ESTUDO DE VIABILIDADE E IMPLANTAÇÃO DE UM SISTEMA FOTOVOLTAICO CONECTADO A REDE ELÉTRICA, EM UMA RESIDÊNCIA LOCALIZADA EM JAGUARIAÍVA PR

ESTUDO DE VIABILIDADE E IMPLANTAÇÃO DE UM SISTEMA FOTOVOLTAICO CONECTADO A REDE ELÉTRICA, EM UMA RESIDÊNCIA

LOCALIZADA EM JAGUARIAÍVA – PR

FEASIBILITY AND IMPLEMENTATION STUDY OF A PHOTOVOLTAIC SYSTEM CONNECTED TO THE ELECTRICAL NETWORK, IN A RESIDENCE LOCATED IN

JAGUARIAÍVA – PR

Weber Jonata Rausis; Pedro Jose Faure Goncalves, Itamar Szuvovivski

Centro de Ensino Superior dos Campos Gerais – CESCA GE - Curso de Engenharia Elétrica – Ponta Grossa - PR – Brasil.

pedro.goncalves@cescage.edu.br

Resumo: A geração de energia elétrica por meio de fontes renováveis, que utilizam

recursos inesgotáveis capazes de gerar energia por muitos anos sem afetar o meio ambiente. Fontes energéticas desse gênero podem ser utilizadas como suporte para manter o sistema elétrico em operação, visto que o mesmo está em crescimento relacionado ao consumo de energia. A energia renovável que tem grande tendência no cenário mundial é a fotovoltaica. Onde utiliza-se a irradiação emitida pelo sol para converter raios solares em energia elétrica, para que isso aconteça são utilizados equipamentos conhecidos como módulos solares, são eles que realizam a conversão fotovoltaica. Este estudo tem como principal objetivo o conhecimento dos sistemas fotovoltaicos conectados à rede chamados de sistemas on-grid e realizar análise de viabilidade econômica para instalação em uma residência situada em Jaguariaíva-PR, onde o consumo médio de energia elétrica do cliente é de 378 kWh/mês e os níveis de irradiação solar coletados nesse local atingem 4,61 kWh/m².dia, após a obtenção dos dados se fez possível a obtenção da potência do sistema fotovoltaico que é 2,37 kW. A análise do tempo de retorno do capital investido payback, obteve um resultado satisfatório, pois se um sistema com essas características for instalado nesse local a recuperação do valor investido terá em média seis anos, levando em consideração que o sistema tem uma média de vida útil de 25 anos, conclui-se que seis anos após a instalação o sistema de geração on-grid passará a gerar lucros significativos para o proprietário dessa residência.

Palavras-chave: Geração de energia. Fontes renováveis. Consumo energético. Abstract: The generation of electric energy through renewable sources, which use

inexhaustible sources capable of generating energy for many years without affecting the environment. These energy sources can be used as support in order to keep the electrical system in operation after the actual growth of energy consumption. The renewable energy that has great tendency in the world scenario is the photovoltaic, where the irradiation emitted by the sun is used to convert solar rays into electrical energy, so that this happens are used equipment known like solar modules, they are those that realize the photovoltaic conversion. The purpose of this study is to understand the network-connected photovoltaic systems known as on-grid and to make an economic feasibility analysis for installation in a residence located in Jaguariaíva-PR, where the average electric energy consumption is 378 kWh/month

and the solar irradiance levels collected at this location reach 4.61 kWh / m².day, with the collection of these data it was possible to obtain the power of the photovoltaic system equal to 2.37 kW for system sizing. The analysis of the payback time of invested capital payback, has obtained a satisfactory result because if a system with these characteristics is installed in that place, the recovery of the invested value will take an average of six years, taking into account that the system has an average life of 25 years, after six years the installation will generate significant profits to the owner.

Keywords: Power generation. Renewable sources. Power consumption. INTRODUÇÃO

A energia elétrica tem um custo significativo para o consumidor, a disponibilidade de energia elétrica para o cidadão pode ser considerada um benefício ou dever para um país em desenvolvimento, o custo da energia é composto por valores consideráveis, onde alguns encargos são aplicados para composição desse benefício. O consumidor paga pela compra da energia elétrica, custeando o gerador, a transmissão da energia, a distribuição da energia elétrica e alguns outros encargos e tributos setoriais (ANEEL,2018).

A conta de energia é dividida em duas parcelas mais tributos, uma que representa 53,5%, que apresenta custos de compra e transmissão da energia e encargos setoriais. Os custos com tributos (ICMS, PIS e COFINS), representam 29,5% do valor da tarifa. Outra parcela, que significa 17% da tarifação, que representa valores necessários para manter e operar todo o sistema de distribuição de energia.

