Análise da viabilidade técnica de painéis solares fotovoltaicos conectados à rede em uma indústria madeireira

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICA

ESPECIALIZAÇÃO EM ENERGIAS RENOVÁVEIS

ANDERSON WESLLEY DA SILVA ZAMPOLI

ANÁLISE DA VIABILIDADE TÉCNICA DE PAINÉIS SOLARES

FOTOVOLTAICOS CONECTADOS À REDE EM UMA INDÚSTRIA

MADEIREIRA

MONOGRAFIA DE ESPECIALIZAÇÃO

CURITIBA - PR 2017

ANDERSON WESLLEY DA SILVA ZAMPOLI

ANÁLISE DA VIABILIDADE TÉCNICA DE PAINÉIS SOLARES

FOTOVOLTAICOS CONECTADOS À REDE EM UMA INDÚSTRIA

MADEIREIRA

Monografia de Especialização apresentada ao Departamento Acadêmico de Eletrotécnica da Universidade Tecnológica Federal do Paraná, como requisito parcial para obtenção do título de Especialista em Energias Renováveis.

Orientador: Prof. Dr. Gerson Máximo Tiepolo

CURITIBA - PR 2017

TERMO DE APROVAÇÃO

ANDERSON WESLLEY DA SILVA ZAMPOLI

ANÁLISE DA VIABILIDADE TÉCNICA DE PAINEIS SOLARES

FOTOVOLTAICOS CONECTADOS À REDE EM UMA INDÚSTRIA

MADEREIRA

Esta Monografia de Especialização foi apresentada no dia 03 de julho de 2017, como requisito parcial para obtenção do título de Especialista em Energia Renováveis – Departamento Acadêmico de Eletrotécnica – Universidade Tecnológica Federal do Paraná. O aluno foi arguido pela Banca Examinadora composta pelos professores abaixo assinados. Após deliberação, a Banca Examinadora considerou o trabalho aprovado.

______________________________ Prof. Dr. Jair Urbanetz Junior

Coordenador de Curso de Especialização em Energias Renováveis

______________________________ Prof. Romildo Alves dos Prazeres Chefe do Departamento Acadêmico de Eletrotécnica

BANCA EXAMINADORA

_____________________________ _________________________ Prof. Dr. Gerson Máximo Tiepolo Prof. Dr. Jair Urbanetz Junior Orientador - UTFPR UTFPR

__________________________________ Prof. Esp. Carlos Henrique Karam Salata

UTFPR

Dedico este trabalho à minha família, pelos momentos de ausência.

AGRADECIMENTOS

Certamente estes parágrafos não irão atender a todas as pessoas que fizeram parte dessa importante fase de minha vida. Portanto, desde já peço desculpas àquelas que não estão presentes entre essas palavras, mas elas podem estar certas que fazem parte do meu pensamento e de minha gratidão.

Agradeço ao meu orientador Prof. Dr. Gerson Máximo Tiepolo pela sabedoria com que me guiou nesta trajetória.

A Deus por me guiar em todos os momentos em que mais precisei. A Secretária do Curso, pela cooperação.

Gostaria de deixar registrado também, o meu reconhecimento à minha família, à minha companheira Millena Teodoro de Carvalho, pois acredito que sem o apoio deles seria muito difícil vencer esse desafio.

Enfim, a todos os que por algum motivo contribuíram para a realização desta pesquisa.

"Seja lá o que fizer, seja bom nisso" - Abraham Lincoln.

RESUMO

ZAMPOLI, Anderson. ANÁLISE DA VIABILIDADE TÉCNICA DE PAINÉIS SOLARES FOTOVOLTAICOS CONECTADOS À REDE EM UMA INDÚSTRIA MADEIREIRA. 2017. 77f. Trabalho de Conclusão de Curso da Especialização em Energias Renováveis - Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba, 2017.

A demanda por energia elétrica vem crescendo e somada a busca por fontes renováveis de energia vem gerando atratividade do consumidor final por energia elétrica proveniente de irradiação solar. O trabalho comenta de uma maneira resumida, o quadro do panorama mundial da tecnologia de energia fotovoltaica existente, para geração de energia elétrica sustentável. Demonstra que no Paraná existe um excelente potencial de irradiação solar comparado com a Europa. Portanto, esse trabalho teve como objetivo avaliar a viabilidade técnica quanto à utilização de uma fonte de energia limpa, a energia solar, através da instalação de um SFVCR em uma indústria madeireira no estado do Paraná. Foram analisadas tecnologias, dados de irradiação solar, normatização e a possibilidade da instalação dos módulos FV sobre toda a cobertura do empreendimento e consequentemente, a porcentagem de energia economizada com a utilização do sistema.

ABSTRACT

ZAMPOLI, Anderson. ANALYSIS OF THE TECHNICAL FEASIBILITY OF SOLAR PHOTOVOLTAIC PANELS CONNECTED TO THE NETWORK IN A WOOD INDUSTRY. 2017. 77f. Monograph of Specialization in Renewable Energy - Federal Technological University of Paraná Curitiba, 2017.

The demand for electric energy has been increasing and a search for renewable energy sources has been generating attractiveness of the final consumer for electric energy coming from solar irradiation. The work is done in a summarized way, the picture of the world panorama of existing photovoltaic energy technology, for the generation of sustainable electric energy. It shows that in Paraná there is an excellent potential of solar irradiation compared to Europe. Therefore, the objective of this work was to evaluate a technical viability for a clean energy source, a solar energy, through the installation of an SFVCR in a timber industry in the state of Paraná. Technologies, data of solar irradiation, standardization and possibility of installation of PV modules were analyzed on all the coverage of the enterprise and consequently, a percentage of energy saved by using the system.

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 1 - Desenho de um corte de célula fotovoltaica ... 20

Figura 2 - Célula de silício monocristalino ... 21

Figura 3 - Células de silício policristalino ... 21

Figura 4 - Filme fino de disseleneto de cobre-indio ... 22

Figura 5 - (a) e (b) - Órbita da Terra em torno do sol com seu eixo N-S inclinado de um ângulo de 23,45°, indicando as estações do ano no hemisfério Sul. ... 23

Figura 6 - Mapa de irradiação solar global horizontal média anual ... 25

Figura 7 - Mapa Fotovoltaico do Estado do Paraná - Total Anual e Mapa Fotovoltaico da Europa. ... 26

Figura 8 - Tipos de sistemas fotovoltáicos ... 27

Figura 9 - Medidor bidirecional de um sistema fotovoltaico ... 28

Figura 10 - Simbologia do módulo fotovoltaico... 29

Figura 11 - Símbolo elétrico do Inversor ... 29

Figura 12 - Planta Situação da Madeireira ... 31

Figura 13 - Planta Situação dos Barracões ... 32

Figura 14 - Visita ao padrão de entrada do Barracão 02 ... 33

Figura 15 - Detalhe da Medição do Barracão 02 ... 33

Figura 16 - Desvio azimutal Barracão 01 ... 34

Figura 17 - Desvio azimutal Barracão 02 ... 34

Figura 18 - Área Barracão 01 ... 35

Figura 19 - Área Barracão 02 ... 35

Figura 20 - Vista em perspectiva dos módulos sobre a Área 01 do Barracão 02. ... 36

Figura 21 - Vista em perspectiva do empreendimento ... 36

Figura 22 - Vista frontal do empreendimento ... 37

Figura 23 - Módulo de Silício policristalino CS6U-320p ... 37

Figura 24 - Espaçamento x Latitude ... 38

Figura 25 - Altura x Ângulo de inclinação ... 39

Figura 26 - Irradiação Local Global Horizontal (Coordenadas mais próximas do local desejado)... 40

Figura 27 - Distância entre coordenadas da madeireira com o Atlas Brasileiro de Energia Solar ... 40

Figura 28 - Banco de dados do ATLAS Brasileiro inserido no software RADIASOL . 41 Figura 29 - Radiação Solar Barracão 01 ... 42

Figura 30 - Radiação Solar Diária Média Mensal no Barracão 01 ... 42

Figura 31 - Irradiância mensal local Barracão 01 em Wh/m².dia ... 42

Figura 32 - Radiação Solar Barracão 02 ... 43

Figura 33 - Radiação Solar Diária Média Mensal no Barracão 02 ... 43

Figura 34 - Irradiância mensal local Barracão 02 em Wh/m².dia ... 43

Figura 36 – Fatura do Barracão 02 ... 47

Figura 37 - Telha de Zinco ... 52

Figura 38 - Diagrama Unifilar do Ramal (25kWp) ... 56

Figura 39 - Disposição dos módulos FV sobre o telhado do Barracão 01 ... 57

Figura 40 - Disposição dos módulos FV sobre o telhado do Barracão 02 ... 57

Figura 41 - Parâmetros elétricos ... 59

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Histórico do consumo (Barracão 01) ... 48

