INTEGRAÇÃO DE SISTEMA SOLAR FOTOVOLTAICO CONECTADO A REDE
DE ENERGIA ELÉTRICA EM PRÉDIOS PÚBLICOS: ESTUDO DE CASO NO
MUNICÍPIO DE PALMAS TOCANTINS
Sergio B. Silva
1, Fabio L. Albuquerque
1, 2, Dalvene O. Brito
1, Jailson R. de Oliveira
1, Geraldo C.
Guimarães
2, Adélio J. de Moraes
21- Instituto Federal do Tocantins (IFTO), Campus Palmas – Tocantins,
sergio@ifto.edu.br; fabiolima@ifto.edu.br; dallvene@hotmail.com; jailson.palmas@hotmail.com 2-Universidade Federal de Uberlândia, Minas Gerais
Resumo - O objetivo deste artigo é apresentar uma
análise de sistemas solares fotovoltaicos conectados a rede de energia elétrica em prédios públicos. A avaliação parte do estudo de caso ainda em desenvolvimento da sede da Secretaria de Abastecimento do Estado do Tocantins, em Palmas-TO, Brasil. Para a essa análise, foram utilizados as informações da curva de carga e das características sazonais local da radiação solar para um período de uma semana. Os resultados apresentaram uma contribuição de até 46,9% do consumo diário de energia, além disso, pode-se observar, uma redução de até 14% no valor da demanda máxima consumida. Baseado nos resultados iniciais desse estudo pode-se concluir que o aproveitamento da energia solar FV em prédios públicos pode reduzir o consumo e a demanda de energia contratada, reduzindo assim, os custos da edificação.
Palavras-Chave - Fontes Renováveis, Geração Distribuída, Sistemas Fotovoltaicos Conectados a Rede;
INTEGRATION OF GRID CONNECT
PHOTOVOLTAIC SYSTEM IN A PUBLIC
BUILDING: A CASE STUDY IN PALMAS
TOCANTINS
Abstract - The aim of this paper is to present an
analysis of solar photovoltaic systems connected to the grid in public buildings. The assessment begins of the case study under development headquarters of the State of Tocantins Secretariat of Supply, in Palmas-TO, Brazil. For this analysis, were used information from the load curve and the seasonal characteristics of local solar radiation for a period of one week. The results showed a contribution of up to 46.9% of daily power consumption, also can also be observed, a reduction of up to 14% in the value of the maximum demand consumed. Based on the initial results of this study can conclude that the use of PV solar energy in public buildings in Brazil can reduce both consumption and energy demand contracted, thus reducing the energy costs of the building.
1
Keywords - Renewable Energy Source, Distributed
Generation, Photovoltaic Grid-Connected Systems.
NOMENCLATURA
AT Área total requerida pelos módulos FV.
com a temperatura.
E Consumo médio diário durante o ano. Eff Eficiência do módulo FV.
FRE Fonte Renovável de Energia. FV Fotovoltaico.
Gm Radiação média diária anual.
Imp Corrente no módulo em máxima potência.
MPPT Maximum Power Point Tracking.
NOCT Temperatura Normal de Operação da Célula. padronizadas.
Pcc Potência média necessária.
Pmax Potência Máxima do módulo FV.
PMáx,0 Potência máxima do módulo sob condições
R Rendimento do sistema.
SFCR Sistemas Fotovoltaicos Conectados a rede. SFI Sistemas Fotovoltaicos Isolados.
Ta Temperatura ambiente.
Vpm Tensão no módulo em máxima potência.
µPmáx Coeficiente de variação da potência do módulo
I.INTRODUÇÃO
A preocupação com o esgotamento e a alta dos preços dos combustíveis fósseis, bem como com os riscos ambientais causados pela sua utilização em larga escala em todo o planeta contribuem para uma demanda crescente por soluções tecnológicas para a produção de energia, que sejam sustentáveis e ambientalmente amigáveis.
O uso de algumas tecnologias, que aproveitam recursos renováveis, como as usinas eólicas ou a energia solar FV, vem crescendo em todo o mundo. Essas tecnologias já superaram os primeiros estágios de desenvolvimento tecnológico e apenas o custo da energia produzida ainda representa uma barreira para a sua utilização em larga escala.