Os custos com energia elétrica são bem significantes para um consumidor. Podem ser chamados de custos não retornáveis, mesmo que extraídos da natureza. Os valores pagos para empresas do seguimento de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica ainda são muito altos. Devido a esse problema existem alguns meios de geração que podem trazer benefícios ao consumidor. A micro geração distribuída é uma tendência mundial, sendo a principal e mais comum a geração de energia elétrica utilizando placas solares.

Tendo isso como um problema difícil de ser solucionado apenas com hábitos de economia de energia em uma residência. O estudo de um sistema fotovoltaico conectado à rede elétrica conhecido como sistema on-grid torna-se uma alternativa cabível para micro consumidores de energia, pois um sistema como esse tem como objetivo trazer ao consumidor o benefício da independência parcial da energia elétrica fornecida pela concessionária. Esses sistemas somam vantagens, sendo que a principal é estar conectado à rede elétrica, assim nos momentos em que o sistema estiver vazio, termo usado para momentos que as placas solares não estão gerando energia elétrica para a residência, é possível utilizar a energia da rede elétrica. Outro benefício é a capacidade que o sistema on-grid oferece de injetar energia no sistema elétrico, obtendo créditos positivos com a concessionária de energia, assim a unidade

consumidora torna-se uma micro geradora de energia elétrica (PINHO, GALDINO, 2014).

Alguns pontos podem trazer dificuldade na implantação de um sistema como esse. Sendo eles o alto índice de nebulosidade da região, causada por regiões montanhosas e por grandes edifícios, outro ponto a ser considerado é o índice de irradiação solar na região, onde se faz o estudo de implantação do sistema. Esses itens citados são prioritários para dar início a um estudo de implantação de um sistema on-grid em qualquer tipo de consumidor (SOUZA 2015).

As normativas para a instalação de um sistema fotovoltaico conectado à rede elétrica da concessionária regulamentadas pela ANEEL são estabelecidas pelas resoluções normativas n° 687/2015 e n° 786/2017. O consumidor pode instalar pequenos módulos geradores nas suas residências ou pontos comerciais e utilizar a rede elétrica da concessionária para injetar o excedente de energia, esse montante de energia aplicada na rede é convertida em crédito podendo ser utilizada em até 60 meses, sendo que esses créditos podem ser destinados a abater o consumo da própria unidade consumidora ou outros pontos que necessitam estarem previamente cadastrados conforme regulamentos internos da Copel (COPEL, 2018).

A unidade consumidora, em estudo, consome apenas a energia fornecida pela concessionária, sem nenhum tipo de benefício e nenhuma possibilidade de mudança em relação ao consumo. Esse projeto tem como objetivo, proporcionar um meio justificável de obtenção de dados para viabilidade de instalação de um sistema on-grid na residência em questão.

REVISÃO DE LITERATURA

As energias renováveis, são energias beneficiadas por recursos considerados inesgotáveis por uma grande ou extrema quantidade de tempo. As fontes geradoras dessas energias são capazes de se regenerar e manter-se consumível sem nenhum tipo de degradação ao meio ambiente terrestre (PENA, 2014).

O setor de energia renovável oferece ao mundo um número considerável de empregos, no ano de 2016 foi empregado 9,8 milhões de pessoas relacionado a esse tipo de energia pelo mundo. A saúde também é um fator muito importante para ser levado em consideração ao uso de fontes de energia renováveis, pois a emissão de gases poluentes diminuindo, as consequências são ótimas para saúde. A diversificação da energia é um fator muito estudado no cenário de geração energética mundial, buscando melhor confiabilidade do sistema, sendo que as fontes renováveis podem ocasionar alternativas próximas ao consumidor. Como um exemplo os microgeradores de energias. Essas alternativas possibilitam melhorar a segurança do sistema elétrico, pois é possível gerar energia muito próximo da carga instalada. A geração renovável passa por um momento de inclusão e está sendo mais solicitada devido a poluição generalizada que o planeta sofre relacionado a geração de energias e produtividade industrial. (IRENA,2018).

A matriz energética mundial necessita da diversificação das formas de geração de energia. O que pode solucionar este problema seria a utilização de outros meios para produção de energia. Fontes renováveis são as mais citadas, pois essas diminuem significantemente a poluição do meio ambiente. O melhor cenário possível seria elevar a produção das fontes de energias renováveis e reduzir as fontes derivadas do petróleo e combustíveis fosseis, que causam altos níveis de poluição relacionado a sua queima causando emissão de gases poluentes. (MALZONI, 2010).

O Governo do Paraná assinou em julho de 2018 uma lei que oferece a isenção de impostos sobre a circulação de mercadorias e serviços (ICMS) para micro geradores de energia, benefício muito importante para incentivo de instalação do sistema, pois quem gera energia elétrica na sua residência pagava imposto do excedente injetado na rede elétrica. O Paraná aderiu ao Convenio do Conselho Nacional de Política Fazendária (CONFAZ) no mês de maio, concordando em não cobrar a taxa de 29% dos micro geradores sobre seus excedentes aplicados no sistema elétrico. (GAZETA DO POVO, 2018).

