Aula11

UNIVERSIDADE FEDERAL DE

SÃO JOÃO DEL-REI

ENERGIAS RENOVÁVEIS – TE

ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA

Sumário

1. Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede

2. Projeto de Sistemas Fotovoltaicos

3. Exemplos

4. Bibliografia

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Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede

Os Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede

dispensam o uso de acumuladores, pois a energia por eles

produzida pode ser consumida diretamente pela carga, ou

injetada diretamente na rede elétrica convencional, para ser consumida pelas unidades consumidoras conectadas ao sistema de distribuição.

Estes sistemas são, basicamente, de um único tipo e são aqueles em que o gerador fotovoltaico representa uma fonte complementar ao sistema elétrico ao qual está conectado.

Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede

As potências instaladas vão desde poucos kWp em

instalações residenciais, até alguns MWp em grandes sistemas operados por empresas. Estes sistemas se diferenciam quanto à forma de conexão à rede, que, dentre outras características,

depende também da legislação local vigente.

Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede

Como exemplo, é apresentado o projeto do Estádio Solar de Pituaçu (Figura 1). O projeto faz parte do programa de eficiência energética da distribuidora Coelba, com apoio do Governo do Estado da Bahia. A construção foi finalizada em março de 2012.

Parte da energia elétrica gerada é destinada ao funcionamento do estádio. Módulos de silício amorfo foram instalados na cobertura do estádio (238 kWp) e módulos de

silício monocristalinos foram instalados sobre o telhado dos vestiários e em uma área de estacionamento (170 kWp),

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Figura 1 – Sistema fotovoltaico instalado no estádio Pituaçu, BA.

Figura 1 – Sistema fotovoltaico instalado no estádio Pituaçu, BA.

Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede

No Brasil, os sistemas fotovoltaicos enquadrados como

sistemas de micro e minigeração, são regulamentados pela Resolução Normativa Aneel Nº 482/2012, e devem atender aos Procedimentos de Distribuição (PRODIST), e às normas de acesso das distribuidoras locais.

A Resolução 482 estabelece as condições gerais para o acesso de microgeração e minigeração distribuídas aos sistemas de distribuição de energia elétrica e o sistema de compensação de energia elétrica, cujas definições são vistas a seguir.

Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede

 Microgeração distribuída: central geradora de energia

elétrica, com potência instalada menor ou igual a 75 kW e que utilize fontes com base em energia hidráulica, solar, eólica, biomassa ou cogeração qualificada, conforme regulamentação da Aneel, conectada na rede de distribuição

por meio de instalações de unidades consumidoras.

 Minigeração distribuída: central geradora de energia elétrica,

com potência instalada superior a 75 kW e menor ou igual a 5 MW para fontes com base em energia hidráulica, solar, eólica, biomassa ou cogeração qualificada, conforme regulamentação da Aneel, conectada na rede de distribuição por meio de instalações de unidades consumidoras.

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 Sistema de compensação de energia elétrica

Sistema no qual a energia ativa injetada por unidade consumidora com microgeração distribuída ou minigeração distribuída é cedida, por meio de empréstimo gratuito, à distribuidora local e, posteriormente, compensada com o consumo de energia elétrica ativa dessa mesma unidade

consumidora ou de outra unidade consumidora de mesma

titularidade da unidade consumidora onde os créditos foram gerados, desde que possua o mesmo Cadastro de Pessoa Física (CPF) ou Cadastro de Pessoa Jurídica (CNPJ) junto ao Ministério da Fazenda.

São considerados na resolução 482 dois tipos de medição da energia, apresentadas a seguir.

Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede

- Medição bidirecional de registros independentes

Neste caso, exemplificado pela Figura 2, a energia consumida e a energia injetada na rede de distribuição são registradas separadamente pelo medidor bidirecional (ou por dois medidores que medem a energia em cada sentido). A cada instante, apenas o registro em um dos sentidos será realizado,

dependendo da diferença instantânea entre a demanda e a potência gerada pelo sistema fotovoltaico.

Este é o tipo de registro requerido pela Aneel na regulamentação em vigor. A Aneel estipulou ainda, que as unidades consumidoras do grupo B, onde os consumidores residenciais estão incluídos, não podem ser cobradas pelo excedente de reativos devido ao baixo fator de potência.