Tabela 2 - Histórico do consumo (Barracão 02) ... 49

Tabela 3 - Energia Gerada (Barracão 01 ) ... 50

Tabela 4 - Energia Gerada (Barracão 02) ... 50

Tabela 5 - Economia de Energia (Barracão 01) ... 50

Tabela 6 - Economia de Energia (Barracão 02) ... 50

Tabela 7 - Proteção mínima em relação a potência instalada ... 53

Tabela 8 - Dados do Inversor ... 53

Tabela 9 - Dados do módulo FV ... 54

Tabela 10 - Dimensionamento Cabo CC ... 59

Tabela 11 - Dimensionamento Cabo CA ... 61

Tabela 12 - Capacidades de condução de corrente, em ampéres, para os métodos de referência E, F e G ... 61

LISTA DE ABREVIATURAS

ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica BEM Balanço Energético Nacional

CA Corrente Alternada CC Corrente Contínua

COPEL Companhia Paranaense de Energia FV Fotovoltaico

GW Giga Watt

IEA International Energy Agency kW Kilo Watt

kWp Kilo Watt pico MW Mega Watt

NTC Norma Técnica Copel

SFVCR Sistema Fotovoltaico Conectado à Rede UTFPR Universidade Tecnológica Federal do Paraná WWW World Wide Web (Rede de Alcance Mundial)

SUMÁRIO

1INTRODUÇÃO ...13 1.1 TEMA ...14 1.1.1Delimitação do Tema ...14 1.2 PROBLEMAS E PREMISSAS ...14 1.3 OBJETIVOS ...16 1.3.1Objetivo Geral ...16 1.3.2Objetivos Específicos ...16 1.4 JUSTIFICATIVA ...16 1.5 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS ...17 1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO ...18 2FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ...19

2.1 ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA ...19

2.1.1Efeito Fotovoltaico ...20

2.1.1.1 Células fotovoltaicas ...20

2.1.2Radiação Solar ...22

2.1.2.1 Radiação solar no Brasil ...24

2.1.2.1.1Comparação do potencial fotovoltaico encontrado no estado do Paraná com a Europa ...25

2.2 SISTEMAS FOTOVOLTÁICOS ...27

2.3 SISTEMAS FOTOVOLTAICOS CONECTADOS A REDE (SFVCR)...27

2.3.1Componentes do SFVCR ...28

2.3.1.1 Módulo fotovoltaico ...28

2.3.1.2 Inversor Grid-Tie ...29

2.3.1.2.1Seguidor do ponto de máxima potência (MPPT) ...30

3ANÁLISE DA VIABILIDADE TÉCNICA ...31

3.1 O PROJETO ...31

3.1.1Localização do Imóvel ...31

3.1.2Localização dos Painéis Fotovoltaicos ...35

3.1.3Estudo da Radiação Local ...39

3.1.4Normativa 482 e 687/2012 ...44

3.1.5Levantamento do Consumo da Indústria ...45

3.1.6Energia elétrica gerada pelos módulos ...49

3.1.6.1 Quantidade de módulos FV ...51

3.1.7Dimensionamento do inversor ...52

3.1.8Dimensionamento das Séries (strings) ...53

3.1.9Dimensionamento de cabos ...58

3.1.9.1 Dimensionamento dos condutores no lado CC ...58

3.1.9.2 Dimensionamento dos condutores no lado CA ...60

3.1.10Dimensionamento do Disjuntor ...61

CONSIDERAÇÕES FINAIS ...64 REFERÊNCIAS ...66 APÊNDICE ...69

1 INTRODUÇÃO

O aumento da demanda e consumo de energia decorrente do progresso tecnológico e do avanço no desenvolvimento humano são apontados como os fatores mais importantes na aceleração das alterações climáticas e ambientais observadas e descritas pela comunidade científica. O crescimento do consumo de energia mais que triplicou após a Revolução Industrial e estudos recentes mostram uma tendência de crescimento da demanda energética em consequência da recuperação econômica nos países em desenvolvimento (PEREIRA et al., 2006, p.09).

Atualmente, a energia hidráulica é a principal fonte de energia para geração de eletricidade no Brasil. Apesar de ser considerada uma fonte renovável e limpa, as usinas hidroelétricas produzem um impacto ambiental devido ao alagamento de grandes áreas cultiváveis. Estudos mostram que gases do efeito estufa, principalmente o Metano (CH4), são emitidos para atmosfera em consequência de processos de degradação anaeróbica da matéria orgânica que ocorrem em áreas alagadas. Além disso, as principais bacias hidrográficas brasileiras com capacidade de geração hidroelétrica de alta densidade energética já estão praticamente esgotadas nos principais centros consumidores do País (PEREIRA et al., 2006, p.10). O Brasil, por ser um país localizado na sua maior parte na região intertropical, possui grande potencial para aproveitamento de energia solar durante todo ano. A utilização da energia solar traz benefícios em longo prazo para o país, viabilizando o desenvolvimento de regiões remotas onde o custo da eletrificação pela rede convencional é demasiadamente alto com relação ao retorno financeiro do investimento, regulando a oferta de energia em períodos de estiagem, diminuindo a dependência do mercado de petróleo e reduzindo as emissões de gases poluentes à atmosfera como estabelece a Conferência de Kyoto. Existe um grande leque de possibilidades a médio e longo prazo para aproveitamento dessa abundante forma de energia renovável, que vai desde pequenos sistemas fotovoltaicos autônomos até as grandes centrais que empregam energia solar concentrada (PEREIRA et al., 2006, p.10).

Em 2012, foi criada pela Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) a resolução normativa n°482, de 17/07/2012, com a finalidade de permitir ao consumidor gerar energia elétrica a partir da energia solar em seu próprio estabelecimento. Esta resolução estabeleceu as condições gerais para o acesso de

microgeração e minigeração distribuída aos sistemas de distribuição de energia elétrica, o sistema de compensação de energia elétrica (ANEEL, 2012).

A energia solar apresenta destaque especial dentre as fontes de energias renováveis, devido ao seu vasto potencial e a facilidade de utilização. Surge, portanto, um contexto propício a um estudo de viabilidade técnica de implantação de um Sistema Fotovoltaico Conectado a Rede para solucionar a redução de custos nas contas de energia elétrica convencional.

1.1 TEMA

Analisar a viabilidade técnica do uso de um sistema fotovoltaico conectado à rede (SFVCR) em uma indústria madeireira localizada em Curiúva-Pr, no intuito de reduzir os custos com energia elétrica.

1.1.1 Delimitação do Tema

Este trabalho apresenta uma análise da viabilidade técnica da implantação de um sistema fotovoltaico em uma indústria madeireira na cidade de Curiúva.

A viabilidade de sua implantação está relacionada com a demanda energética exigida e o potencial solar local, a fim de se aumentar sua energia elétrica provinda de energia renovável para seu consumo, através de um sistema fotovoltaico.

Na pesquisa desenvolvida é indicada a utilização da cobertura da indústria como o local para a instalação do painel fotovoltaico, por se tratar de uma área disponível e sem utilização, e também devido à adequada incidência dos raios solares, sem a presença de obstáculos que atrapalhem na captação dos mesmos.

1.2 PROBLEMAS E PREMISSAS

Em indústrias madeireiras, umas das principais questões é o consumo de energia elétrica elevado devido às cargas, como: motores, iluminação, escritório, etc. Uma redução na fatura de energia elétrica através de um sistema de geração fotovoltaico seria muito interessante para o proprietário e para a concessionária, pois reduziria a carga no sistema elétrico.

Os acréscimos na capacidade instalada em renováveis atingiram novos recordes históricos em 2016, com 161 gigawatts (GW) instalados, aumentando a capacidade global total em quase 9% relativamente a 2015, para aproximadamente 2.017 GW. O solar fotovoltaico contribuiu com cerca de 47% da capacidade adicional, seguido pela energia eólica com 34% e pela energia hidroelétrica com 15,5%, (REN21, 2017).

As renováveis estão a tornar-se a opção de menor custo. Nos negócios recentes na Dinamarca, Egipto, Índia, México, Peru e Emirados Árabes Unidos a energia renovável foi fornecida a 0,05 dólares por quilowatt-hora ou a um valor inferior. Isto está claramente abaixo dos custos equivalentes para a capacidade de geração de energia proveniente de combustíveis fósseis e nuclear em cada um desses países, (REN21, 2017).

Os mercados para mini-redes e sistemas autónomos estão a evoluir rapidamente e os modelos de negócio Pay-As-You-Go (PAYG), apoiados pela tecnologia móvel, estão em expansão. Em 2012, os investimentos nas empresas PAYG de energia solar contabilizaram apenas 3 milhões de dólares; até 2016, esse número tinha aumentado para 223 milhões de dólares (acima dos 158 milhões de dólares em 2015), (REN21, 2017).