A energia gerada pelo sistema solar fotovoltaico é descrita pela emissão de luz em um material semicondutor, proporcionando uma diferença de potencial (ddp) em seus polos. O efeito fotovoltaico foi descoberto por Edmond Becquerel em 1939 (GTES, 2014).

Os semicondutores mais utilizados são os compostos de silício, seus átomos tem as seguintes características. São quatro elétrons que fazem ligação com os seus vizinhos, obtendo uma rede cristalina. Quando é adicionado átomos com cinco elétrons, exemplo o fósforo, ocorre a sobra de um elétron que é fracamente ligado ao seu átomo de origem, ocorrendo a liberdade desse elétron, destinando o mesmo para a banda de condução. Pode dizer que o fósforo é um dopante N ou doador de elétron (GTES, 2014).

Se o silício for dopado com alumínio ou boro, materiais esses que possuem três elétrons na sua camada de condução, falta um elétron para que ocorra uma ligação covalente. Portanto, o espaço deixado pela falta desse elétron, com pouca energia térmica, faz com que um elétron vizinho ocupe esse espaço. Essa estrutura é chamada de dopante tipo P (Souza, 2015).

Quando ocorre o encontro da luz solar com a pastilha de silício, leva-se os elétrons livres da camada N para a camada P, onde ocorre a junção P-N que dá origem a geração de uma corrente elétrica continua (ROSA; TIAGO FILHO, 2007).

A fonte de energia solar pode ser utilizada em diversos formatos, a forma de aproveitamento mais conhecido e utilizado é o fotovoltaico, muito utilizado em geração de energia distribuída, onde são aplicados em instalações de geradores em residências e comércios. (MME, 2015).

alguns intemperes, como condições climáticas da região e local que o sistema pode ser instalado. Sabe-se que boa parte da irradiação solar não atinge superfície da terra, devido os níveis de absorção e reflexão. Do mesmo modo, é visto que o potencial solar que radia sobre a superfície terrestre tem valores dez vezes maiores que o potencial total consumido por toda a humanidade (CRESESB, 2000).

No brasil existem dois programas de avaliação de radiação solar, um deles é o Atlas Solarimétrico do Brasil, uma parceria entre a Universidade Federal de Pernambuco (UFPE), Companhia Hidroelétrica de São Francisco (CHESF), Centro de referência para Energia Solar e Eólica Sérgio de Salvo Brito (CRESESB). O outro é o Atlas de Irradiação Solar no Brasil, criado pelo Instituto Nacional de Meteorologia (INMET) junto ao laboratório de energia solar da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) (ANEEL, 2016).

Os sistemas fotovoltaicos voltados para geração de energia são considerados sistemas com baixo nível de degradação ao meio ambiente, o que os torna uma ótima alternativa para geração de energia limpa e sustentável (SOUZA, 2015).

Os sistemas fotovoltaicos autônomos são aqueles que necessitam de uma forma de armazenamento para a energia que está sendo produzida. A principal forma de armazenamento são os bancos de baterias.

Outro detalhe bem importante para sistemas isolados que utilizam as baterias para o armazenamento da carga, são utilizados componentes chamados de controladores de carga, com a função de não danificar as baterias por exposição a sobrecarga e a baixos níveis de carga (JUCÁ; CARVALHO, 2013).

Leva-se em consideração sobre o sistema off-grid, que não dependem da rede elétrica para funcionar. Pode ser uma escolha para instalações em comunidades carentes e até mesmo locais onde não há fornecimento de energia elétrica (VILLALVA; GAZOLI, 2012).

Os componentes que compõem um sistema fotovoltaico, são os módulos solares, conversores de corrente continua (CC) corrente alternada (CA), componentes de proteção como disjuntores e interruptores, suportes para fixação dos módulos, cabos elétricos e quando são sistemas isolados ocorre o uso de baterias e controlador de carga (ABINEE, 2017)

Os módulos fotovoltaicos são um dos principais componentes no sistema de geração fotovoltaica. Tem um formato de construção bastante comum e são compostos por uma estrutura de alumínio, na maioria das vezes. Internamente existe a estrutura de células que são ligadas em série ou paralelo. São cobertas por um encapsulamento com a função de proteger suas conexões a exposição ao tempo ou de problemas de choques mecânicos decorrentes do manuseio. Normalmente são usados vidros, plásticos, silicones e uma cobertura feita em (EVA) (ALVARENGA, 2016).

As principais células utilizadas nas instalações de sistemas fotovoltaicos são fabricadas em silício, onde existem fatores determinantes para definir a eficiência de um painel fotovoltaico. Um desses fatores é a definição da pureza do silício, quanto mais puro maior será a capacidade de converter a luz solar em energia elétrica (GREENBRAS, 2017).