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Figura 2 – Medição bidirecional de registros independentes (a) com a utilização de um medidor bidirecional e (b) com a utilização de dois medidores unidirecionais.

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- Medições simultâneas

Quando se deseja ter informações mais precisas sobre o consumo de energia e a produção do sistema fotovoltaico, deve-se adotar este tipo de medição. Conforme pode ser visto na Figura 3, a medição da energia gerada pelo sistema fotovoltaico é independente da medição de energia consumida pela unidade consumidora. No tipo de medição do item anterior, a energia medida é a energia líquida, ou seja, a gerada menos a consumida.

Na condição de medição simultânea, toda a energia gerada é medida, assim como toda a energia consumida. Os cálculos do balanço energético são realizados posteriormente, pela distribuidora. A medição simultânea também é prevista na regulamentação da Aneel.

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Figura 3 – Medições simultâneas.

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- Tarifação

Para um exemplo de tarifação, são apresentadas as

faturas de duas unidades vinculadas ao mesmo CPF (Figura 4). Na primeira unidade, unidade geradora, a energia injetada é superior à consumida, sendo o saldo enviado para a segunda unidade, unidade remota.

O saldo a ser enviado para a unidade remota desconta o consumo mínimo da unidade geradora, apesar do pagamento, pelo cliente, do custo da disponibilidade, que é de 50 kWh para o sistema bifásico analisado. Ao invés do saldo da unidade

remota crescer 108 e 195 kWh nos meses de janeiro e fevereiro, respectivamente, o aumento é de apenas 58 e 145 kWh.

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Figura 4a – Fatura de energia da unidade geradora no mês de Janeiro.

Saldo – 145 kWh gerados a mais Apesar do custo de disponibilidade, o

Saldo acumulado aumentou 58 kWh (145 kWh – 87 kWh)

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Figura 4c – Fatura de energia da unidade geradora no mês de Fevereiro.

Saldo – 167 kWh gerados a mais

Saldo acumulado aumentou 145 kWh (167 kWh – 22 kWh)

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Os Sistemas Fotovoltaicos Integrados a Edificações fazem parte de uma categoria relativamente nova no Brasil, mas que já é uma realidade em vários países do mundo. Na Europa, especialmente, esta é uma vertente para a aplicação de sistemas fotovoltaicos que vem prosperando bastante.

Há projeções de que em 2050 na Europa se consiga alcançar um patamar de eficiência energética de forma a reduzir em 50 % os gastos com aquecimento e ar condicionado de ambientes em relação aos valores verificados em 2012, por meio da utilização da geração próxima à carga e da adoção conjunta de projetos, construções e uso de materiais que privilegiem o melhor uso da energia, sem, contudo, penalizar o bem-estar dos usuários

Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede

Esses sistemas dispensam a criação de novos espaços para sua instalação, pois podem ser aplicados em edificações já existentes, sobre os telhados ou fachadas, servindo não apenas como fontes de energia, mas como elementos de sombreamento e diferencial arquitetônico da própria construção, como mostra a Figura 5.

Podem também ser melhor aproveitados quando definidos ainda na fase de projeto da edificação, por exemplo,

substituindo o telhado convencional, diminuindo o custo final da obra. Do ponto de vista arquitetônico, são uma importante opção, já que os geradores fotovoltaicos podem ser encontrados no mercado internacional com diversas cores, formatos e graus de flexibilidade mecânica.

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Figura 5 – Sistemas fotovoltaicos integrados a edificações.

Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede

A grande vantagem dos sistemas fotovoltaicos integrados a edificações reside no fato de que a energia gerada pode ser totalmente utilizada na edificação, reduzindo perdas com transmissão e distribuição, além de diminuir o consumo de energia proveniente da rede da concessionária.

No que concerne à viabilidade econômica, estes ainda não alcançaram a paridade tarifária no Brasil e o custo de aquisição e instalação destes sistemas ainda inibe o seu desenvolvimento no país.

No Brasil, os SFIEs podem ser enquadrados na

classificação de micro ou minirredes (até 5 MW), ou na categoria de autoprodutores de energia.

Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede

Desde que foi criada, no final de 2015, a modalidade de

geração compartilhada tem possibilitado que mais

consumidores economizem em sua conta de energia, uma vez que, antes, estes consumidores não tinham condições pelas modalidades de geração distribuída existentes inicialmente.