O custo de implantação em SFVCR no Brasil ainda é um dos principais contrafatores para a utilização desse sistema, apesar de na última década os valores de implantação desses sistemas terem diminuindo significativamente. Também são fatores desfavoráveis, o desconhecimento da tecnologia pela população e a carência de estudos que tragam análises quanto ao retorno financeiro e os benefícios sustentáveis.

Logo, surge a necessidade de uma análise mais detalhada sobre o tema, na qual há um vasto campo para ser evoluído e explorado.

1.3 OBJETIVOS

1.3.1 Objetivo Geral

Desenvolver um estudo sobre sistemas fotovoltaicos conectados á rede elétrica em uma indústria, analisando a mesma como uma microgeradora de energia elétrica, buscando torná-la sustentável sob o aspecto energético.

1.3.2 Objetivos Específicos

 Desenvolver um estudo sobre sistemas fotovoltaicos;

 Fazer um levantamento na indústria em questão, da quantidade de energia elétrica consumida e das características do local;

 Levantar a carga instalada para analisar e dimensionar o sistema fotovoltaico adequado ao consumo de energia.

 Levantar dados de irradiação solar no local onde será instalado.

 Dimensionar o sistema fotovoltaico capaz de suprir a demanda energética deste projeto;

1.4 JUSTIFICATIVA

Existem motivos sólidos e coerentes para a implantação dos sistemas fotovoltaicos, sendo um deles a geração de energia elétrica de forma limpa, sem a liberação de substâncias que poluam o meio ambiente. A produção de energia elétrica no planeta é na sua maioria proveniente de usinas movidas a combustíveis fósseis, os quais são uns dos principais causadores de emissão de poluentes para o meio ambiente. Além disso, a própria madeireira pode estar diretamente associada ao desmatamento, e isso é uma maneira de fazer um marketing positivo em relação à consciência ambiental que cada vez mais tem sido importante para os consumidores. Razão esta justifica as inúmeras pesquisas nessa forma de geração de energia com o intuito de desenvolver o sistema a fim de deixá-lo cada vez mais competitivo, eficiente e viável para a geração de energia.

A utilização de sistemas fotovoltaicos conectados à rede elétrica para atendimento de consumidores, paralelamente ao fornecimento de energia elétrica das companhias distribuidoras, ainda é pouco explorada no Brasil, o que torna esta pesquisa importante para o desenvolvimento dos estudos dessa forma de geração de energia.

A indústria a ser analisada, tem um elevado consumo elétrico durante o período de incidência solar, devido à utilização de grandes motores. Este atributo faz da implantação do SFVCR ser uma excelente possibilidade para a geração de energia, dado que, no momento em que a energia está sendo “produzida e utilizada”, o consumidor poderá diminuir sensivelmente a utilização da energia da concessionária, ocasionando uma economia representativa no final do mês.

1.5 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS

Inicialmente será feita a pesquisa de referencial teórico, começando pelo fenômeno físico (efeito fotovoltaico), que possibilita a geração de energia através da irradiação solar, assim como o referencial teórico sobre os componentes do sistema fotovoltaico, como os módulos fotovoltaicos e inversores, utilizando-se para isto bibliografia especializada, revistas, artigos, internet, site de fabricantes, catálogos e ainda especialistas na área.

O levantamento da carga instalada consiste na análise e estudo a serem desenvolvidas do consumo do cliente a partir do seu faturamento mensal dado pela concessionária.

Além disto, será imprescindível o conhecimento da irradiação solar no local em que a indústria está localizada e onde futuramente os módulos fotovoltaicos poderão ser instalados.

Estes dados serão primordiais para a decisão entre a viabilidade da instalação do sistema fotovoltaico ou não. Os valores de irradiação serão obtidos através do banco de dados do Atlas Brasileiro de Energia Solar (2006) para as coordenadas (latitude e longitude) do local.

1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO

No trabalho apresentado nessa proposta prevê-se a seguinte estrutura:

Capítulo 1: INTRODUÇÃO: Apresenta tema da pesquisa, sua delimitação, definindo os problemas e premissas, os objetivos a serem alcançados, justificativas e a metodologia adotada.

Capítulo 2: FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA: Levantamento bibliográfico sobre energia solar, SFVCR, e estudos para dimensionamento. É abordado também, o potencial fotovoltaico no Estado do Paraná.

Capítulo 3: ANÁLISE DE VIABILIDADE TÈCNICA: Será feita a análise da viabilidade do SFVCR proposto.

Capítulo 4: CONCLUSÕES: Mostrará as conclusões obtidas com a análise de viabilidade técnica do SFVCR.

2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

O estudo enfatiza o SFVCR e os cálculos utilizados para o dimensionamento, priorizando a viabilidade técnica da aplicação dessa tecnologia.

2.1 ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA

A energia solar fotovoltaica é a energia obtida através da conversão direta da luz em eletricidade (Efeito Fotovoltaico), sendo a célula fotovoltaica, um dispositivo com material semicondutor é a unidade fundamental desse processo de conversão (PINHO, GALDINO, 2014, p. 50).

A norma ABNT NBR 10.899 define os padrões brasileiros dos principais termos técnicos relativos à conversão de energia solar fotovoltaica, como unidades, simbologias e grandezas solarimétricas. A definição de alguns destes termos, segundo a norma, e que são relevantes para este trabalho são citados a seguir:

 Albedo (ALB): índice relativo à fração da energia radiante solar, recebida em uma unidade de área, devido a refletância nos arredores de onde está instalado um dispositivo;

 Radiação solar: forma de transferência de energia advinda do Sol, através da propagação de ondas eletromagnéticas ou fótons;

 Irradiância solar (G): taxa da radiação solar incidente em uma superfície, por unidade de área. Normalmente medida em W/m² ;  Irradiação solar (I) ou (H): irradiância solar integrada durante um

intervalo de tempo especificado. Sendo normalmente medida em J/m² ou Wh/m², é simbolizada por “I”, quando integrada no período de uma hora, ou por “H”, quando integrado no período de um dia;

 Potência de pico (Wp): potência nominal de saída de um conversor fotovoltaico, sob as condições padrão de referência para ensaio;  Tensão de circuito aberto (Voc): tensão gerada através de um

conversor fotovoltaico sem carga (aberto), para valores preestabelecidos de temperatura e irradiância total;

2.1.1 Efeito Fotovoltaico

O efeito fotovoltaico se apresenta no momento em que a luz solar incide sobre a superfície da célula fotovoltaica gerando uma diferença de potencial elétrico. O fóton lançado pelo Sol excita o elétron livre da camada N que é atraído para a camada P. Esta atração gera uma diferença de potencial. Então os elétrons livres tentam passar da camada N para acamada P e são barrados pela camada defletora. Porém como há excesso de elétrons livres na camada N, o único caminho que pode ser percorrido é por meio dos fios condutores onde é mais fácil para chegarem a camada P. O movimento de elétrons criado pela diferença de potencial elétrico origina uma corrente elétrica. Assim esta correte elétrica passa por uma carga gerando um trabalho ou até mesmo pode fornecer energia elétrica para a concessionária (CARNEIRO, 2010), conforme apresentado na Figura 1.

Figura 1 - Desenho de um corte de célula fotovoltaica Fonte: Pinho e Galdino (2014).

2.1.1.1 Células fotovoltaicas

O Silício empregado na fabricação das células fotovoltaicas é extraído do minério de quartzo. O Brasil é um dos principais países que extraem este tipo de minério, mas a purificação do silício não é feita nele, assim como a produção das células solares. Recentemente desenvolveram-se diversos processos para fabricar células e módulos fotovoltaicos. As tecnologias mais comuns encontradas no mercado são a do silício monocristalino, a do silício policristalino e a do filme fino de silício (VILLALVA, 2014, p. 69).

As células fotovoltaicas produzidas com Silício podem ser monocristalinas (m-Si) ou policristalinas (p-(m-Si). A primeira, Silício monocristalino, é obtida pelo método Czochralski (Si-Cz) ou pela técnica zonal flutuante (Si-Zf), conforme apresentado na Figura 2. O segundo, silício policristalino, em vez de se formar um único cristal, o material é solidificado em forma de bloco composto de pequenos cristais, com dimensão na ordem de centímetros. A partir do corte de um bloco de m-Si tipo Si-Cz ou Si-Ff, são obtidas lâminas nas quais são fabricadas as células fotovoltaicas, mostrada na Figura 3 (PINHO; GALDINO, 2014).

Figura 2 - Célula de silício monocristalino Fonte: Energias Bienes Comunes (2015).

Figura 3 - Células de silício policristalino Fonte: Enerpoint (2015).

Os filmes finos são feitos a partir de processos da vaporização dos resíduos do corte do silício cristalino, apresentado na Figura 4. Os mesmos consomem menos energia e são menos complexos para serem fabricados, contudo sua produção de

energia elétrica é menor. Os filmes finos prometem reduzir os custos de produção dos módulos fotovoltaicos, através do uso de materiais de baixo custo e da redução da quantidade de energia utilizada (OLIVEIRA, 2008).