As células são fabricadas e passam pelo processo de encapsulamento, onde são adicionados materiais para proteção contra quedas, choques e malefícios da exposição ao tempo. Com o objetivo também de garantir uma maior eficiência na absorção da irradiação de luminosidade do sol (ZILLES, et al, 2018).

O dimensionamento do módulo solar é muito importante para o sistema, sabe-se que a determinação da potência do módulo ocasionará uma mudança significativa na quantidade de módulos para geração demandada pela unidade consumidora (ZILLES, et al, 2012).

Os módulos fotovoltaicos são associados em virtude dos baixos níveis de tensão e corrente que as células geram. Quando se faz o arranjo fotovoltaico realizado por vários painéis conectados, eles podem ser interligados em série ou em paralelo. Quando os painéis são associados em série a tensão total é a média das tensões de cada painel. Quando a associação é paralela as tensões de cada painel é a sua própria tensão, porém a corrente será a média da soma das correntes de cada painel interligado, por esse motivo não se aconselha interligar painéis com potências diferentes (SOUZA, 2015).

As associações séries são utilizadas quando é necessária uma somatória das tensões de cada módulo para se obter a tensão desejada nas polaridades de cada grupo formado (SOUZA, 2015).

A associação em paralelo é muito utilizada para grandes sistemas onde a tensão final foi definida pelo número de células associadas em série, então é possível associar essas células em grupos formando grupos de células em paralelo. No agrupamento em paralelo o funcionamento é o inverso da associação em série. A tensão total é a média das tensões geradas e a corrente é a soma individual das correntes de cada módulo (SOUZA, 2015).

Inversores utilizados em um (SFCR) são componentes compostos por circuitos estáticos, não possuem partes moveis e tem como característica realizar a conversão de potência corrente continua – (CC) que o gerador fotovoltaico fornece em potência corrente alternada – (CA), logo após a conversão, o potencial pode ser utilizado pela carga ou aplicado na rede, o inversor tem função de sincronizar os valores de tensão e frequência operacionais demonstrados pela rede no ponto de conexão entre inversor com a rede elétrica (ZILLES, et al, 2018).

Existem os seguintes tipos de conversores, os comutados que utilizam como base os valores de frequência da rede elétrica para realizar o chaveamento preciso

para entregar a energia para o sistema elétrico nos padrões exigidos. Esses conversores buscam em tempo real a frequência perfeita que o sistema de geração deve obedecer para entregar a rede elétrica, existem também os alto comutáveis que utilizam um circuito eletrônico para obter a frequência sincronizada para que a energia possa ser injetada na rede elétrica (RÜTHER, 2004).

Os inversores são componentes de suma importância em um (SFCR). Para que um sistema funcione com boa qualidade e boa eficiência deve-se especificar um bom inversor que atenda as características como níveis de tensão conforme os requisitos do projeto. O inversor deve ser bem dimensionado conforme as a potência do sistema em irá ser instalado, sobre dimensionamentos dos inversores podem ocasionar aumento de custos do projeto podendo tornar inviável a instalação (ZILLES, et al, 2018).

Os dados necessários para esse dimensionamento são o consumo médio diário da residência, que é dado em KWh/dia, e o valor coletado de irradiação solar na localidade da residência que é dado em KWh/m². Para obtenção dos valores de consumo médio diário da residência será necessário buscar nas tarifas de energia o valor do consumo médio mensal nos últimos doze meses, fornecido pela maioria das concessionárias de distribuição de energia elétrica. Em seguida obter o valor médio entre esses doze meses e fazer a divisão pelo número de dias do mês. Obtém-se o valor de consumo médio diário da residência. Já para o índice de irradiação do local é possível coletar em qualquer banco de dados de irradiação solar. Recomenda-se o banco de dados (CRESESB) (SOUZA,2015).

Para instalação de um projeto fotovoltaico é necessário a utilização de equipamentos homologados pela (ANEEL). Para que o gerador obtenha certificação de micro gerador fotovoltaico os equipamentos instalados deverão obter certificações de testes realizados pelo Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia (INMETRO), oferecendo segurança aos operadores do sistema elétrico (IDEAL, 2018).

Conforme a Nota Técnica (n°0129/2012) descrita por Sistemas de Controle de Irradiação (SRD) com a Agencia Nacional de energia elétrica (ANEEL), os sistemas de micro ou mini geração devem preferencialmente utilizar um medidor bidirecional onde a responsabilidade do custo do equipamento é do consumidor e então as medições podem ser feitas tanto na entrada e na saída do ramal de energia da residência (ANEEL,2012).

O medidor escolhido para a aplicação no estudo é o medidor bidirecional bifásico modelo MD 2400 fabricado pela Ecil Energia, esse equipamento contempla controle online do consumo de energia, corte e religamento remoto, alertas de fraude assim como outros (ECIL ENERGIA, 2018).

