Estudo de projeto de sistemas fotovoltaico voltado a mini e micro geração: para residência conectada a rede

ALAX ELISARDO BRUNO EDUARDO WIPPEL

ESTUDO DE PROJETO DE SISTEMA FOTOVOLTAICO VOLTADO A MINI E MICRO GERAÇÃO:

PARA RESIDÊNCIA CONECTADA A REDE

Palhoça 2018

ESTUDO DE PROJETO DE SISTEMA FOTOVOLTAICO VOLTADO A MINI E MICRO GERAÇÃO:

PARA RESIDÊNCIA CONECTADA A REDE

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Engenharia Elétrica da Universidade do Sul de Santa Catarina como requisito parcial à obtenção do título de Engenheiro Eletricista.

Orientador: Prof. Clécio Marquetti, Esp. Co-Orientador: Prof. Paulo Roberto May, MSc.

Palhoça 2018

Dedicamos este trabalho às nossas famílias pelo apoio e compreensão neste período de nossas vidas. Também aos nossos amigos de curso e professores que estiveram conosco nesta caminhada.

“A verdadeira viagem de descobrimento não consiste em procurar novas paisagens, mas em ter novos olhos”. (Marcel Proust).

RESUMO

A geração de energia fotovoltaica na matriz energética brasileira segue o cumprimento da Resolução normativa da ANEEL REN 482/2012, alterada pela REN 687/2015, onde consolida a microgeração e minigeração, sendo sistemas solares fotovoltaicos que geram energia provenientes da radiação solar, com potências consideradas pequenas e médias. Em acordo com a regulamentação de pequena geração fotovoltaica no Brasil, o presente trabalho de conclusão de curso apresenta o projeto elaborado para uma residência em Florianópolis, conectada à rede elétrica de baixa tensão, descrevendo as etapas de cálculo de demanda necessária, irradiação do local, dimensionamento, especificações, orçamento de custos e cálculo do retorno financeiro ao longo do tempo (payback). O dimensionamento é baseado na premissa que toda energia consumida pela unidade consumidora deverá ser obtida através do sistema fotovoltaico implementado e qualquer excedente de energia elétrica gerado pelo sistema será injetado na rede da concessionária local.

ABSTRACT

Solar photovoltaic generation in brazilian energy matrix follow the rules of the Normative Resolution ANEEL REN 482/2012, altered by REN 687/2015, that consolidate microgeneration and mini generation. Being solar photovoltaic systems that generate energy that come of solar radiation, with small and medium power. According to the small photovoltaic generation regulation in Brazil, the present undergraduate thesis presents a project elaborated to a residence in Florianópolis, connected to the low-voltage network, describing the calculation steps of the necessary demand: local irradiation, sizing, specification, cost budget and payback. The sizing is based on the premise that all energy consumed by the consumer unit should be obtained through the photovoltaic system implemented, and any surplus of electrical energy generated by the system will be injected on the local dealer network with variable-frequency drive.

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 1 – Irradiação no Brasil ... 15

Figura 2 - Sistema fotovoltaico Offgrid ... 21

Figura 3 - Sistema de geração distribuída (GD) ... 22

Figura 4 - Hierarquia do painel fotovoltaico (arranjo) ... 23

Figura 5 - Componentes e materiais utilizados na construção de módulos fotovoltaicos. 23 Figura 6 - Módulo de silício monocristalino ... 25

Figura 7 - Módulo de silício policristalino ... 26

Figura 8 - Módulo de Silício amorfo ... 27

Figura 9 - Módulos de Telureto de Cádmio ... 27

Figura 10 - Célula Orgânica ... 28

Figura 11 – Representação da ligação dos módulos em série ... 29

Figura 12 – Representação da ligação dos módulos em paralelo ... 30

Figura 13 – Representação dos módulos em ligação mista ... 30

Figura 14 - Variação da trajetória do Sol ao longo do ano para um observador no hemisfério sul. ... 34

