensal pelo sistema fotovoltaico pode ser observada na Figura 25 e na Tabela 9:

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Figura 25: Estimativa de geração energética mensal pelo sistema FV de 118,8 kWp a ser instalado no estacionamento da UFSC Araranguá. Fonte: System Advisor Model (2017).

Tabela 9: Valores de Geração Médio Mensal e a Geração Anual média do Cenário 1. Fonte: System Advisor Model (2017). Mês Geração (kWh) Janeiro 16309,96 Fevereiro 14215,6 Março 16849,44 Abril 14541,9 Maio 13783 Junho 12244,18 Julho 11654,88 Agosto 14088,14 Setembro 13360,12 Outubro 15073,5 Novembro 15167,06 Dezembro 15597,98 Média 14407,15

O resultado utilizando dados de recurso solar Florianópolis é satisfatório, pois segundo Custódio et al. 2018, “os meses com maior disponibilidade solar são novembro (5,79 kWh/m².dia), dezembro (5,98 kWh/m².dia) e janeiro (5,86 kWh/m².dia), com uma média anual de 4,51 kWh/m².dia.”. Desta forma é possível observar que os meses consecutivos com maior geração fotovoltaica são os mesmos meses de maior disponibilidade solar, sendo eles

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novembro, dezembro e janeiro, com gerações de 15,167 MWh, 15,597 MWh e 16,309 MWh, respectivamente.

4.1.3 Contribuição Energética

O estacionamento fotovoltaico com 118,8 kWp de potência de módulos mostrou ser capaz de atender a geração necessária para suprir o consumo referente ao fluxo médio de veículos que frequentam a UFSC no horário de funcionamento, que é das 8 às 18 horas, sendo que em média se encontram 16 carros no estacionamento durante este horário. Este sistema mostrou ser capaz de gerar excedentes de energia nos meses de maior índice de irradiação e utilizá-los nos meses que a geração fotovoltaica não abate o consumo dos VEs, pois são meses de menor irradiação. Somando todos os excedentes e os consumos não abatidos, o saldo é de 86 kWh, sendo muito reduzido perto do tamanho da geração anual que é de 172,885 MWh, equivalendo a 0,05 % da geração anual.

Conforme o caderno temático da ANEEL (2016), através do sistema de compensação para unidades consumidoras do grupo A, “Para as unidades consumidoras que dispõem de tarifa horária, a energia injetada deve ser utilizada, prioritariamente, para abater o consumo mensal no mesmo período (ponta ou fora ponta).” Caso haja alguma sobra e seja necessário utilizar em outro posto tarifário, será necessário utilizar um fator de ajuste, que de ponta para fora da ponta aumenta o valor e ao contrário reduz.

A Tabela 10 apresenta o excedente e a energia necessária da rede em cada mês do ano e a Figura 26 a comparação em forma de gráfico com a geração e o consumo dos VE.

Tabela 10: Excedente de energia de cada mês proveniente da subtração da geração e o consumo do Cenário 1. Fonte: Autor. Mês Geração (kWh) Consumo VE (kWh) Excedente (kWh) Janeiro 16309,96 14400 1909,96 Fevereiro 14215,6 14400 -184,4 Março 16849,44 14400 2449,44 Abril 14541,9 14400 141,9 Maio 13783 14400 -617 Junho 12244,18 14400 -2155,82 Julho 11654,88 14400 -2745,12 Agosto 14088,14 14400 -311,86 Setembro 13360,12 14400 -1039,88 Outubro 15073,5 14400 673,5

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Novembro 15167,06 14400 767,06 Dezembro 15597,98 14400 1197,98 Geração Total 172885,8 Balanço de Excedentes 85,76

Figura 26: Gráfico da comparação da Geração x Consumo x Excedente do Cenário 1. Fonte: Autor.