MATERIAL E MÉTODOS

Para a realizar a instalação de um sistema fotovoltaico conectado à rede elétrica, devem ser seguidas algumas etapas. Primeiramente deve ser feita uma visita até o local de instalação e conhecer a estrutura já instalada, levando em consideração o sistema elétrico e conexão entre a rede de distribuição e circuito interno da residência, juntamente a isso é necessário procurar saber quais são as expectativas do cliente referente a essa instalação, Sabe-se que a maioria dos clientes que procuram fazer a instalação de um projeto como esse, normalmente buscam por economia de energia elétrica e obter resultados como o retorno do valor aplicado para instalação do projeto. O retorno de investimentos sempre são colocados como prioridade na apresentação da proposta técnica, Sabe-se também que com a utilização do sistema on-grid não será possível a independência da concessionaria de energia, pois mesmo que a geração do sistema obtenha eficiência, a conexão com a rede elétrica ainda é necessária por se tratar de um sistema on-grid, desta maneira deve ser pago a concessionária a taxa de utilização da rede elétrica.

Referente ao estudo, todas as informações devem ser embasadas por fontes seguras utilizando ambientes que ofereçam valores reais para a pesquisa, fazendo com que os cálculos de eficiência do sistema e payback possa ser aplicado com garantia ao cliente. Para que o consumidor possa assim receber a proposta com valores bem aproximados dos que serão obtidos após uma futura instalação. Para instalação de um sistema como esse devem ser realizados estudos específicos como o levantamento de quantidade de placas solares a serem instaladas assim como o inversor que será utilizado, componentes principais para um sistema como esse. Para que o projeto atenda a demanda de energia do consumidor diversos fatores devem ser levados em consideração.

A localização da unidade consumidora em estudo, situa-se em uma região plana com poucos obstáculos que infiram a emissão de luz solar ao seu telhado, obstáculos como prédios e arvores que venham sombrear a região. O telhado da residência, foi o local que melhor se encaixa para a instalação dos painéis, sendo que os mesmos poderão ser direcionados a respeitar a angulação conforme o estudo feito para a inclinação e direcionamento das placas solares. Justifica a escolha do telhado para a instalação das placas a utilização do maior índice de irradiação do local. A fixação dos módulos é realizada com a utilização de estruturas metálicas que são projetadas para encaixar em telhados cerâmicos e possibilitam o ajuste do ângulo das placas.

O posicionamento das placas deve respeitar a angulação referente ao plano horizontal da superfície terrestre, seguindo a determinação para o local da instalação, onde o ângulo de inclinação dos módulos é definido com base na latitude do local. Regiões aproximadas da linha do equador recebem maior irradiância solar tendo melhor rendimento para instalações de sistemas fotovoltaicos.

A estrutura dos módulos nunca deve ser instalada numa angulação de 0° referente a superfície, a inclinação dos módulos serve também para evitar acúmulo

de sujeira em cima das células, a consequência será a perda de eficiência das células fotovoltaicas podendo ocasionar danos. o módulo por ser componente bastante compacto e estruturado em formatos rígidos, torna-se difícil a manutenção de uma célula no interior do módulo. Esse tipo de defeito é causado pelo fenômeno de sombreamento onde um módulo coberto por sujeira ou sombreado pela arborização do local ou prédios, para melhor entendimento do defeito, a região do módulo ou do agrupamento de células quando estão submetidas a luz solar e quando apenas uma região do módulo está protegida dos raios solares essa parte passa a receber corrente elétrica ao invés de gerar e aplicar no sistema, vindo a danificar está parte dos módulos ocasionando a queima da célula.

Depois da coleta de informações foi realizado um estudo do índice de irradiação solar do local, onde foi obtido as coordenadas da residência em estudo através do aplicativo google maps e a seguir aplicado esses valores no programa desenvolvido pela (CRECESB) para facilitar dimensionamento de projetos de energia fotovoltaica, esse programa oferece a média anual de irradiação solar no ponto solicitado. Os valores da irradiação podem ser encontrados através de mapas solarimétricos que que também possibilitam a consulta.

O levantamento do consumo médio mensal da unidade consumidora deve ser realizado. Para isso deve ser utilizando o levantamento dos valores via a fatura de energia da unidade consumidora, assim realizado o levantamento de consumo energético dos últimos 12 meses. Preferencialmente deve-se utilizar uma fatura recente que condiz com a real potência em kWh consumida pelo cliente. A média calculada não é o valor aplicado no cálculo de dimensionamento de potência do sistema, para realizar esse cálculo deve-se descontar o valor da taxa de utilização levando em consideração a conexão de entrada da distribuidora de energia elétrica.

Através da coleta desses dados se faz possível saber a potência do sistema que deverá ser instalado e quantas placas fotovoltaicas necessitarão para gerar o potencial demandado, qual será o inversor mais adequado. O inversor deve ser dimensionado através da potência total do sistema, com isso obtém-se o dimensionamento desse equipamento. Para os painéis fotovoltaicos observa-se o rendimento do equipamento, sendo esse atributo que fará grande diferença para obter melhor eficiência de geração do sistema.