Figura 15 - Inversor Solar ... 36

Figura 16 - Estrutura de fixação ... 38

Figura 17 - Residência vista aérea ... 41

Figura 18 - Residência vista frontal ... 41

Figura 19 - Planta telhado vista superior ... 42

Figura 20 - Ângulo de azimute geográfico ... 44

Figura 21 - Fatura de Energia ... 45

Figura 22 - Módulo solar escolhido ... 49

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Componentes e materiais dispostos no módulo fotovoltaico. ... 23

Tabela 2 - Irradiação solar no plano inclinado. ... 43

Tabela 3 - Irradiação solar diária média ... 47

Tabela 4 - Dados Elétricos em Condição de Laboratório (STC) ... 49

Tabela 5 – Resultados de cálculo da necessidade energética. ... 51

Tabela 6 - Características de temperatura. ... 51

Tabela 7 – Grandeza elétricas corrigidas. ... 55

Tabela 8 - Possíveis perdas do sistema fotovoltaico ... 56

Tabela 9 - Fatores de Perdas ... 57

Tabela 10 - Fatores de cálculo e geração de energia dos módulos. ... 58

Tabela 11 - Especificações do inversor. ... 59

Tabela 12 - Variáveis de Cálculo ... 63

Tabela 13- Custos Iniciais e Manutenção. ... 66

Tabela 14 - RESOLUÇÃO HOMOLOGATÓRIA Nº 2.436, DE 13 DE AGOSTO DE 2018.68 Tabela 15 - Retorno financeiro. ... 69

LISTA DE GRÁFICOS

Gráfico 1- Irradiação solar no plano horizontal... 47 Gráfico 2 - Valor acumulado ... 71

LISTA DE ABREVIATURAS E SIMBOLOS

A - Ampere

ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica a-Si – Silício amorfo

CA – Corrente Alternada CC- Corrente Continua CdTe – Telureto de Cádmio

CIGS – Cobre-Índio-Gálio-Selêlino CIS – Cobre-Índio

CPTEC – Centro de Previsão de Tempo e Estudos Climáticos DMA – Divisão de Clima e Meio Ambiente

DPS - Dispositivos de Proteção contra Surtos EVA – Etileno acetato de vinilo

FV – Fotovoltaico

GD – Geração Distribuída Hz -Hertz

ICMS – Imposto sobre Circulação de Mercadorias e Serviços IPCA – Índice de Preço ao Consumidor

IEC – International Electrotechnical Commission INPE – Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais kW - Quilowatts

kWh – Quilo Watt Hora

kWh/m² – Quilo Watt Hora por Metro ao Quadrado

kWh/m²/dia – Quilo Watt Hora por Metro ao Quadrado por dia m²– Metro ao Quadrado

MPP – Ponto de Máxima Potência

MPPT – Seguidor do Ponto de Máxima Potência MW – Megawatts

NBR – Normas Brasileiras

OPV – Células fotovoltaicas orgânicas R$/kWh – Reais por Quilo Watt Hora

SFCRs – Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede SI – Silício

SPDA - Sistemas de Proteção de Descargas Atmosféricas STA – Sistema Fotovoltaico Autônomo

SWERA – Avaliação de Recursos de Energia Solar e Eólica TIR – Taxa Interna de Retorno