Figura 4 - Filme fino de disseleneto de cobre-indio Fonte: Portal solar (2015).

2.1.2 Radiação Solar

O Sol fornece energia na forma de radiação, que é a base de toda a vida na Terra, e também é a fonte da energia empregada pelos equipamentos solares. Conhecer o comportamento da radiação por ele emitida é condição obrigatória para quem deseje projetar e utilizar a fonte solar.

No centro do Sol, a fusão transforma núcleos de Hidrogênio em núcleos de Hélio. Durante este processo, parte da massa é transformada em energia. O Sol é assim um enorme reator de fusão. Devido à grande distância existente entre o Sol e a Terra, apenas uma mínima parte (aproximadamente duas partes por milhão) da radiação solar emitida atinge a superfície da Terra. Esta radiação corresponde a uma quantidade de energia de 1,0x10¹⁸ kWh/ano (PORTAL SOLAR, 2004).

A Terra, em seu movimento anual em torno do Sol descreve uma trajetória elíptica com pequena excentricidade (ε ≈ 0,017). O seu eixo, em relação ao plano normal à elipse, apresenta uma inclinação de aproximadamente 23,45°. Essa inclinação, juntamente com o seu movimento de translação, dá origem ás estações do ano. Observando-se o movimento aparente do Sol, ao meio dia solar, ao longo do ano, verifica-se que o ângulo entre os seus raios e o plano do Equador varia entre +23,45 em torno do dia 21 de junho (solstício de inverno no hemisfério Sul), e -23,45 em 21 de dezembro (solstício de verão no hemisfério Sul). Este ângulo, denominado Declinação Solar (δ), é positive ao Norte e negativo ao Sul do Equador. Nos dias 21

de setembro (equinócio de primavera) e 21 de março (equinócio de outono) os raios solares se alinham com o plano do Equador (δ=0). A Figura 5 (a) ilustra o movimento da Terra em torno do Sol e as estações do ano para o hemisfério Sul e a Figura 5 (b) mostra a declinação solar (δ) em quatro posições da Terra ao longo do ano. (PINHO; GALDINO, 2014, p. 69).

Figura 5 - (a) e (b) - Órbita da Terra em torno do sol com seu eixo N-S inclinado de um ângulo de 23,45°, indicando as estações do ano no hemisfério Sul.

Fonte: (PINHO; GALDINO, 2014, p. 69).

A densidade média anual do fluxo energético proveniente da radiação solar (irradiância solar), quando medida num plano perpendicular à direção da propagação

dos raios solares no topo da atmosfera terrestre recebe o nome de constante solar ao valor médio de 1.367 W/m² (PINHO e GALDINO, 2014, p. 76).

Em aplicações terrestres, com a propagação da radiação solar na atmosfera, ocorre o espalhamento e a absorção de parte dessa radiação (PEREIRA et al., 2006), resultando em uma irradiância de aproximadamente 1.000 W/m² ao meio dia solar na superfície terrestre em dias sem nuvens, sendo esse valor considerado no dimensionamento de sistemas solares para a geração de eletricidade. A geração de energia elétrica, através da energia solar, pode ser obtida pelo aproveitamento térmico ou pelo efeito fotovoltaico.

2.1.2.1 Radiação solar no Brasil

O Brasil é privilegiado em radiação solar, conforme pode ser observada na Figura 6. A irradiação solar está entre as mais altas do mundo, variando diariamente e, tendo uma média com o valor máximo de 6,5 kWh/m².dia no norte do estado da Bahia, e a mais baixa de 4,25 kWh/m².dia em Santa Catarina (PEREIRA et al., 2006).

Figura 6 - Mapa de irradiação solar global horizontal média anual Fonte: Pereira et al., (2006).

Os valores de irradiação solar global incidente em qualquer região do território brasileiro 1.500-2.500 (kWh/m².ano) são superiores aos da maioria dos países da União Europeia, como Alemanha 900-1.250 (kWh/m².ano), França 900-1.650 (kWh/m².ano) e Espanha 1.200-1.850 (kWh/m².ano), onde projetos para aproveitamento de recursos solares, alguns contando com fortes incentivos governamentais, são amplamente disseminados (PEREIRA et al., 2006).

2.1.2.1.1 Comparação do potencial fotovoltaico encontrado no estado do Paraná com a Europa

Para comparação dos dados de Irradiação e de Produtividade Estimada Total Anual do estado do Paraná com a Europa, foi utilizado o Mapa Fotovoltaico do Estado do Paraná e o Mapa Fotovoltaico da Europa, ambos Total Anual. A Figura 7 mostra os dois mapas elaborados com as mesmas premissas, escala de valores e cores. Exceção quanto à orientação dos módulos fotovoltaicos, que no Paraná por estarem no hemisfério Sul são orientados para o Norte geográfico, enquanto que módulos instalados na Europa por estarem no hemisfério Norte são orientados para o Sul geográfico.

A comparação com a Europa é feita propositalmente. Primeiro em função dos mesmos critérios utilizados para elaboração dos mapas da Europa e do Paraná discutido, e segundo visto que atualmente é a região com a maior capacidade instalada Global de SFVCR, e que também possui seis entre os dez países com maior capacidade instalada. Entre os dez países com maior capacidade instalada global estão à Alemanha com 35,5 GW, Itália com 17,6 GW, Espanha com 5,6 GW, França com 4,6 GW, Bélgica com 3,0 GW e Reino Unido com 2,9 GW, os quais totalizam 69,2 GW ou aproximadamente 50% da capacidade instalada global que até 2013 foi de aproximadamente 139 GW. Ao comparar-se a Produtividade Estimada Total Anual Média apresentada por estes seis países em relação ao estado do Paraná, pôde-se verificar que a Média do Paraná é 58,75% superior à Alemanha, 13,48% superior à Itália, 1,97% superior à Espanha, 31,28% superior à França, 60,46% superior à Bélgica e 71,19% superior a do Reino Unido. Estes percentuais representam a quantidade Média Total Anual de energia elétrica que um SFVCR pode gerar a mais no Paraná em relação a cada um destes países (Tiepolo, 2015).

Figura 7 - Mapa Fotovoltaico do Estado do Paraná - Total Anual e Mapa Fotovoltaico da Europa.

2.2 SISTEMAS FOTOVOLTÁICOS

Os sistemas fotovoltaicos são responsáveis pela conversão direta da luz do sol em eletricidade, eles podem ser classificados em sistemas isolados ou conectados a rede elétrica. A Figura 8 - Tipos de sistemas fotovoltáicos ilustra a classificação dos tipos de sistemas fotovoltaicos.

Figura 8 - Tipos de sistemas fotovoltáicos Fonte: Urbanetz Jr (2010).

Os sistemas fotovoltaicos isolados são utilizados principalmente em locais sem acesso a rede elétrica convencional, seja por questões técnicas ou ambientais.

Já os sistemas conectados à rede elétrica, objeto deste estudo, podem ser aplicados junto ao ponto de consumo, no ambiente urbano, ou nas chamadas “fazendas solares”, que são as grandes usinas fotovoltaicas.

2.3 SISTEMAS FOTOVOLTAICOS CONECTADOS À REDE (SFVCR)

Sistemas conectados à rede são aqueles em que a potência produzida pelo gerador fotovoltaico é entregue diretamente a rede elétrica. Para isso é utilizado um inversor, que satisfaça as exigências da legislação em vigor, para que não haja uma degradação do sistema elétrico ao qual se conecta o gerador fotovoltaico.

A Seção 3.7 dos Procedimentos de distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional (PRODIST) refere-se ao acesso à rede por micro e minigeração distribuída e deve ser respeitada de forma cuidadosa por quem elabora

projetos de SFVCR’s. A instalação de um sistema conectado à rede deve seguir a norma específica da concessionária local de distribuição de energia elétrica, que de acordo com o PRODIST deve estar acessível na página da empresa na internet, com processo que se inicia pela solicitação de acesso.

O trabalho utiliza o sistema de medição bidirecional de registros independentes, Figura 9 - Medidor bidirecional de um sistema fotovoltaico, ou seja, a energia consumida e a energia injetada na rede de distribuição são registradas separadamente pelo medidor bidirecional.

A cada instante apenas o registro em um sentido será realizado, dependendo da diferença instantânea entre a demanda e a potência gerada. (PINHO; GALDINO, 2014).

Figura 9 - Medidor bidirecional de um sistema fotovoltaico Fonte: Pinho e Galdino (2014, p. 291).

2.3.1 Componentes do SFVCR

2.3.1.1 Módulo fotovoltaico

Unidade básica formada por um conjunto de células solares, interligadas eletricamente e encapsuladas, com o objetivo de gerar energia elétrica. O módulo é representado esquematicamente pela Figura 10 - Simbologia do módulo fotovoltaico.