Para a montagem do sistema fotovoltaico é necessário o dimensionamento dos componentes que nele consiste, para um sistema on-grid os componentes necessários são os módulos fotovoltaicos, inversores, dispositivos para proteção do sistema, medidores de energia assim como caixas e cabeamento para instalação.

Os sistemas fotovoltaicos na maioria das vezes são compostos por mais de um módulo e esses módulos quando interligados formam os arranjos de módulos solares, quando esses arranjos são ligados em série uns com os outros é conhecido como associação de módulos em série, onde as tensões de cada módulo são somadas e suas respectivas correntes são as mesmas para todo sistema. Quando os arranjos necessitam elevar a tensão para conectar ao conversor, se faz necessário

a aplicação da associação paralela dos módulos solares e com isso é possível somar as tensões de cada arranjo ligados em paralelo.

Um módulo tende a durar em média 25 anos, aproximadamente o tempo que um sistema suporta em operações normais, considerando baixos valores para manutenção. O inversor é um equipamento que tende a obter uma durabilidade menor que pode variar de 10 a 15 anos, dependendo dos ambientes de instalação desse equipamento.

Para a manutenção do sistema é recomendado limpezas nos painéis, podendo ser realizadas com sabão e água corrente. Já nos componentes instalados. como inversores e medidores devem ser realizadas limpezas com produtos especiais altamente voláteis, para que não acumule umidade dentro desses equipamentos, a conferência deve ser feita como o aperto das conexões elétricas dos componentes devem ser feitas semestralmente.

O inversor grid-tie é o componente conhecido como coração do sistema, esse equipamento torna possível o processo de aplicação de potência na rede elétrica, nesse equipamento existem as réguas de conexão para ligação dos módulos, utilizando-se tensão contínua. A régua de conexões de saída que converteu a tensão contínua em alternada, podendo ser conectada diretamente a rede elétrica ou a um quadro de distribuição da residência. Os inversores utilizados para microgeração considerando níveis de potência gerada menor que 5 kWh, são os modelos monofásicos. Os inversores necessitam ser bem dimensionados e bem especificados, pois são componentes caros e variam a qualidade de fabricante para fabricante.

As caixas de junção dos painéis fotovoltaicos, são compostas por dispositivos de proteção, nessas caixas são instalados fusíveis para proteção dos circuitos contra falhas de sobrecorrente, diodos de bloqueio que que realizam a função de proteção das células em casos de sombreamento sobre as placas, outro dispositivos de proteção utilizados são os contra surtos conhecidos por (DPS), fazem a proteção do lado (CC) quanto o lado (CA), podem haver os interruptores (DC), que sevem para desligar a geração se necessário em caso manutenção do sistema fotovoltaico.

O medidor da residência em questão é um modelo unidirecional. Será substituído por um modelo bidirecional para que o sistema possa fazer a medição de potência ativa aplicada na rede de distribuição, assim como totalizar a potência gerada com a potência consumida. Esses medidores bidirecionais permitem a somatória de potência injetada na rede elétrica juntamente por outro canal é somado o valor consumido pela residência. Os valores depositados e não utilizados são transformados em créditos para o consumidor.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

a taxa mínima cobrada pela concessionária é referente ao valor de 50 kWh/mês. O valor de consumo médio mensal foi adquirido da seguinte forma, coletou-se os valores dos últimos 12 meses de consumo da residência e assim realizou-se a somatória dos 12 valores, logo foi dividido o resultado pela quantidade de meses do ano. Obteve-se o valor de 378 kWh, foi considerado o consumo médio dos últimos três anos para realizar a projeção do consumo da residência para os próximos 20 anos. Para o dimensionamento do sistema da residência em estudo deve ser considerado o subtítulo (5.1), onde o consumo médio mensal encontrado deve sofrer o desconto da potência que refere-se a disponibilidade do sistema elétrico, o que se sabe é que a residência se conecta com o sistema elétrico por um sistema bifásico, portanto o real valor para o dimensionamento do sistema é de 328 kWh/mês.

A Tabela 1 possibilita a visualização dos valores de consumo mensal realizados durante o ano por essa residência.

Tabela 1 - Histórico de consumo da residência em estudo nos últimos 12 meses

MÊS POTÊNCIA CONSUMIDA JUL./18 395 kWh JUN./18 361 kWh MAI./18 389 kWh ABR./18 393 kWh MAR./18 361 kWh FEV./18 358 kWh JAN./18 436 kWh DEZ./17 373 kWh NOV./17 362 kWh OUT./17 395 kWh SET.;/17 334 kWh AGO./17 379 kWh MÉDIA 378 kWh

Fonte: Adaptado da fatura de energia COPEL (2018).

Fazendo uma análise dos valores coletados diante da fatura de energia elétrica do cliente percebe-se que o mesmo obtém um consumo constante, onde as variações não serão problemas para o dimensionamento final das placas solares.