4.2 Cenário 2

Este cenário foi feito para uma hipótese de que 50% dos veículos que frequentam a UFSC durante o horário de funcionamento, das 8 às 18 horas, sejam veículos elétricos. O cenário 2 foi planejado para suprir a demanda necessária para a metade do fluxo de veículos elétricos médio encontrados no estacionamento, que é cerca de 7,85 veículos, usando então 8 veículos para as simulações. A Tabela 11 apresenta a estimativa de demanda diária, mensal e anual necessária para um número médio de 8 VEs:

Demanda total anual (kWh) 86400

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semelhante ao cenário 1, porém reduzido pela metade, sendo possível utilizar os mesmos módulos e apenas 1 inversor do mesmo modelo. A configuração utilizada para a simulação no software SAM foi a mesma, somente reduzindo de 24 strings para 12 strings, totalizando 180 módulos fotovoltaicos, possuindo então 59,4 kWp de potência de módulos instalada, estando na categoria de microgeração distribuída. No Anexo D está o Diagrama Unifilar do sistema fotovoltaico.

Após a simulação, o software estimou uma geração energética anual de 86,443 MWh, com a mesma produtividade de 1454 kWh/kWp.ano e taxa de desempenho de 81%. A estimativa de geração mensal pelo sistema fotovoltaico pode ser observada na Figura 27 e na Tabela 12:

Figura 27: Estimativa de geração energética mensal pelo sistema FV de 59,4 kWp a ser instalado no estacionamento da UFSC Araranguá. Fonte: System Advisor Model (2017).

Tabela 12: Valores de Geração Médio Mensal e a Geração Anual média do Cenário 2. Fonte: System Advisor Model (2017). Mês Geração (kWh) Janeiro 8154,98 Fevereiro 7107,8 Março 8424,72 Abril 7270,95 Maio 6891,5 Junho 6122,09

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Julho 5827,44 Agosto 7044,07 Setembro 6680,06 Outubro 7536,75 Novembro 7583,53 Dezembro 7798,99 Média 7203,573 4.2.2 Contribuição Energética

A geração fotovoltaica ficou equilibrada para o ano inteiro, gerando excedentes e utilizando em meses de menor geração. Somando todos os excedentes e os consumos não abatidos, o saldo anual é de 42,88 kWh, sendo muito reduzido perto do tamanho da geração anual que é de 86,442 MWh, equivalendo igualmente ao cenário anterior, cerca de 0,05 % da geração anual. Esses dados podem ser observados na Tabela 13 e Figura 28:

Tabela 13: Excedente de energia de cada mês proveniente da subtração da geração e o consumo do Cenário 2. Fonte: Autor. Mês Geração (kWh) Consumo VE (kWh) Excedente Janeiro 8154,98 7200 954,98 Fevereiro 7107,8 7200 -92,2 Março 8424,72 7200 1224,72 Abril 7270,95 7200 70,95 Maio 6891,5 7200 -308,5 Junho 6122,09 7200 -1077,91 Julho 5827,44 7200 -1372,56 Agosto 7044,07 7200 -155,93 Setembro 6680,06 7200 -519,94 Outubro 7536,75 7200 336,75 Novembro 7583,53 7200 383,53 Dezembro 7798,99 7200 598,99 Geração Total 86442,88 Balanço de Excedentes 42,88

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Figura 28: Gráfico da comparação da Geração x Consumo x Excedente do Cenário 2. Fonte: Autor.

4.3 Cenário 3

Este cenário foi feito para uma hipótese de que 10% dos veículos que frequentam a UFSC durante o horário de funcionamento, das 8 às 18 horas, sejam veículos elétricos. O cenário 3 foi planejado para suprir a demanda necessária para que o fluxo de veículos elétricos médio encontrados no estacionamento seja cerca de veículos 1,57 veículos, usando então 2 veículos para as simulações. A Tabela 14 apresenta a estimativa de demanda diária, mensal e anual necessária para um número médio de 2 VEs:

Demanda total anual (kWh) 21600

Para o terceiro cenário foi necessário mudar a configuração elétrica, sendo 5 strings com 9 módulos cada, totalizando 45 módulos, representado 14,85 kWp de potência de módulos, estando na categoria de microgeração distribuída. O modelo dos módulos continuaram sendo os mesmos dos outros cenários, porém foi necessário mudar o inversor usado, sendo então