Figura 10 - Simbologia do módulo fotovoltaico Fonte: NBR10899(2006)

Os módulos fotovoltaicos podem ser conectados em série, paralelo ou em ambos, conhecido como ligação mista. O conjunto dos arranjos em série, denomina-se como Fileira ou String, portanto, quando este é ligado em paralelo com outros conjuntos, ocorre o que chamamos de ligação mista.

2.3.1.2 Inversor Grid-Tie

Sua função é desempenhar um papel crucial em qualquer sistema de energia solar e são muitas vezes considerados os cérebros de um projeto, ele tem papel de fornecer energia elétrica em corrente alternada (CA) a partir de uma fonte de energia elétrica em corrente contínua (CC). CA é o padrão usado pelos aparelhos comerciais, razão pela qual, muitos inversores são visto como "porta de entrada" entre o sistema fotovoltaico (FV) e o consumo da energia.

O Inversor é representado pelo símbolo elétrico conforme a Figura 11.

Figura 11 - Símbolo elétrico do Inversor Fonte: NBR10899(2006)

A transferência da energia produzida diretamente ao quadro de distribuição de força do local é realizada pelos inversores de rede, conhecidos também como Grid-Tie ou Grid-Conected. No caso da geração distribuída, a energia produzida será injetada e utilizada enquanto houver luz solar. Porém, se a energia produzida pelos painéis não for suficiente para alimentar as cargas do sistema, elas irão buscar a

diferença na rede de distribuição. Mesmo assim, caso a carga não seja capaz de consumir toda energia produzida, a excedente será então injetada na rede.

Segundo RÜTHER 2004, para os inversores, a vida útil não acompanha a dos módulos fotovoltaicos, além da operação geralmente não demonstrar falhas de 10 até 12 anos de uso. As manutenções serão usualmente necessárias após esse período, além de que é recomendado que o local de instalação seja ventilado e limpo, a fim de dissipar o calor gerado na conversão de energia na forma de corrente alternada.

2.3.1.2.1 Seguidor do ponto de máxima potência (MPPT)

Durante o dia, o arranjo fotovoltaico é submetido a diferentes níveis de radiação e de temperatura e observa-se que o ponto de máxima potência varia dentro de uma faixa. Para a otimização do ponto de operação, onde é possível aumentar o rendimento da geração, utiliza-se um sistema de controle eletrônico, chamados de MPPT - Maximum Power Point Tracker, que opera de modo a regular a tensão e corrente de operação do arranjo fotovoltaico, a fim de obter o máximo do produto I x V.

Os principais inversores utilizados para a conexão de plantas solares ao sistema elétrico são os do tipo Grid Tie. Estes inversores são equipados com a função MPPT capaz de obter a máxima potência possível dos painéis solares comandados por ele, bem como com a função de sincronismo, responsável por realizar o sincronismo da usina com a rede elétrica (Beigelman, 2015).

3 ANÁLISE DA VIABILIDADE TÉCNICA

3.1 O PROJETO

Segundo Pinho e Galdino (2014, p. 298), "o projeto de um sistema fotovoltaico envolve orientação dos módulos, disponibilidade de área, estética, disponibilidade do recurso solar, demanda a ser atendida e diversos outros fatores".

3.1.1 Localização do Imóvel

A indústria madeireira está localizada na cidade de Curiúva – PR, na Estrada da Barrinha, CEP: 84280-000, com entrada para a Rodovia Eng. Ângelo Lopes – Pr 160.

Com auxilio do software do Google Earth verificou-se as coordenadas, conforme a Figura 12, onde a Latitude é -24,05°(Sul) e a longitude -50,44°(Oeste).

Figura 12 - Planta Situação da Madeireira

O empreendimento tem cerca de 1.065 metros de perímetro, sendo a área para utilização do painéis dividida em dois barracões, com duas entradas de serviço e medição, conforme Figura 13.

Figura 13 - Planta Situação dos Barracões

Fonte: Autoria própria, Adaptado do Google Earth 2017.

A Figura 14 mostra a visita ao padrão de entrada, e a Figura 15 apresenta os detalhes da medição, do Barracão 02. Para esse padrão é utilizado um transformador abaixador de 300kVA e tensão de 13,8kV Delta p/ 380V Estrela. A medição é feita dentro de uma Caixa EN e o seccionamento é feito por um disjuntor Termomagnético de 800A, ligado à carga, com capacidade de interrupção de 35kA dentro de uma caixa GN.

Figura 14 - Visita ao padrão de entrada do Barracão 02 Fonte: Autoria prórpia.

Figura 15 - Detalhe da Medição do Barracão 02 Fonte: Fornecida pelo proprietário.

A indústria está localizada em zona rural, portanto não terá obstrução de sombreamento por prédios vizinhos.

Ainda através do Google Earth obtém-se o desvio azimutal tendo como referência uma linha paralela às edificações, desta forma, encontrou-se como desvio azimutal de 347,95° ou 12,05° Oeste em relação ao Norte geográfico para Barracão 1, conforme Figura 16, e 323,73° ou 36,27° Oeste em relação ao Norte geográfico para Barracão 2 conforme Figura 17.

Figura 16 - Desvio azimutal Barracão 01

Fonte: Autoria própria, Adaptado do Google Earth 2017.

Figura 17 - Desvio azimutal Barracão 02

3.1.2 Localização dos Painéis Fotovoltaicos

Os módulos serão instalados conforme as áreas dos Barracões 01 e 02, sendo:

 Barracão 01: Área 1= 215m²; Área 2= 464m²; Área 3 = 200m² Área total 879m², conforme a Figura 18.

 Barracão 02: Área 1= 684m²; Área 2= 280m²; Área 3= 160m²; Área 4= 360m²

Área total 1.484m², conforme a Figura 19.

Figura 18 - Área Barracão 01

Fonte: Autoria própria, Adaptado do Google Earth 2017.

Figura 19 - Área Barracão 02 Fonte: Autoria própria (2017).

Para este estudo considera-se que os módulos ocupam toda a cobertura da indústria, seguindo o alinhamento do telhado, conforme a Figura 20, com exceção da Área 2 do Barracão 02 de 280m² e a área reservada, que será feito um estudo para colocar os módulos sobre a laje da cobertura e no solo, e calculado sua inclinação e espaçamentos.

Figura 20 - Vista em perspectiva dos módulos sobre a Área 01 do Barracão 02. Fonte: SketchUp 2016.

A seguir segue vista em perspectiva e frontal do empreendimento, conforme Figura 21 e Figura 22.

Figura 21 - Vista em perspectiva do empreendimento Fonte: SketchUp 2016.

Área 02: 280m².

Área Reservada

Figura 22 - Vista frontal do empreendimento Fonte: SketchUp 2016.

Como visto no Capítulo 2, a tecnologia de silício policristalino (p-Si) é mais usada e com melhor custo e benefício, consolidada e com grande eficiência comercialmente disponível. Sendo assim, será utilizado o módulo de p-SI CS6U-320p com potência de 320 Wp da fabricante CANADIAN SOLAR.

O módulo fotovoltaico tem C=1,96m x H=0,992m, conforme Figura 23 com área de 1,94432 m².

Figura 23 - Módulo de Silício policristalino CS6U-320p Fonte: CANADIAN SOLAR (2017).

Segundo Pinho e Galdino (2014, p. 364) a Equação1 permite a estimativa de distância mínima em que um objeto não gere sombra, principalmente, no momento de melhor irradiância, usualmente, entre as 9 horas e as 15 horas.

Equação 01

Onde:

d - distância mínima a ser mantida entre as fontes geradoras Fe - fator de espaçamento obtido pela Figura 24

hob - altura do obstáculo

hi - altura de instalação do painel.

Figura 24 - Espaçamento x Latitude

Fonte: Pinho et al. (2008) apud Pinho e Galdino (2014).

Conforme a Figura 25, para obter a altura hob, são necessárias as dimensões dos módulos, o fator de espaçamento conforme Figura 24 e o ângulo de inclinação do mesmo.

Figura 25 - Altura x Ângulo de inclinação Fonte: Autoria Própria (2017).

Compilando as informações, tem-se que, para a Área 2 do Barracão 02 e a Área reservada:

O painel instalado no sentido horizontal, terá espaçamento de d1 = 2,4xsen22x0,992 = 0,8918m e inclinação de 22°, seguindo-se a inclinação do alinhamento do telhado e desvio azimutal da edificação, conforme Equação 1.

3.1.3 Estudo da Radiação Local

Este levantamento será feito através do banco de dado do Atlas Brasileiro de Energia Solar (PEREIRA et al., 2006) que apresenta dados de irradiação solar do Brasil. Como a abrangência deste banco envolve uma área muito grande, a resolução não permite uma posição exata de latitude e longitude do local desejado. Assim, foram identificadas as coordenadas mais próximas, Latitude de 24,05° (Sul) e longitude -50,44° (Leste), conforme a Figura 26, os valores encontrados nesta coordenada adotada como sendo a mesma do local, conforme Figura 27.