Isso ocorreu, mais precisamente, em 24 de novembro de 2015, quando a Aneel publicou a sua Resolução Normativa Nº 687, a qual alterava alguns artigos da sua primeira RN482, publicada em abril de 2012, a qual criou as regras do segmento de geração distribuída no Brasil.

Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede

A modalidade de Geração Compartilhada é caracterizada pela união de consumidores dentro da mesma área de concessão ou permissão da distribuidora, por meio de consórcio ou cooperativa, composta por pessoa física ou jurídica, que possua unidade consumidora com microgeração ou minigeração distribuída em local diferente das unidades consumidoras nas quais a energia excedente será compensada.

Exemplo: Moradores de um prédio residencial, comercial ou

grupo de lojistas, os quais não tem área disponível no local de consumo para instalar um sistema fotovoltaico, se unem para instalá-lo em um terreno em local distinto (como um sítio na zona rural, por exemplo) e a energia gerada será compensada nas devidas unidades consumidoras dos participantes, como exemplifica a Figura 6.

Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede

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Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede

Usinas fotovoltaicas podem atingir potências da ordem de MWp, podendo ser operados por produtores independentes e sua conexão com a rede é, em geral, feita em média tensão, por exemplo, 13,8 ou 34,5 kV.

Caso seja uma geração associada a uma unidade consumidora, com potência instalada até 5 MWp, então poderá ser enquadrada como minigeração na RN 482.

A Figura 7 mostra o esquema de um sistema deste tipo, onde é evidenciada a presença de um transformador para elevar a tensão.

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Figura 7 – Sistemas de grande porte / primeira usina fotovoltaica do Brasil.

Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede

As usinas fotovoltaicas tem se apresentado como uma

opção viável para países que dependem de importação de combustíveis fósseis para geração de energia elétrica e que vislumbram na energia solar, uma solução para mitigar esta carência e, ao mesmo tempo, preservar o meio ambiente pela menor emissão de gases poluentes, além de favorecer a criação de novos postos de trabalho.

Países como Alemanha, Itália, Espanha e Portugal

adotaram esta opção e hoje se destacam na geração de energia elétrica através de UFVs. A primeira usina fotovoltaica implantada no Brasil (em 2011) foi um empreendimento privado, da empresa MPX, localizado no município de Tauá-CE, a cerca de 360 km de Fortaleza, Figura 7.

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Figura 8 – Usina fotovoltaica de Tanquinho (primeira do estado de São Paulo), com 1,1 MWp.

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Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede

Projeto de Sistemas Fotovoltaicos

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.

Através do projeto pretende-se adequar o gerador fotovoltaico às necessidades definidas pela demanda. O dimensionamento de um sistema fotovoltaico (SFV) é o ajuste entre a energia radiante recebida do Sol pelos módulos fotovoltaicos e a necessidade de suprir a demanda de energia elétrica.

Projeto de Sistemas Fotovoltaicos

Antes de prosseguir descrevendo etapas de um projeto, é necessário fazer uma separação entre sistemas fotovoltaicos isolados da rede (SFI) e sistemas fotovoltaicos conectados à rede (SFCR).

No primeiro caso o sistema gerador visa atender a um determinado consumo de energia elétrica, e é fundamental estimar esta demanda energética com precisão para que o sistema projetado produza a energia necessária. Já no segundo caso, o consumo de energia elétrica da instalação é menos importante, pois pode ser complementado com energia extraída da rede de distribuição.

Projeto de Sistemas Fotovoltaicos

Como pode ser visto nas Figuras 9 e 10, os blocos básicos

de um SFV são: geração, equipamentos de controle e condicionamento de potência e, no caso dos sistemas isolados,

armazenamento de energia.

Partindo dos dados meteorológicos e de uma boa estimativa da demanda a ser atendida, o projetista dimensiona ou especifica cada um destes blocos, além dos demais componentes necessários à operação segura e confiável de cada subsistema em particular.

Projeto de Sistemas Fotovoltaicos

Figura 9 – Diagrama de blocos de sistemas fotovoltaicos isolados:

(a) – Isolado para eletrificação individual;

(b) – Isolado para eletrificação com minirrede;

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Figura 10 – Diagrama de blocos de sistemas fotovoltaicos: Microgeração conectada à rede.