UFSC – Universidade Federal de Santa Catarina UV – Ultravioleta

V- Volts

VP- Valor Presente W – Watt

Sumário

2.2 TIPOS DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS ... 19

2.2.1 Sistema Fotovoltaico Autônomo/Remoto (STA ou off-grid) ... 20

2.2.2 Sistema Fotovoltaico de Geração Distribuída (GD) ... 21

2.3 MÓDULOS FOTOVOLTAICOS ... 22

2.4 TECNOLOGIAS DE MÓDULOS FOTOVOLTAICOS ... 24

2.4.1 Módulo Silício... 24

2.4.2 Módulo de Telureto de Cádmio (CdTe) ... 27

2.4.3 Módulo de Seleneto de Cobre, Índio e Gálio (CIGS) ... 27

2.4.4 Módulo de Células Orgânicas ... 28

2.5 LIGAÇÃO SÉRIE E PARALELO ... 29

2.6 REGULAMENTAÇÃO DE GERAÇÃO FOTOVOLTAICA ... 31

2.7 PRINCIPAIS PARÂMETROS DO SISTEMA FOTOVOLTAICO ... 31

2.7.1 Fator de Sombreamento ... 31

2.7.2 Horas Solares ... 32

2.7.3 Inclinação geográfica ... 33

2.8 INVERSOR DE CORRENTE... 34

2.9 CABEAMENTO ... 36

2.10 EQUIPAMENTO DE PROTEÇÃO DE MÓDULOS FOTOVOLTAICOS ... 37

2.11 ESTRUTURA DE FIXAÇÃO ... 37

3 METODOLOGIA DA PESQUISA ... 39

4 ANÁLISE E DIMENSIONAMENTO DE UM SISTEMA FOTOVOLTAICO ON GRID ... 40

4.1 ASPECTOS GERAIS DA RESIDÊNCIA ... 40

4.1.1 Alocação dos módulos fotovoltaicos ... 41

4.1.2 Correção da inclinação ... 42

4.2 CÁLCULO DA DEMANDA MÉDIA ... 44

4.2.1 Necessidade energética ... 46

4.3 POTÊNCIA DO MÓDULO FOTOVOLTAICO ... 46

4.4 ESCOLHA E QUANTIDADE DE MÓDULOS ... 48

4.5 CORREÇÃO PELA PERDA DE TEMPERATURA... 51

4.6 CORREÇÃO DEVIDO A PERDAS ... 55

4.7 ESCOLHA DO INVERSOR ... 58 4.8 PROJETO ... 63 5 VIABILIDADE FINANCEIRA ... 65 5.1 CUSTOS INICIAIS ... 65 5.1.1 CUSTOS DE EQUIPAMENTOS ... 65 5.1.2 Custo de instalação... 66 5.1.3 Custo de manutenção ... 66 5.1.4 Custo Total ... 66

5.2 METODO DE ANÁLISE DE RECEITA ... 67

5.3 RECEITA ... 67

5.4 RETORNO ... 69

6 CONCLUSÃO ... 72

6.1 TRABALHOS FUTUROS... 73

1 INTRODUÇÃO

Descrevem-se neste capítulo as definições gerais do trabalho: tema, problema, justificativa, objetivo geral e específico e limitações.

Este estudo de caso buscou o dimensionamento do sistema fotovoltaico, calculando a produção de energia, apontando sua viabilidade técnica e financeira. Também foi analisado, no intuito de buscar melhor rendimento do sistema, analisar cálculos para associação de módulos fotovoltaicas em série e paralelo, o módulo solar que melhor se adequa a situação, levando em consideração o returno financeiro de sua implementação.

Estes itens, que posteriormente serão esmiuçados nos próximos capítulos, afim de demostrar a importância de cada um e justificar sua utilização.

1.1 TEMA

O sistema de captação de energia proveniente do sol, chamada fotovoltaica é uma forma de geração de energia elétrica cujas perspectivas parecem ser muito boas em nível mundial e especialmente no Brasil, onde, “a região mais ensolarada da Alemanha recebe um índice de radiação solar 40% menor que o índice da região menos ensolarada do Brasil” (CABRAL at al, 2013, p. 4)

Os índices de irradiação solar, quantidade de radiação solar por unidade de área Wh/m², no Brasil são considerados altos, comparado a países com alto índice de instalação de sistemas fotovoltaicos. Segundo o Atlas Brasileiro de Energia Solar (2006, p. 31):

O valor máximo de irradiação global – 6,5kWh/m2 - ocorre no norte do estado da Bahia, próximo à fronteira com o estado do Piauí. Essa área apresenta um clima semi-árido com baixa precipitação ao longo do ano (aproximadamente 300mm/ano) e a média anual de cobertura de nuvens mais baixa do Brasil [29]. A menor irradiação solar global – 4,25kWh/m2 – ocorre no litoral norte de Santa Catarina, caracterizado pela ocorrência de precipitação bem distribuída ao longo do ano. Os valores de irradiação solar global incidente em qualquer região do território brasileiro (1500-2500 kWh/m2 ) são superiores aos da maioria dos países da União Européia, como Alemanha (900-1250 kWh/m2 ), França (900-1650kWh/m2 ) e Espanha (1200-1850 kWh/m2 ), onde projetos para aproveitamento de recursos solares, alguns contando com fortes incentivos governamentais, são amplamente disseminados.