Figura 26 - Irradiação Local Global Horizontal (Coordenadas mais próximas do local desejado) Fonte: Pereira et al. (2006).

Figura 27 - Distância entre coordenadas da madeireira com o Atlas Brasileiro de Energia Solar Fonte: Google Earth (2017).

Para estas coordenadas, obtém-se as médias diárias mensais e anual de irradiação em kWh/m², as quais são inseridas no software RADIASOL.

O RADIASOL utiliza internamente modelos matemáticos disponíveis na literatura, desenvolvidos por outros autores ou por integrantes do Laboratório da UFRGS. No programa os cálculos são realizados através de rotinas que determinam o efeito da inclinação da superfície receptora e da anisotropia da radiação solar em suas componentes direta e difusa. O usuário pode selecionar o modelo de distribuição da radiação e obterá na tela, imediatamente, um conjunto de dados adicionais na forma de tabelas ou gráficos. Curvas ou tabelas podem ser exportadas através da área de transferência do WINDOWS para outros aplicativos, onde poderão ser utilizadas para cálculos em projetos ou para apresentação de relatórios (LABSOL, 2015).

Figura 28 - Banco de dados do ATLAS Brasileiro inserido no software RADIASOL Fonte: RADIASOL (2017).

Através do RADIASOL foi simulada a irradiação incidente em Wh/m² e foi considerado o azimute de 12,05° Oeste para Barracão 01 e 36,27° Oeste para Barracão 2. O ângulo de inclinação dos módulos fotovoltaicos é de 22°, que é o ângulo de inclinação da cobertura da edificação, sendo este então instalado junto ao nível do telhado, obtendo-se assim respectivamente uma média anual de 5.542,3 Wh/m².dia e 5.472,05 Wh/m².dia, conforme Figura 31 e Figura 34

Foi também extraído do programa dados quanto à radiação solar horária, onde se consegue observar os níveis de radiação durante o decorrer do dia, conforma a Figura 29 e Figura 32. As Figura 30 e Figura 33 mostram os níveis de radiação solar diária em kWh/m².dia do local estudado.

Figura 29 - Radiação Solar Barracão 01 Fonte: Radiasol (2017).

Figura 30 - Radiação Solar Diária Média Mensal no Barracão 01 Fonte: Radiasol (2017).

Figura 31 - Irradiância mensal local Barracão 01 em Wh/m².dia Fonte: Radiasol (2017).

Radiação Solar Diária (kWh/m²)

0 2 4 6 8 J F M A M J J A S O N D 22 12

JANEIRO FEVEREIRO MARCO ABRIL MAIO JUNHO JULHO AGOSTO SETEMBRO OUTUBRO NOVEMBRO DEZEMBRO ANUAL

5886 5953 5881 5498 4415 4464 4819 5414 5669 6064 6229 6216 5542,3

Figura 32 - Radiação Solar Barracão 02 Fonte: Radiasol (2017).

Figura 33 - Radiação Solar Diária Média Mensal no Barracão 02 Fonte: Radiasol (2017).

Figura 34 - Irradiância mensal local Barracão 02 em Wh/m².dia Fonte: Radiasol (2017).

Radiação Solar Diária (kWh/m²)

0 2 4 6 8 J F M A M J J A S O N D 22 36

JANEIRO FEVEREIRO MARCO ABRIL MAIO JUNHO JULHO AGOSTO SETEMBRO OUTUBRO NOVEMBRO DEZEMBRO ANUAL

5919 5945 5825 5382 4287 4293 4633 5254 5583 6036 6249 6264 5472,5

3.1.4 Normativa 482/2012 e 687/2015

Conforme Normativa 482 de 17 de abril de 2012, com redação da 687 de 24 de novembro de 2015, disposta pela ANEEL, ficou definida que:

 Minigeração distribuída: central geradora de energia elétrica, com potência instalada superior a 75 kW e menor ou igual a 3 MW para fontes hídricas ou menor ou igual a 5 MW para cogeração qualificada, conforme regulamentação da ANEEL, ou para as demais fontes renováveis de energia elétrica, conectada na rede de distribuição por meio de instalações de unidades consumidoras.

 A potência instalada da microgeração e da minigeração distribuída fica limitada à potência disponibilizada para a unidade consumidora onde a central geradora será conectada, nos termos do inciso LX, art. 2º da Resolução Normativa nº 414, de 9 de setembro de 2010.

 Caso o consumidor deseje instalar central geradora com potência superior ao limite estabelecido no §1º, deve solicitar o aumento da potência disponibilizada, nos termos do art. 27 da Resolução Normativa nº 414, de 9 de setembro de 2010, sendo dispensado o aumento da carga instalada.

 É vedada a divisão de central geradora em unidades de menor porte para se enquadrar nos limites de potência para microgeração ou minigeração distribuída, devendo a distribuidora identificar esses casos, solicitar a readequação da instalação e, caso não atendido, negar a adesão ao Sistema de Compensação de Energia Elétrica.

 Para fins de compensação, a energia ativa injetada no sistema de distribuição pela unidade consumidora será cedida a título de empréstimo gratuito para a distribuidora, passando a unidade consumidora a ter um crédito em quantidade de energia ativa a ser consumida por um prazo de 60 (sessenta) meses.

 No faturamento de unidade consumidora integrante do sistema de compensação de energia elétrica devem ser observados os seguintes procedimentos: i) deve ser cobrado, no mínimo, o valor referente ao custo de disponibilidade para o consumidor do grupo B, ou da demanda

contratada para o consumidor do grupo A, conforme o caso; ii) em cada unidade consumidora participante do sistema de compensação de energia elétrica, a compensação deve se dar primeiramente no posto tarifário em que ocorreu a geração e, posteriormente, nos demais postos tarifários, devendo ser observada a relação dos valores das tarifas de energia – TE (R$/MWh), publicadas nas Resoluções Homologatórias que aprovam os processos tarifários, se houver; iii) os créditos de energia ativa expiram em 60 (sessenta) meses após a data do faturamento e serão revertidos em prol da modicidade tarifária sem que o consumidor faça jus a qualquer forma de compensação após esse prazo; iv) os créditos são determinados em termos de energia elétrica ativa, não estando sua quantidade sujeita a alterações nas tarifas de energia elétrica;

 Os custos de adequação do sistema de medição para a conexão de minigeração distribuída e de geração compartilhada são de responsabilidade do interessado.

 A distribuidora deverá adequar o sistema de medição e iniciar o sistema de compensação de energia elétrica dentro do prazo para aprovação do ponto de conexão, conforme procedimentos e prazos estabelecidos na seção 3.7 do Módulo 3 do PRODIST.”

3.1.5 Levantamento do Consumo da Indústria

Primeiramente, será analisado o modelo de cobrança da fatura da Copel, calculando os valores dispostos na conta de energia elétrica e, posteriormente, dimensionar um sistema fotovoltaico compatível à necessidade do consumidor em questão, para saber quanto de energia solar ele irá precisar.

Este consumidor, por ser industrial, está enquadrado no Grupo A (Grupo Alta Tensão), pois sua tensão contratada é de 13,8 kV. Dentro das modalidades de cobrança tarifária, esse consumidor está classificado como ‘Modalidade Tarifária Horária Verde’.

O cliente possui duas entradas de serviços para atender a demanda de cada Barracão, logo, ele possui duas faturas de cobrança conforme a Figura 35 (Barracão 01) e Figura 36 (Barracão 02).

Figura 35 – Fatura do Barracão 01 Fonte: Acervo próprio

Figura 36 – Fatura do Barracão 02 Fonte: Fornecido pelo Cliente (2017)

Conforme capítulo 3.1.4 Normativa 482 e 687/2012, a compensação de energia para cliente do Grupo A se dá pela demanda contratada pela concessionária. Este consumidor contrata 130 kW de potência para o Barracão 1 e 245 kW para o Barracão 2, portanto, estes são os limites máximos de potência disponível para cada unidade consumidora em relação ao SFVCR que será implantado.

Em linhas gerais, os postos tarifários fora de ponta e ponta, ficam estabelecidos nos seguintes intervalos (COPEL, 2017):

 Horário de Ponta (P) ou “horário de pico”: é o período definido pela COPEL e composto por três horas diárias consecutivas, durante o qual o consumo de energia elétrica tende a ser maior. No caso da Copel, de 2ª a 6ª feira das 18h às 21h (das 19h às 22h no Horário de Verão). São considerados exceções os sábados, domingos, terça-feira de carnaval,

sexta-feira da Paixão, "Corpus Christi" e demais feriados definidos por lei federal, considerando as características do seu sistema elétrico.  Horário Fora de Ponta (F): conhecido como “horário fora de pico”, é o

intervalo de tempo que não o de três horas consecutivas definidas no Horário de Ponta.