A tecnologia FV caracteriza-se por ser silenciosa não-poluente e apresentar baixo custo de manutenção. Devido à característica intermitente dos sistemas FV, a energia produzida pelos painéis durante o dia deve ser armazenada para uso posterior, quando não há radiação solar suficiente para produção de energia. Esses sistemas são denominados sistemas fotovoltaicos não-conectados à rede, ou simplesmente Sistemas Fotovoltaicos Isolados (SFI).
Atualmente, a solução comum para o armazenamento de energia é a utilização de baterias eletroquímicas, adequadas para acumular energia em intervalos de tempo mais curtos. No entanto, além de possuir um elevado custo de manutenção, essa solução não é apropriada para o armazenamento de energia por longos períodos [1].
Há ainda, uma segunda forma de aproveitar a energia dos sistemas FV, na qual toda a energia produzida é inserida diretamente na rede elétrica convencional. Estes sistemas são denominados de sistemas fotovoltaicos conectados a rede (SFCR). Mais simples e, conseqüentemente, mais econômicos comparados aos SFI, eles podem ser úteis para fornecer energia durante o dia, em locais com alta demanda no mesmo período, não requisitando sistemas de armazenamento de energia. Como exemplo, cita-se o atendimento ao consumo associado aos aparelhos de ar condicionado.
Entre 2000 e 2009, o crescimento do consumo de energia no setor público cresceu 13%. Dos 42% da energia elétrica consumida no Brasil, 23% é utilizado no setor residencial, 11% no comercial e 8% no setor público, sendo que nos edifícios comerciais, o consumo por uso final da energia é de 24% para iluminação artificial e 48% para ar condicionado, valores que devem ser considerados já que estes setores concentram parte significativa da atuação do projetista para aumentar a eficiência energética nas edificações [2].
O aproveitamento de energia solar fotovoltaica em prédios públicos pode contribuir significativamente para redução dos custos da energia para esse setor da economia, considerando a simetria entre o consumo e a produção de energia.
II.SISTEMA FOTOVOLTAICO CONECTADOS A REDE Os sistemas fotovoltaicos conectados à rede elétrica SFCR (do inglês grid-connected PV systems) constituem a aplicação de energia solar com a maior taxa de crescimento anual mundial. Os sistemas fotovoltaicos instalados pelo mundo apresentam crescimento anual, desde o ano 2000, superior a 30%, atingindo um pico de 71% em 2008. Essa aplicação de forma conectada à rede, vem crescendo de forma acentuada nos últimos anos e em 2009 já respondia por mais de 90% do mercado mundial de instalações [3]. A quantidade de sistemas fotovoltaicos instalados no mundo já supera 13 GW, sendo que, 5,56 GW foram instalados somente em 2008 [4].
Os SFCR no Brasil ainda representam em sua maioria projetos pilotos ligados principalmente a instituições de pesquisa. Estudos mostram que edificações com grandes áreas de cobertura, podem suportar grandes geradores de energia fotovoltaica, que podem representar contribuições significativas em áreas urbanas onde o consumo de energia elétrica é elevado [5].
A utilização de energia fotovoltaica evita a emissão de gases poluentes e os sistemas fotovoltaicos podem ser integrados às edificações, evitando a utilização de áreas extras nos locais de instalação [6]. Os sistemas fotovoltaicos conectados à rede elétrica são mais eficientes e econômicos. Em média são 40% mais baratos que os sistemas fotovoltaicos autônomos, pois não necessitam de sistemas de armazenamento [7].
Embora o Brasil disponha de grande potencial para a aplicação dos SFCR devido aos elevados níveis de irradiação solar, o papel dessa fonte renovável de energia (FRE) no mercado brasileiro ainda é restrito e a legislação do setor elétrico em vigor não prevê incentivos para esses sistemas interligados à rede pública de energia [8].
Documentos internacionais reportam para o ano de 2050 que 50% da geração de energia no mundo virão de FRE. Dessa demanda, 25% serão supridos pela energia solar FV. Esses números aplicados ao Brasil indicam que haverá um crescimento da eletricidade solar fotovoltaica, seguida da energia eólica, podendo vir a predominar sobre a energia hidroelétrica, a qual atualmente representa elevada parcela da matriz energética nacional [9].
A energia solar FV apresenta-se como uma fonte promissora para os grandes centros urbanos, principalmente para os prédios públicos onde suas características de funcionamento e a alta demanda de aparelhos ar-condicionado elevam as curvas de carga, apresentando um sincronismo com a curva de geração da energia solar.