A Figura 1 mostra o nível de irradiação para o território brasileiro.

Figura 1 – Irradiação no Brasil

Fonte: Atlas Brasileiro de Energia Solar (2006, p. 34)

Segundo o Atlas Brasileiro de Energia Solar (2006, p. 46-47):

Na região Sul 50% das médias anuais apresentam valores entre 4,53 e 4,61 kWh/m². [...] Os extremos superiores das médias sazonais dos totais diários da irradiação global horizontal foram encontrados durante o verão na região Sul (6,37 kWh/m²) [...] O valor mínimo extremo foi verificado no inverno na região Sul (2,95 kWh/m²), uma vez que há um contraste mais acentuado entre as estações do ano em latitudes mais elevadas.

Para a geração de pequeno porte, o que estabelece a sua categoria é a Resolução Normativa nº687 da ANEEL, de 24 de novembro de 2015, onde indica uma conexão de microgeração como sendo de potência instalada de até 75 kW e minigeração de 75 kW a 5 MW. Sendo de fontes incentivadas, sistemas de energia solar e outros geradores de energia renovável

conectado às redes de distribuição. E instituiu o sistema de compensação de energia, onde, qualquer unidade consumidora, residencial, comercial ou industrial consuma a energia que necessita e a energia excedente gerada é cedida como empréstimo, válido 60 meses a rede elétrica (net metering).

1.2 PROBLEMA

Em sistemas de energia fotovoltaica, a boa captura de energia solar depende do ângulo que o módulo está postado em relação ao sol, a análise e obtenção do ângulo de maior irradiação solar, possibilita um melhor aproveitamento do sistema.

O módulo escolhido é responsável por capturar a energia solar e converter em energia elétrica para alimentar equipamentos, a escolha mais adequada possibilita uma melhor eficiência, de modo a fornecer economia ao consumidor. Segundo SRD (2015), a ANEEL não estabelece o custo dos geradores e tampouco eventuais condições de financiamento. Portanto, o consumidor deve analisar a relação custo/benefício para instalação dos geradores.

Sendo assim as dificuldades encontradas são: o correto dimensionamento, prazos e custos para conexão das unidades geradoras. Outras dificuldades para maior disseminação da geração fotovoltaica distribuída, se destaca o desconhecimento do público sobre microgeração, excesso de impostos, altos custos de materiais importados, poucos fornecedores de materiais, alíquotas sobre a energia gerada entre outros.

Com base nas dificuldades citadas anteriormente, este trabalho busca responder ao seguinte problema: a instalação do sistema fotovoltaico, para verificação se é capaz de produzir energia elétrica suficiente para suprir as necessidades da residência, e qual o retorno econômico do sistema?

1.3 JUSTIFICATIVA

No Brasil, com a regulamentação de microgeração e minigeração, o consumidor passou a ter o benefício de geração de crédito com a implementação do sistema fotovoltaico em sua residência, sendo ainda uma fonte de energia limpa que contribui para a minimização do efeito estufa.

Como há sistemas disponíveis para cada tipo de instalação, apresentando soluções diversas, propõe-se uma solução que possa atuar de forma satisfatória com relação aos

parâmetros necessários para implementação do sistema fotovoltaico na residência do bairro de Cacupé, cidade de Florianópolis.

Esta solução, que será proposta, possibilitará o uso deste dimensionamento de sistema fotovoltaico, para casos que as características abordadas, como, intensidade solar, disposição de espaço para módulos, consumo médio de energia, entre outros, sejam semelhantes e ainda auxiliará no dimensionamento de casos diferentes ao proposto, pois se trata do passo a passo para o dimensionamento do sistema.

1.4 OBJETIVO GERAL

Pesquisar uma possível implementação de um sistema fotovoltaico capaz de ser acessível para pequenas gerações, tendo uma boa angulação para o aproveitamento mais adequado de cada época do ano buscando maximizar a captura de energia solar. Assim, propor o dimensionamento de um sistema fotovoltaico para um consumidor residencial, avaliando sua viabilidade técnica e financeira.