Com base nos valores oferecidos pela Tabela 1 foi criado o gráfico da figura 1 para exemplificar melhor o consumo da residência em estudo.

Fonte: Adaptado da fatura de energia COPEL (2018).

Para a obtenção do índice de irradiação solar do local foi utilizado o programa SunData/CRESESB, que tem como objetivo facilitar os dimensionamentos de sistemas fotovoltaicos no Brasil, o qual possibilita demonstrar os níveis de radiação solar em um determinado local, onde utiliza-se as coordenadas latitudinais e longitudinais. Quando não é possível encontrar as coordenadas, utiliza-se as de um local bem próximo de onde se pretende fazer a instalação. O programa utiliza a base de dados do Atlas Brasileiro de Energia Solar, considerado o melhor banco de dados para cálculo de índice de irradiação solar na superfície terrestre do território nacional (CRESESB,2018).

Obtém-se coordenadas do local da residência com o uso do aplicativo Google Maps. Apresenta-se a figura 2 que possibilita a visão dos valores de irradiação média do local da unidade consumidora situada em Jaguariaíva - PR.

Figura 2 - Irradiação diária média mensal com inclinação 0°.

Fonte: Adaptado de SunData/CRESESB (2018). 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 ag o /17 se t/1 7 o u t/17 n o v/17 d e z/17 jan /18 fev/18 _mar/18 abr/ 18 mai/18 jun /18 ju l/18

Potência consumida (kWh)

Com a figura 3 é possível a visualização dos valores médios diários a cada mês de irradiação no local da residência.

Figura 3 - Índice da irradiação média diária mensal.

Fonte: Adaptado de SunData/CRESESB (2018).

A definição da posição das placas no telhado da residência foi realizada conforme a teoria já descrita, onde a latitude coletada no local é 24,30°conforme a tabela 6, para uma latitude como essa será necessário o acréscimo de 5° conforme a Tabela 1, então o ângulo de inclinação para a unidade consumidora em estudo será referente a 39,30°, os painéis devem ser voltados para a região norte para melhor eficiência do sistema.

Aplicando os valores obtidos na Equação 1 será encontrado o valor de consumo diário da residência em estudo.

𝐶𝐷 =378 − 50

30 = 10,93 kWh/dia

Aplicando os valores obtidos na Equação 2 será encontrado o valor da potência do sistema fotovoltaico conectado na rede destinado a unidade consumidora em estudo.

𝑃𝑆 =10,93

4,61 = 2,37 kWp

Aplicando os valores obtidos na Equação 3 será encontrado a quantidade de módulos necessários para gerar o consumo médio da residência.

𝑄𝑀 =2371

330 = 7,18 ≅ 8

Baseado no cálculo de dimensionamento, para que o sistema fotovoltaico on-grid produza 2,37 kWp para atender a demanda de energia elétrica da residência serão necessários basicamente 8 módulos fotovoltaicos.

O inversor deve apresentar uma potência máxima igual ou superior que a potência do sistema, levando em consideração que o sistema pode sofrer variações ocasionando sobrecorrentes. O inversor para esse sistema deve ter potência igual ou superior a 2,5 kWp, para obtenção da escolha deverá ser analisado o mercado.

Baseado nos cálculos anteriores e nas necessidades obtidas, foi realizado um orçamento baseado em um Kit de geração fotovoltaico WEG com potência de geração de 2,64 kWp.

Na figura 4, será possível a visualização dos itens que compõem esse gerador WEG.

Figura 4 - Conjunto gerador fotovoltaico Weg 2,64 kWp.

Fonte: WEG (2018).

Para instalação do sistema fotovoltaico, foram considerados os orçamentos dos equipamentos que serão utilizados e os orçamentos de mão de obra para instalação.

Na Tabela 2 está disposto o valor total do investimento para do sistema fotovoltaico para instalação dessa unidade consumidora em estudo.

Tabela 2 - Orçamento final da instalação de um sistema fotovoltaico on-grid.

Custos totais para instalação do sistema fotovoltaico em estudo.

Orçamento de materiais 11875,00 R$

Orçamento do medidor 878,5 R$

Orçamento de mão de obra 3562,5 R$

Total 16316,00 R$

Os valores apresentados nos orçamentos acima podem variar, levando em consideração a diversidade de marcas e qualidade de seus produtos relacionado a instalações desse gênero.

Para realizar a análise dos valores para implantação do sistema fotovoltaico, foi utilizado informações do histórico de consumo médio do cliente nos últimos três anos que contabilizaram os seguintes valores, nos anos de 2015 a 2016 foi levantado um valor médio de 370,23 kWh/mês, já nos anos de 2016 a 2017 obteve-se o valor de 366,6 kWh/mês e para 2017 a 2018 foi realizado um consumo médio de 378 kWh/mês.