III.MATERIAIS E MÉTODOS
O método utilizado foi analisar diferentes condições técnicas e econômicas para aplicação solar fotovoltaica integrada a prédios públicos em Palmas, Tocantins.
Palmas é a capital do Estado do Tocantins, situada na região Norte do Brasil na Latitude: 10.1908º Sul e Longitude: 48.3019º Oeste. Foi fundada em 20 de maio de 1989, destacando-se por ser uma cidade planejada a partir de um Plano Diretor, criado com o propósito de ter características de cidade tradicional, mas concebida a partir de referências do urbanismo moderno, e estruturada por uma macro malha viária, que acessibilidade a toda a cidade através da continuidade e conexão dos corredores e espaços público. Sua arquitetura também pode ser destacada com prédios significativos, localizados em sua maioria na Praça dos Girassóis.
Além da arquitetura presente em suas edificações, a Praça dos Girassóis (Figura 1) é considerada a maior praça pública da América e uma das maiores do mundo com 570 mil metros quadrados. Está localizada no eixo que divide Palmas em Norte, Sul, Leste e Oeste. A praça, que abriga as sedes três poderes estaduais e tem amplos espaços de lazer. Ao centro encontra-se o palácio do Araguaia, com as secretárias a sua volta (Figura 1).
Neste trabalho ainda em desenvolvimento, foi escolhido o prédio da Secretaria da Agricultura, Pecuária e Abastecimento do Estado do Tocantins (SEAGRO) por abrigar a diretoria de energias limpas, a qual esta realizando um estudo para implementar a construção de um SFCR em sua estrutura (área destacada na Figura 1).
A seguir são apresentados os principais parâmetros utilizados no estudo.
Fig. 1. Área da praça dos Girassóis. Fonte: GoogleEarth, 2011
A.Consumo de Energia
A concessionária local forneceu os dados de demanda horária e de consumo de energia da secretaria. Os dados são registrados no equipamento SAGA1000 Landis+Gyr, e fornecem valores registrados a cada 15 minutos. Na Figura 2 são apresentados os dados registrados relativos ao consumo de energia durante os primeiros 7 (sete) dias do mês de maio de 2011 na secretaria. Esses dados foram escolhidos por apresentarem um perfil médio durante os primeiros meses de regime de trabalho continuo da secretária após posse do novo governo do estado. 0 20 40 60 80 100 120 140 160 0 1 /m a i 0 0 :0 0 0 1 /m a i 0 5 :0 0 0 1 /m a i 1 0 :0 0 0 1 /m a i 1 5 :0 0 0 1 /m a i 2 0 :0 0 0 2 /m a i 0 1 :0 0 0 2 /m a i 0 6 :0 0 0 2 /m a i 1 1 :0 0 0 2 /m a i 1 6 :0 0 0 2 /m a i 2 1 :0 0 0 3 /m a i 0 2 :0 0 0 3 /m a i 0 7 :0 0 0 3 /m a i 1 2 :0 0 0 3 /m a i 1 7 :0 0 0 3 /m a i 2 2 :0 0 0 4 /m a i 0 3 :0 0 0 4 /m a i 0 8 :0 0 0 4 /m a i 1 3 :0 0 0 4 /m a i 1 8 :0 0 0 4 /m a i 2 3 :0 0 0 5 /m a i 0 4 :0 0 0 5 /m a i 0 9 :0 0 0 5 /m a i 1 4 :0 0 0 5 /m a i 1 9 :0 0 0 6 /m a i 0 0 :0 0 0 6 /m a i 0 5 :0 0 0 6 /m a i 1 0 :0 0 0 6 /m a i 1 5 :0 0 0 6 /m a i 2 0 :0 0 0 7 /m a i 0 1 :0 0 0 7 /m a i 0 6 :0 0 0 7 /m a i 1 1 :0 0 0 7 /m a i 1 6 :0 0 0 7 /m a i 2 1 :0 0 P o tê n ci a (K W )
Fig. 2. Demanda horária da SEAGRO-TO para a primeira semana do mês de maio de 2011.
Pode-se observar que no sábado e domingo, o consumo de energia é mínimo, sendo registrado apenas um valor praticamente fixo de aparelhos que permanecem constantemente em operação. Observa-se também a redução característica do consumo de energia no período entre as 12:00 e 14:00 do dia. Analisando os gráficos, pode-se afirmar que a integração da geração solar fotovoltaica poderá contribuir com a redução do consumo de energia da
edificação, pela coincidência temporal entre a geração e o consumo. O consumo médio diário foi registrado para a primeira semana de maio igual a 1.153,65kWh.