1.4.1 Objetivos Específicos

● Apresentar os tipos de sistemas fotovoltaicos; ● Verificar a medição da radiação solar (termografia); ● Analisar a inclinação de azimute;

● Calcular o consumo médio viável para a instalação fotovoltaica com dimensionamento do sistema;

● Especificar a viabilidade financeira de sistemas fotovoltaicos (geração x custo); 1.5 LIMITAÇÕES DO TRABALHO

Este trabalho apresenta um projeto de sistema fotovoltaico elaborado para instalação em uma residência.

Por ter sido elaborado a partir de dados de uma residência específica na localidade de Cacupé, Florianópolis, esse estudo de caso diz respeito à realidade enfrentada por essa região. Dessa forma, os cálculos, novas aplicações, bem como generalizações merecem um maior aprofundamento para serem aplicados em outras residências.

A expansão deste estudo para os demais ou novas aplicações tecnológicas poderá ser realizada em fases posteriores a conclusão deste Trabalho de Conclusão de Curso.

2 REFERENCIAL TEÓRICO

Neste capítulo são abordados fundamentos teóricos os quais servirão para sustentação do trabalho. Inicialmente uma abordagem de módulos solares, mostrando suas diversidades e características, posteriormente outros aspectos e componentes que compõe o sistema fotovoltaico.

2.1 ENERGIA FOTOVOLTAICA

O Sol, como fonte de energia, emite radiação solar que é convertida em energia elétrica. Alguns materiais sofrem excitação de elétrons quando em contato com a radiação solar, esta excitação move o elétron para uma camada de condução deixando uma lacuna. Este efeito foi descoberto por Alexandre Edmond Becquerel no ano de 1839, chamado de efeito fotovoltaico. Por meio de dopagem do material, são criadas camadas de valência do tipo n e p, estas produzem uma diferença de potencial produzindo energia fotovoltaica.

É uma energia limpa que usa uma fonte de energia (Sol) capaz de suprir necessidades de produções em quantidade proporcional ao sistema fotovoltaico instalado e seu dimensionamento. Nos itens seguintes, veremos os princípios de geração fotovoltaica, os tipos de sistemas, módulos e suas tecnologias e incentivos e regulamentação da energia.

2.2 TIPOS DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS

Durante a evolução humana sempre se buscou maneiras de facilitar e inovar nossa vida, ao passar do tempo se fez indispensável em nossa existência a energia elétrica. Por meio dela podemos fazer inúmeras aplicações. Apesar disso a preocupação com o meio ambiente devido a degradação provocada pelo ser humano, por exemplo da produção desta energia por meios não sustentáveis vem disseminado discussões pelo mundo, afim de minimizar e até mesmo acabar com efeitos agressivos que causam o efeito estufa e outros fatores que culminam em periculosidade da vida humana. Por isso, desde o século XVIII, tem-se buscado formas de implementar soluções em meio ao cenário da produção elétrica. Para tal, vem sendo desenvolvidas tecnologias em sistemas fotovoltaicos, por serem sustentáveis.

Células são produzidas de forma a se obter o melhor resultado em captação dos fótons, conversão em energia elétrica e durabilidade.

O efeito fotovoltaico foi demonstrado pela primeira vez pelo físico francês Alexandre Edmond Becquerel, por meio de um experimento, em 1839. Nessa mesma época, Willoughby Smith já havia descrito o efeito da luz em selênio durante a passagem de uma corrente elétrica, em um artigo que foi publicado na revista britânica Nature. Mas apenas em 1883 foram construídas as primeiras células (nome de cada elemento individual do sistema fotovoltaico), por Charles Fritts. Desde a década de 1970, a energia solar se encontra permanentemente na pauta das discussões sustentáveis dos governos do hemisfério norte. Israel, por exemplo, foi a primeira nação a desenvolver uma política pública com esse mote, já em 1980, apesar de, nesse período, a produção mundial ainda ser muito pequena. Foi em 1994 que se deu a primeira Conferência Mundial Fotovoltaica, no Havaí, e o século XX acabou mais de mil megawatts em sistemas já estabelecidos no mundo (GUIMARÃES, 2015).