O grupo gerador abaterá, prioritariamente, o consumo energético do mesmo intervalo horário em que ele gera energia elétrica. O sistema fotovoltaico apenas gera energia durante o dia, que corresponde ao posto tarifário ‘fora de ponta’; e também Conforme a Figura 29 e Figura 32 “Radiação Solar Horária” observou que a radiação após as 6h da tarde se aproxima de zero. Por isso, na descrição da conta de energia, buscou-se apenas valores de consumo FORA DA PONTA em kWh

O levantamento do consumo é adquirido pelo histórico de energia elétrica do cliente nos últimos 12 meses, conforme a Tabela 1 e a Tabela 2, desta forma pode-se analisar e calcular o consumo médio anual em kWh/mês.

Tabela 1 - Histórico do consumo (Barracão 01) BARRACÃO 1

DEMANDA CONTRATADA: 130kW

Mês/Ano Fatura Cons. Ponta Cons. Fora Pta.

dez/15 49.477,94 288 75.468 jan/16 30.504,41 271 43.622 fev/16 35.437,99 277 52.669 mar/16 39.712,16 304 63.307 abr/16 31.897,50 267 51.801 mai/16 33.605,18 286 56.260 jun/16 40.377,94 406 69.124 jul/16 34.886,75 463 68.354 ago/16 34.569,42 397 69.257 set/16 35.645,23 450 73.060 out/16 33.609,33 358 68.854 nov/16 32.612,46 428 65.191 Média 36.028,03 350 63.081

Tabela 2 - Histórico do consumo (Barracão 02) BARRACÃO 2

DEMANDA CONTRATADA: 245kW

Mês/Ano Fatura Cons. Ponta Cons. Fora Pta.

dez/15 32.139,43 450 44.510 jan/16 19.295,90 368 23.412 fev/16 31.109,00 426 43.103 mar/16 28.720,75 518 40.904 abr/16 28.884,64 476 41.896 mai/16 26.599,03 370 39.754 jun/16 28.502,05 401 43.278 jul/16 22.670,10 374 38.191 ago/16 24.438,69 388 36.903 set/16 24.529,26 395 40.936 out/16 18.506,85 319 31.731 nov/16 21.135,02 310 37.200 Média 25.544,23 400 38.485

Fonte: Autoria própria.

3.1.6 Energia elétrica gerada pelos módulos

Para verificar a energia elétrica gerada pelo conjunto de módulos Pfv (kWp) é necessário avaliar o consumo requerido diariamente pelo cliente, onde é dado pela equação 2.

Equação 2

Onde:

Pfv – é a potencia fotovoltaica gerada; E – é a energia diária consumida;

– é a média diária da Irradiação anual no plano inclinado;

PR – Performance Ratio, Segundo Urbanetz Jr (2015), este rendimento está entre 70% a 80%; G – Irradiância na condição STC (temperatura do módulo a 25°C e espectro solar para AM = 1,5), nessas condições G=1 kW/m².

Para este estudo a irradiação média anual “ ”, e a potência FV “Pfv” gerada (limitada ao valor de demanda contratada), para o Barracão 1 e 2 foi respectivamente

5.542,3 Wh/m².dia e 5.472,05 Wh/m².dia, e 130kWp e 245kWp. Neste trabalho adotou-se o índice Perfomace Ratio “PR” 75%.

Desta Forma calculou-se a quantidade de energia gerada por estes sistemas, chegando ao valor médio anual diário de 540,37kWh/dia para Barracão 1, conforme Tabela 3, e 1005,53kWh/dia para Barracão 2, conforme Tabela 4.

Tabela 3 - Energia Gerada (Barracão 01 ) Barracão 1

E= energia diária gerada 540,3743 kWh/dia

H = Irradiação anual no plano inclinado 5,5423 kWh/m².dia

PR= performance ratio 0,75 %

G= irradiância na condição STC 1 kW/m²

Pfv = Potência fotovoltaica instalada 130 kWp Fonte: Autoria própria (2017).

Tabela 4 - Energia Gerada (Barracão 02) Barracão 2

E= energia diária gerada 1005,536 kWh/dia

H = Irradiação anual no plano inclinado 5,472305 kWh/m².dia

PR= performance ratio 0,75 %

G= irradiância na condição STC 1 kW/m²

Pfv = Potência fotovoltaica instalada 245 kWp Fonte: Autoria própria (2017).

A economia de energia no horário fora de ponta pode chegar até 26% para o Barracão 1 e 80% para Barracão 2, conforme a Tabela 5 e Tabela 6.

Tabela 5 - Economia de Energia (Barracão 01) BARRACÃO 1

DEMANDA CONTRATADA: 130kW

Mês/Ano Fatura Cons. Ponta Cons. Fora Pta. Energia FV (KWh/mês) % Economia Energia

Média 36.028,03 349,58 63.080,58 16.481,41 26%

Fonte: Autoria própria (2017).

Tabela 6 - Economia de Energia (Barracão 02) BARRACÃO 2

DEMANDA CONTRATADA: 245kW

Média 25.544,23 399,58 38.484,83 30.668,85 80% Fonte: Autoria própria (2017).

3.1.6.1 Quantidade de módulos FV

O cálculo da quantidade de módulos fotovoltaicos, e a área quadrada ocupada, é definido conforme equação 3:

Equação 3

° ó = _{ê ó}

Equação 4

á ó ( ) = á ó ( ) ∗ ó

Os dados da Equação 3 e Equação 4 servem de apoio para realizar uma estimativa da quantidade de módulos sobre a cobertura dos Barracões:

 Para o Barracão 1, sendo 130kW a Demanda Contratada e 320Wp a potência do módulo, o número de módulos FV será de aproximadamente 406, conforme Equação 3, e sendo área do módulo 1,94432 m² e o número de módulos FV encontrada anteriormente, então a área ocupada pelos módulos será de 789,39m², conforme Equação 4. Conforme a Figura 18 a área do Barracão 01 é de 879m², portanto os valores encontrado estão dentro do limite da área ocupada pelos módulos.  Para o Barracão 2, sendo 245kW a Demanda Contratada e 320Wp a

potência do módulo, o número de módulos FV será de aproximadamente 765, conforme Equação 3, e sendo área do módulo 1,94432 m² e o número de módulos FV encontrada anteriormente, então a área ocupada pelos módulos será de 1487,4m², conforme Equação 4. Conforme a Figura 19 a área do Barracão 02 é de 1484m², portanto para esses valores encontrado o número de módulos está fora do limite da área ocupada pelos módulos. Para isso, foi realizado um estudo posicionando os módulos sobre a cobertura da indústria e dispondo uma área em solo para a instalação dos módulos FV, conforme o Capítulo 3.1.2.

O telhado para instalação dos módulos é do tipo: telha de zinco, conforme a Figura 37, sendo que as estruturas com os módulos terá peso aproximado sobre o

telhado de (peso do módulo 22Kg + peso da estrutura 2,5Kg/módulo) 12,56 kg/m², com os Trilhos para fixação dos painéis em alumínio, consultar ANEXO E.

Figura 37 - Telha de Zinco Fonte: GALVISTEEL (2017).

As disposições dos painéis na estrutura podem ser consultadas na Figura 39 e Figura 40.

3.1.7 Dimensionamento do inversor

Inversores adequados devem atender alguns critérios mínimos de proteção, segundo o item 5 da seção 3.3 modulo 3 do PRODIST (ANEEL, 2012), conforme mostra a Tabela 7. Incluía exigência de um transformador de acoplamento para isolação galvânica entre o lado CC com o lado CA, e também os geradores da central geradora de energia devem estar acoplados ao sistema de distribuição da acessada através deste transformador.

Para Almeida (2012) esse último é controverso, pois por um lado tem a necessidade de aterramento do sistema, do outro a inserção deste equipamento diminui a eficiência global.

Tabela 7 - Proteção mínima em relação a potência instalada

Fonte: PRODIST (ANEEL, 2012).

Para este estudo será utilizado inversores sem transformadores devido a sua maior eficiência e baixo custo. Neste caso será utilizado o inversor da marca FRONIUS ECO 25-0-3-S WLAN/LAN/WEBSERVER PROTEÇÃO SURTO.

3.1.8 Dimensionamento das Séries (strings)

Para dimensionar os strings primeiramente deve-se levar em consideração os dados técnicos do inversor. Neste caso foi extraído do catálogo: inversor Fronius 25k eco, vide ANEXO A, conforme Tabela 8.

Tabela 8 - Dados do Inversor Dados Técnicos do Inversor Fronius ECO 25 Idc - Max. Corrente entrada 44,2A Icc - Max. Corrente de Curto-Circuito 66,3A Vdc(min) - Min. Tensão de Entrada 580 Vdc(max) - Max. Tensão de Entrada 1000V Vmpp - Faixa de Tensão MPP 580-850V

Rastreadores MPP 1

Fonte: Adaptado do Catalogo Fronius 25k.