As taxas aplicadas para consumidores de energia do subgrupo residencial convencional B1 no qual a unidade consumidora se enquadra, essas informações foram coletadas do portal da Copel, onde foi realizado a busca dos valores das tarifas aplicadas nos últimos 9 anos. Os valores considerados para obtenção das tarifas de energia (TE) devem ser somados aos valores de tarifas de uso do sistema de distribuição (TUSD). Vale ressaltar que as tarifas utilizadas já estão atribuídas seus devidos impostos (ICMS, PIS e COFINS). Outro ponto a ser ressaltado é que os valores obtidos são relevantes as resoluções citadas na figura 5.

Figura 5 - Tarifas aplicadas pela Copel distribuição para o subgrupo B1.

Fonte: Adaptado de COPEL (2018).

A projeção das taxas tarifárias que deverão ser aplicadas nos próximos 20 anos, onde a referência para aplicação desses valores foram as resoluções demonstradas na figura 6. Com esses valores que foram aplicados para o subgrupo B1 nos últimos 9 anos, realizou-se a seguinte projeção conforme o Quadro 8.

Figura 6 - Projeções de tarifas aplicadas pela Copel no estado do Paraná.

Fonte: Próprio Autor (2018).

Na figura 7 aplica-se uma projeção do consumo energético da residência em estudo, a projeção se faz necessária referente ao pequeno acréscimo do consumo médio da residência nos últimos 3 anos.

Figura 7 - Projeção do consumo energético da residência nos próximos 20 anos.

As seguintes etapas foram realizadas para obtenção do payback, a tarifa aplicada pela distribuidora de energia a cada ano foi multiplicada pelo consumo energético médio mensal, encontrando o custo tarifário mensal. Sabe-se que a residência em estudo utiliza uma conexão bifásica com a distribuidora então o custo de disponibilidade do sistema elétrico é referente a 50 kWh/mês, sendo assim para obtenção do custo de disponibilidade mensal foi multiplicado a tarifa aplicada pela potência disponível de 50 kWh/mês. O valor de economia mensal será equivalente a subtração do custo tarifário mensal pelo custo de disponibilidade mensal, assim foi possível obter a economia anual que se refere a multiplicação do valor de economia mensal pelos 12 meses. Para obter o payback, primeiramente foi aplicado o valor total do orçamento do sistema fotovoltaico equivalente a R$16.316,00, logo para o seguinte ano foi realizado a subtração da economia energética anual pelo valor total do orçamento, obtendo um valor negativo que representa que nesse ano não alcançado o retorno financeiro. Nos próximos anos a partir de 2020 foi realizado a soma do valor negativo do payback com o valor da economia energética anual do seu respectivo ano até o ano de 2038.

Analisando os dados é possível notar que a obtenção do payback do sistema fotovoltaico em estudo será possível após seis anos depois da instalação.

CONSIDERAÇÕES FINAIS

As energias de fontes renováveis são consideradas como uma válvula de escape com propósito de preservação ao meio ambiente. Nota-se que o cenário de geração de energia pelo mundo necessita de uma expansão significativa dessas fontes. A utilização de energia solar nos dias atuais, são chamadas de fontes alternativas de produção energética, essa produção é realizada através das placas solares, possibilitando que uma residência qualquer possa gerar sua própria energia, obtendo uma redução significante dos custos relacionados.

Para que possível a obtenção do payback dessa instalação, foram realizadas diversas coletas de dados, como por exemplo o levantamento das taxas e tarifas aplicadas para essa residência junto a isso o nível de irradiação no local da unidade consumidora.

As análises aplicadas nos resultados desse trabalho, com proposta de obter o tempo de retorno financeiro para uma possível instalação desse projeto de geração solar na residência em estudo. Possibilitou saber que o retorno do capital investido pelo cliente será possível na média de seis anos após a instalação. Visto que os altos valores aplicados para instalação de um sistema on-grid ainda implicam a opção de instalação dos clientes.

A análise de custo benefício do projeto, demonstrou que em 25 anos após a instalação o cliente terá um lucro médio de quatro vezes mais que investiu.

instalação desse sistema, podendo facilitar futuros estudos relacionados. É provável que nos próximos estudos o payback melhore, devido a tecnologia dos equipamentos que passam por um processo de crescimento muito rápido, a qualidade dos produtos vem melhorando significantemente e os preços estão diminuindo devido a diversidade de marcas concorrentes no mercado.

Quando o governo melhorar as suas ações incentivando projetos como esse o custo será menor e a atração das pessoas tenderam a crescer. Conforme foi visto que as tarifas aplicadas para o consumidor de eletricidade crescem seus valores nos últimos anos e a consequência disso é aumento da conta de energia. Com essa relação constatou-se que o projeto de instalação do sistema on-grid na residência localizada em Jaguariaíva-PR é viável

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AUTORIA

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Nome completo: PEDRO JOSE FAURE GONCALVES

Filiação institucional: Cescage

Departamento: Engenharia Elétrica

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