Sendo assim é possível notar a partir da história, que a energia fotovoltaica está cada vez mais sendo implementada e a tendência é aumentar a produção de energia por módulos fotovoltaicos. Seus tipos de sistema modelam a melhor maneira de aplicá-la a cada situação.

2.2.1 Sistema Fotovoltaico Autônomo/Remoto (STA ou off-grid)

É um sistema no qual capta energia solar para armazenamento em baterias (back-up), ou para geração de energia em lugares distantes onde as concessionárias de energia não conseguem chegar (SOLAR BRASIL, 2018).

Algumas aplicações são: a) Eletrificação de cercas;

b) Sistema de bombeamento de água; c) Postes de iluminação;

d) Sistemas de telecomunicações; e) Radares;

f) Postos de saúde; g) Zonas rurais.

Compõem seu sistema, módulos solares, baterias, controlador de carga e inversor, mostrado na Figura 2.

Os módulos geram energia contínua, a energia se direciona ao controlador de carga (protege bateria de sobretensões e subtensão para que ela trabalhe no regime ideal).

As baterias alimentam o inversor que por sua vez converte 12V ou 24V contínuos para a tensão desejada, alimentando a carga em corrente alternada.

Figura 2 - Sistema fotovoltaico Offgrid

Fonte: NEO SOLAR, 2018.

2.2.2 Sistema Fotovoltaico de Geração Distribuída (GD)

A definição no Brasil sobre GD se dá por meio do Artigo 14º do Decreto Lei nº 5.163/2004, atualizado pelo decreto 786/2017.

Art. 14 - Considera-se geração distribuída toda produção de energia elétrica proveniente de agentes concessionários, permissionários ou autorizados (...) conectados diretamente no sistema elétrico de distribuição do comprador, exceto aquela proveniente de: hidrelétrico com capacidade instalada superior a 30 MW; termelétrico, inclusive de cogeração, com eficiência energética inferior a 75%. (BRASIL, 2004)

Sendo assim o sistema fotovoltaico de geração distribuída consiste na combinação de geração fotovoltaica e a energia proveniente da concessionária. Tal ligação se dá por meio dos inversores de corrente, do seu sincronismo de tensão e fases da rede. A falta de geração de energia fotovoltaica, por diversos fatores como o anoitecer, é suprida pela energia que vem da concessionária. Enquanto o excedente pode ser injetado na rede, essa energia “emprestada” gera

créditos que podem ser utilizados posteriormente, respeitando-se o prazo de 60 meses para sua utilização.

Na figura 3 temos uma representação ilustrativa dos principais componentes que definem os sistemas fotovoltaicos GD:

Figura 3 - Sistema de geração distribuída (GD)

Fonte: Canal Energia, 2017.

2.3 MÓDULOS FOTOVOLTAICOS

Conforme Carneiro (2010), a potência máxima que é alcançada através da utilização de uma única célula fotovoltaica não excede a potência de 3W.

Os módulos podem ser agrupados em série, paralelo ou misto para aumentar a capacidade de geração, que irão captar a radiação solar (fótons) e converter energia elétrica em corrente continua (CC), que irá ser convertida em corrente alternada (CA) pelo inversor, alimentando baterias ou determinadas cargas. A quantidade de módulos é determinada pela quantidade de energia necessária para suprir o dimensionamento do projeto.

Um arranjo fotovoltaico é formado por um conjunto de módulos, que por sua vez são formados por um conjunto de células

Figura 4 - Hierarquia do painel fotovoltaico (arranjo).

Fonte: Carneiro, 2010, P. 5.

Na construção dos módulos, é necessário dotá-los de características que lhes permitam resistir às condições ambientais adversas a que vão estar submetidos. Neste sentido, a fim de garantir a proteção contra a ação de esforços mecânicos, dos agentes atmosféricos e da humidade, as células são normalmente embebidas numa película de etileno acetato de vinilo (EVA). Trata-se de um material flexível, translúcido e não reflector da radiação solar, que tem ainda a particularidade de assegurar o isolamento eléctrico entre as células. Para a estabilização mecânica da estrutura, o acabamento é executado com aros de alumínio (leves e resistentes) e uma placa de vidro. (CARNEIRO, 2010, P.3)

A figura 5 representa componentes que normalmente são utilizados na construção de módulos fotovoltaicos, apresentando esquematicamente cada um deles:

Figura 5 - Componentes e materiais utilizados na construção de módulos fotovoltaicos.