Também, deve-se utilizar os dados do catálogo do módulo FV. Neste caso foi extraído do catálogo: Canadian CS6U-320p, vide ANEXO C, conforme Tabela 9.

Tabela 9 - Dados do módulo FV Dados Técnicos do módulo FV Canadian 320p

Pn -Potência nominal 320Wp

Vmp - Tensão operação ideal 36,8V Imp - Corrente de operação Ideal 8,69A Voc - Tensão de circuito aberto 45,3V Isc - Corrente de Curto-Circuito 9,26A

Tensão máxima do sistema 1000V

Fonte: Adaptado do Catalogo CS6U-320p.

Segundo Pinho e Galdino (2014, p. 333), o máximo de módulos que deverá ser associado em série deve respeitar a tensão máxima suportada pelo inversor, neste caso, Vdcmax = 1.000 V, dividido pela tensão de circuito aberto do módulo Voc = 45,3 V, além disso, deve-se verificar se a tensão nominal MPPT do inversor é maior que a tensão de potência máxima do Vmppt (V) vezes o número de módulos, desta calcula-se conforme Equação 5: Equação 5 ° é = ° é =1000_{45,3 ≈ 20} ∗ ° é < 36,8 ∗ 20 < 850 736 < 850

Logo a string com 20 módulos em série atende os requisitos para a instalação e dentro da Faixa de operação MPPT.

Da mesma forma, para associação em paralelo a corrente de curto circuito do modulo Isc (A) vezes a quantidade do mesmo deve ser menor que a corrente de curto circuito máxima por MPPT Icc (A), conforme Equação 6:

Equação 6

∗ ° <

° < 66,3_9,26

Neste caso foi considerado 4 string em paralelo, assim cada string terá Pstring=6.400Wp conforme a equação 7, logo totaliza-se Pin=25.600Wp de potência de entrada, conforme Equação 8.

Equação 7 ∗ ° é = 320 ∗ 20 = 6.400 Equação 8 ° ∗ = 4 ∗ 6400 = 25.600

Logo, como a potência nominal do inversor é de 25kVA, percebe-se que estes limites estão dentro do valor tolerado pelo mesmo.

As strings foram arranjadas de tal forma que os módulos fotovoltaicos utilizassem um número mínimo de inversores, visto que é um equipamento caro, conforme a Figura 38 - Diagrama Unifilar do Ramal (25kWp).

Para o Barracão 1 de 130kW serão utilizados: 5 inversores de 25 kVA, de modo que serão utilizados 4 strings ligados em paralelo de 20 módulos de 320Wp em série, total de 80 módulos por equipamento, e 1 inversor de 5kVA, de tal forma que será utilizado 1 string ligado em série de 16 módulos de 320Wp.

Para o Barracão 2 de 245kW serão utilizados: 9 inversores de 25kVA de tal forma que serão utilizados 4 strings ligados em paralelo de 20 módulos 320Wp em série, total de 80 módulos por equipamento, e 1 inversor de 20KVA será utilizados 4 strings ligados em paralelo de 16 módulos de 320W em série, total de 64módulos.

Figura 38 - Diagrama Unifilar do Ramal (25kWp) Fonte: Autoria Própria (2017).

Para o dimensionamento dos inversores de 5kVA e 20kVA foi decorrido o mesmo procedimento acima do inversor de 25kVA.

O arranjo final de como ficara os módulos é dado na Figura 39 (Barracão 01) e Figura 40 (Barracão 02).

Figura 39 - Disposição dos módulos FV sobre o telhado do Barracão 01 Fonte: Autoria própria.

Figura 40 - Disposição dos módulos FV sobre o telhado do Barracão 02 Fonte: Autoria própria.

Percebe-se que os módulos serão instalados todos na posição retrato e para Barracão 02 Arranjo 02 e Arranjo reservado, foi feito estudo para posicionar os módulos na posição paisagem espaçados de 1,02m.

Após definido o layout dos módulos consegue-se verificar a quantidade exata do mesmo. Assim, para o Barracão 01 será instalado 416 módulos FV, e consequentemente para o Barracão 02 será instalado 784 módulos FV, totalizando 130kWp instalado para o primeiro e 245kWp para o segundo.

3.1.9 Dimensionamento de cabos

3.1.9.1 Dimensionamento dos condutores no lado CC

O dimensionamento de condutores CC é apresentada por Urbanetz Jr (2015), de acordo com a Equação 10.

Equação 10

Onde:

l - comprimento do condutor CC (m); P - Potência total do circuito (Wp); V - Tensão no Barramento CC (V); ΔV - Queda de tensão admitida (%); I - corrente de curto circuito no barramento CC (A).

Considerando que todos os inversores ficarão instalados na área técnica coberta, situada na cobertura, tem-se;

Para as strings até os inversores do Barracão 1 e 2 Admitindo os valores calculados na Tabela 10, obteve-se como seção mínima cabo de 6mm², logo serão utilizados cabo flexível Unipolar de cobre estanhado com isolação em HEPR resistência CC Max. à 90° e com proteção UVB e cobertura em PVC conforme Figura 41, [CABO SOLAR NEXANS ENERGYFLEX BR 0,6/1KV (1500 V DC) PRETO].

Figura 41 - Parâmetros elétricos Fonte: Nexans (2017).

Tabela 10 - Dimensionamento Cabo CC 100 Comprimento do Condutor de CC (m) 25600 Potência total do Circuito (W)

736 Tensão do barramento CC(V) 4 Queda de tensão admitida (%) 4,20604915 mm²

37,04 Corrente Max Isc do circuito (A)

6 mm²

3.1.9.2 Dimensionamento dos condutores no lado CA

Em conformidade a NBR5410 o dimensionamento do cabo CA segue as Equações 11, 12 e 13:

Equação 11

Onde:

Ip - corrente de projeto (A);

S - potencia aparente do transformador; V - tensão nominal do transformador.

Equação 12

Onde:

Ic - corrente corrigida (A); Ip – corrente de projeto (A);

FTC - fator de correção de Temperatura, conforme NBR5410, FTC a 65°C no cabo EPR °C é 0,65; FCA - fator de correção de agrupamento conforme NBR5410, FCA no método E/F é 1.

Equação 13

Onde:

%ΔV - queda de tensão tem que ser <1%; L - comprimento do cabo(m);

%V - queda de tensão unitária do condutor (%); Ip - corrente do projeto (A);

V - tensão nominal(V).

Admitindo-se os valores calculados na Tabela 11 e em conformidade com a Tabela 12, Cabos multipolares com três condutores carregados, obteve-se como

seção mínima cabo com 16mm², logo dos inversores até o Quadro de Distribuição do Barracão 1 e 2 serão utilizados cabo flexível de cobre com isolação em EPR 90°, e especificação técnica #16T10mm².

Tabela 11 - Dimensionamento Cabo CA

Fonte: Autoria própria (2017).

Tabela 12 - Capacidades de condução de corrente, em ampéres, para os métodos de referência E, F e G

Fonte: Tabela 38, NBR 5410.

3.1.10 Dimensionamento do Disjuntor

Para o dimensionamento do disjuntor do lado CC e CA, utiliza-se a Equação 14:

TRECHO S(VA) Vn(V) Ip FTC FCA Ic L(m) EPR°90cabo %V % V INV-QD 25000 380 37,9835703 0,65 1 58,4362621 20 16mm² 3,2 0,63972329

Equação 14

Onde;

Ic - corrente corrigida (A);

Idisj - corrente nominal do disjuntor;

Icabo - máxima corrente que o cabo suporte;

Desta forma temos que;

37,04 < Idisj < 65A

Portanto, a Idisj CC corrente nominal do disjuntor que está neste intervalo é de 50 A

Para o dimensionamento do disjuntor Do lado CA utiliza-se também a Equação 14:

Desta forma temos que;

58,43 < Idisj < 85A

Portanto, A Idisj CA corrente nominal do disjuntor que está neste intervalo é de 70 A.

3.2 ACESSO A CONCESSIONÁRIA LOCAL

Segundo a NTC905200 (COPEL, 2014) para unidades geradoras classificadas como minigeração, de 70kW até 3MW, deverão apresentar requisitos mínimos conforme a Figura 42.

Figura 42 - Acesso de micro geração fotovoltaica com uso de inversor Fonte: COPEL (2012).

O ponto de conexão do sistema com a COPEL é no quadro geral de baixa tensão (QGBT) a jusante da medição, desta forma, para evitar o uso de três disjuntores no QGBT, é necessário um barramento de paralelismo no lado CA dentro do QD.

O ANEXO D e F mostra o diagrama unifilar geral do sistema elétrico proposto para a indústria e o equipamento de proteção contra Sobretensão para os inversores.