B.Demanda Contratada
Os consumidores comerciais, geralmente possuem um contrato de fornecimento de energia com a concessionária local. Nesse contrato, é estipulado um valor de demanda contratada, definida pelo usuário com base na sua demanda máxima esperada. O usuário pode optar por uma das modalidades do sistema horo-sazional. Para o ano de 2011 a SEAGRO definiu o contrato com a concessionária local o modelo convencional com demanda contratada de 200 kVA.
Caso algum registro de utilização de demanda seja superior a 10% do valor contratado, o usuário deverá pagar o excesso calculado pela tarifa de ultrapassagem.
C.Radiação Solar
A Figura 3 apresenta a radiação solar diária registrada no local para a primeira semana de maio/2011 disponível na pagina eletrônica do INMET [10]. Também, são incluídas na Figura 3 as médias diárias da temperatura, que possui grande influência no desempenho dos módulos FV. O valor médio diário da radiação registrada para a cidade de Palmas é de 5,78 kWh/m2/dia [11]. 20,0 22,5 25,0 27,5 30,0 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0
1-mai 2-mai 3-mai 4-mai 5-mai 6-mai 7-mai
Te m p e ra tu ra ( oC ) R a d ia çã o S o la r D iá ri a ( kW h /m 2 /d ia )
Radiação Solar Temperatura
Fig. 3. Radiação Solar e Temperatura média em Palmas-TO.
A Figura 4 apresenta o consumo e a radiação solar horária registrada no local para o dia 2 (dois) de maio de 2011. Observa-se que o comportamento da curva de carga acompanha a curva de radiação solar ao longo do dia.
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0 20 40 60 80 100 120 140 160 R a d ia çã o S o la r (W h / m 2) P o tê n ci a C o n su m id a (K W )
Potência Consumida Radiação Solar Global
D.Área para Instalação dos Painéis Fotovoltaicos
Devido às características da Praça dos Girassóis, cada secretaria é espaçada suficientemente para não sofrer influência de sombra entre eles.
A Figura 5 mostra as áreas em destaque, definidas para instalação dos módulos fotovoltaicos, as quais incluem parte do telhado e o estacionamento exclusivo da secretaria. A área total disponível nos telhados foi de 800 m2, enquanto a área disponível nos estacionamentos foi de 640 m2.
Fig. 5. Área disponível para fixação dos painéis FV.
Dois modelos de painéis fotovoltaicos foram escolhidos para atender as necessidades do projeto. O modelo de painel flexível PVL-136 do fabricante Unisolar foi definido para área disponível dos estacionamentos devidos suas características e a opção de modelar a cobertura dos estacionamentos. Já o modelo KD-135 da Kyocera, foi escolhido para utilização na cobertura do telhado. A Tabela I apresenta as características dos módulos utilizados
TABELA I
Caracteristicas do módulo FV em condições padrões
Modelo Pmax,0 Vpm Imp Área NOCT Eff
KD135 135Wp 17,7Vcc 7,63A 1 m2 47,9ºC 13,47%
PVL-136 136Wp 33Vcc 4,13A 2,16 m2 46 C 6,29%
A equação (1) apresenta o cálculo para determinar a potência nominal do SFCR para o atendimento a demanda diária da edificação. O rendimento do sistema foi considerado igual a 90%, considerando as perdas nos cabos mais as perdas associadas na conversão CC/CA.
R
G
E
P
m CC1
⋅
=
(1) Onde:Pcc - Potência média necessária (kWp). Gm - Horas de sol média diaria (h/dia).
E - Consumo médio diário durante o ano (kWh/dia). R - Rendimento do Sistema (%).
A equação (2) é utilizada para o cálculo da área necessária para instalações dos módulos FV.
ff CC T
E
P
A
=
⋅
100
(2) Onde:AT - Área total requerida pelos módulos FV (m2).
Eff - Eficiência do módulo FV (%).
Para este estudo, o sistema solar fotovoltaico funcionará em condição otimizada de fornecimento de energia. Para esta condição usa-se um rastreador de máxima potência (MPPT –
Maximum Power Point Tracking), que já está inserido no
inversor. O MPPT é um conversor eletrônico de potência CC-CC, integrado entre o módulo fotovoltaico e sua carga, a fim de obter uma operação ideal. O uso de um algoritmo inteligente assegura a operação do módulo fotovoltaico no ponto de máxima potência, para todos os valores de temperatura, radiação e carga.