Projeto de Sistemas Fotovoltaicos

As principais etapas do projeto de um Sistema

Fotovoltaico são as seguintes:

 Levantamento adequado do recurso solar disponível no local da aplicação;

 Definição da localização e configuração do sistema;

 Levantamento adequado de demanda e consumo de energia

elétrica;

 Dimensionamento do gerador fotovoltaico;

 Dimensionamento dos equipamentos de condicionamento

de potência que, no caso dos SFCRs, se restringe ao inversor

para interligação com a rede;

 Dimensionamento do sistema de armazenamento, usualmente associado aos sistemas isolados.

Projeto de Sistemas Fotovoltaicos

- Avaliação do recurso solar

Nesta fase do projeto, busca-se quantificar a radiação solar global incidente sobre o painel fotovoltaico. Nem sempre os dados estão disponíveis na forma em que se precisa para utilizá-los no dimensionamento do sistema. Por isso, muitas vezes é necessário utilizar métodos de tratamento de dados que permitam estimar as grandezas de interesse.

A forma mais comum de apresentação dos dados de

radiação é através de valores médios mensais para a energia acumulada ao longo de um dia. Também é comum determinar-se um “Ano Meteorológico Padrão ou Típico” (TMY – typical

meteorologica year) a partir de informações armazenadas ao

longo de vários anos de medidas.

Projeto de Sistemas Fotovoltaicos

Um gerador fotovoltaico tem suas características elétricas dependentes basicamente da irradiância e da

temperatura nos módulos.

A influência da irradiância solar é muito mais

significativa do que a da temperatura. A irradiância pode variar

significativamente em curtos intervalos de tempo (da ordem de segundos), especialmente em dias com nuvens, mas a variação da temperatura é amortecida pela capacidade térmica dos módulos.

Projeto de Sistemas Fotovoltaicos

Nas estimativas de produção de energia elétrica, é útil ignorar os efeitos de variação da irradiância a cada instante e

considerar a totalidade da energia elétrica convertida em intervalos horários.

Como há uma forte linearidade entre a produção de energia e a irradiação horária, este conceito pode ser estendido, gerando uma forma bastante conveniente de se expressar o valor acumulado de energia solar ao longo de um dia: o número de

Horas de Sol Pleno (HSP). Esta grandeza reflete o número de horas em que a irradiância solar deve permanecer constante e igual a 1 kW/m² (1.000 W/m²), de forma que a energia resultante seja equivalente à energia disponibilizada pelo Sol no local em questão, acumulada ao longo de um dado dia. As Figuras 11 e 12 ajudam na compreensão da grandeza Horas de Sol Pleno.

Figura 11 – Exemplo de perfis de radiação solar diária com valores equivalentes de HSP.

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Figura 12 – Perfis de irradiância de acordo com a característica do dia.

Projeto de Sistemas Fotovoltaicos

Em base mensal, a irradiação incidente no plano dos módulos é convertida para seu valor médio diário em kWh/m²

e, em seguida, utiliza-se o valor numérico como HSP. Esses valores podem ser obtidos a partir da conversão para o plano inclinado e posterior integração de curvas semelhantes às apresentadas na Figura 13, obtidas para a vila de São Tomé, Município de Maracanã, no Estado Pará.

Cabe frisar, no entanto, que nada substitui a medição in situ, no local de implantação do projeto, e que incorreções podem advir das diferenças entre os valores estimados e os valores reais.

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Figura 13 – Média mensal da irradiância global diária no plano horizontal para os períodos especificados - vila de São Tomé (Pará).

AVISO

Ex.1) Calcule o número de HSP médio diário na cidade de São João del-Rei – MG, de

AVISO

Ex.2) Calcule o número de HSP médio anual (no plano horizontal e no plano inclinado)

na cidade de São João del-Rei – MG, de acordo com os dados fornecidos abaixo.

Bibliografia

1. J.T. Pinho, M.A. Galdino, “Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos”, Grupo de Trabalho de Energia Solar, CEPEL, Rio de Janeiro, 2014. 2. http://www.inmet.gov.br/portal/index.php?r=estacoes/estacoesAutomat icas 3. http://blog.bluesol.com.br/geracao-compartilhada/ 4. http://solarventus.web1641.kinghost.net/wp-content/uploads/2017/03/compartilhada.jpg

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