Para analisar sua operação, foi usado um modelo baseado nas seguintes hipóteses:
• Todas as células do arranjo PV são idênticas e operam com a mesma radiação e temperatura;
• Não existem perdas no arranjo com o sistema FV;
• O arranjo FV opera sempre no ponto de potência máxima para todas as condições ambientais de radiação e temperatura;
• Se as condições ambientais de radiação e temperatura variarem, o modelo se adapta automaticamente para seu ponto de potência máxima;
• A temperatura das células solares depende exclusivamente da radiação e temperatura ambiental.
Com essas hipóteses, a potência de saída do SFCR é obtida por meio da seguinte expressão:
(
)
− − + + = 25 800 20 ( 1000 max,0 max NOCT G T P G N P a P a a Max μ (3) Onde:N - Número de módulos do arranjo FV. Ga - Radiância (W/m2).
PMáx,0- Potência máxima do módulo sob condições
padronizadas.
µPmáx - Coeficiente de variação da potência do módulo
com a temperatura (W/0C). Ta - Temperatura ambiente (0C).
IV.RESULTADOS E DISCUSSÕES
Para cálculo da geração solar FV, considerando o consumo diário da primeira semana de maio de 2011, serão necessários 221,77 kWp de painéis FV para atender a todo o consumo mensal de energia da edificação.
Consequentemente, para essa potência total de geração FV, são necessários uma área total para fixação de painéis no valor de 1.646,40 m2, para o modelo KD-135 ou 3.525,76 m2 para o modelo flexível PVL-136.
No entanto, a soma das duas áreas disponíveis para fixação dos módulos atualmente é de 1.440m2, a qual, não é suficiente para o suprimento de 100% do consumo de energia da edificação.
Levando em consideração as áreas disponíveis e as características da secretaria (telhado e estacionamento, associados às necessidades arquitetônicas do local), a potência de geração solar disponível é de 106,92 kWp de módulos FV modelo KD-135 e 40,26 kWp de módulos FV modelo PVL-136.
A Figura 6 apresenta a influência do SFCR na SEAGRO-TO na primeira semana de maio de 2011. Durante a semana, a contribuição do SFCR chegou a 46,9% do consumo de energia diário, a menor contribuição foi de 33,45%. Aos finais de semana, a energia produzida pelo SFCR excede o consumo e a mesma pode ser fornecida a rede da concessionária. No Brasil, ainda não há uma política para compra da energia produzida por SFCR, caso houvesse, a receita da venda dessa energia poderá contribuir para redução no investimento desses sistemas.
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
01/mai 02/mai 03/mai 04/mai 05/mai 06/mai 07/mai
D e m a n d a M á x im a (k W ) C o n su m o d iá ri o (k W h )
Consumo Atual Geração do SFCR Dmax_atual Dmax c/ SFCR
Fig. 6. Consumo Diário e Demanda máxima da SEAGRO-TO com e sem o SFCR para a primeira semana de maio/2011.
Outro fator importante observado na Figura 6 e a demanda máxima diária registrada e simulada para o SFCR. Em média, houve uma redução máxima de 14% na demanda diária. Essa redução também contribui para redução nos custos de investimento do sistema.
V.CONCLUSÕES
Este artigo apresenta as contribuições de um SFCR para edificações públicas no Estado do Tocantins. O trabalho ainda em desenvolvimento visa realizar um levantamento técnico e econômico, apresentando os benefícios e desafios da tecnologia para aproveitamento da energia FV na região.
Baseado nos resultados iniciais da pesquisa em desenvolvimento, a área disponível para fixação dos painéis FV não atenderia a demanda total de energia requerida pela edificação. De acordo com as características arquitetônicas e os painéis FV escolhidos, a contribuição do SFCR alcançou 46,9% do consumo de energia do prédio. Além do consumo
de energia, novo contrato de demanda pode ser realizado com uma redução de aproximadamente 10% do valor contratado, contribuindo para redução dos custos de energia e consequentemente o pagamento dos custos de implantação do SFCR. As condições climáticas no Brasil favorecem a utilização desses sistemas de geração distribuída, no entanto, faltam ainda políticas públicas para definição de modelos de tarifas e legislações especificas para pequenos SFCR.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem a Sub-Secretaria de Energias Limpas (SEAGRO-TO), pela colaboração neste trabalho.
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