Fonte: Carneiro, 2010, P. 4.

A Tabela 1 detalha cada componente e materiais dispostos no módulo fotovoltaico.

Tabela 1 - Componentes e materiais dispostos no módulo fotovoltaico.

1 Caixilho Alumínio anodizado. Confere rigidez mecânica

2 Vidro

Vidro temperado. Permite a entrada de luz solar e protege as células contra impactos mecânicos (granizo, contato manual, etc.)

3 e 5 Material de

encapsulamento

Película translúcida e não refletora da radiação solar. O EVA garante também o isolamento eléctrico entre as células.

4 Células fotovoltaicas (e.Si)

Representam o elemento que converte a luz solar em corrente elétrica

6 Isolamento elétrico Protege a parte posterior do módulo e evita também a entrada de água e gases.

Fonte: CARNEIRO, 2010, P. 5.

2.4 TECNOLOGIAS DE MÓDULOS FOTOVOLTAICOS

A fim de determinar o melhor módulo são realizados comparativos entre o melhor material, sua melhor composição e formato para se obter a melhor eficiência. Conforme Portal Solar (2018), de acordo com a empresa fornecedora, o que irá diferenciar o orçamento do outro é a tecnologia dos módulos fotovoltaicos.

2.4.1 Módulo Silício

O Silício (SI) é um elemento químico comumente encontrado na fabricação dos módulos solares, sua variação consiste em diferentes módulos que têm eficiências distintas. Segundo Portal Solar (2018), quanto mais perfeitas estiverem alinhadas as moléculas de silício, melhor a célula solar será na conversão de luz solar em energia elétrica. No entanto o tratamento é caro e impacta diretamente no valor dos módulos.

a) Silício monocristalino

Segundo Barreto (2008, p.21), as células de silício monocristalino:

São atualmente as mais utilizadas comercialmente. O silício é o segundo material mais abundante na crosta terrestre e células fabricadas com esse material não apresentam problemas ambientais causados pela combinação dos seus elementos constituintes. Apresentam elevada vida útil. As células de silício monocristalino são desenvolvidas a partir de um único cristal. [...]

As desvantagens estão relacionadas com o alto custo de produção, devido ao processo construtivo, e ao alto consumo de energia nos processos de fabricação. Acredita-se que novas tecnologias empregadas na fabricação do silício possam alterar esse quadro.

Dentre as tecnologias, se destaca por ser a mais antiga implementada e também a mais cara por sua eficiência de conversão fotovoltaica. Segundo Antunes (2017), a eficiência dos módulos é de 15% a 22%, com vida útil de 30 anos, são feitos a partir de um único cristal de silício ultrapuro. Tal eficiência implica numa demanda menor de espaço para gerar a mesma quantidade de energia elétrica comparado a outros modelos de módulos.

A Figura 6, ilustra um módulo monocristalino, onde pode-se observar seus cortes, nos quatro cantos da célula, técnica utilizada para utilizar melhor o espaço do módulo fazendo com que se tenha mais células por módulo.

Figura 6 - Módulo de silício monocristalino

Fonte: Portal Solar, 2018.

b) Silício policristalino

Também constituintes de silício, os módulos policristalinos, conforme observado na Figura 7, se diferem no procedimento utilizado para sua fabricação.

Células de Silício Poli ou Multicristalino: são constituídas de diversos cristais em contato entre si, dispostos de maneira não alinhada. Esse procedimento visa reduzir

custos de fabricação, embora haja uma pequena perda de eficiência. Os avanços tecnológicos vêm reduzindo bastante as diferenças de custo e eficiência entre as células mono e policristalinas, sendo essas diferenças atualmente pouco perceptíveis. (BARBOSA et al, 2008, p. 58)

Segundo Antunes (2017), o módulo policristalino possui eficiência de 14% a 20%. São semelhantes ao monocristalino no desempenho e na degradação, exceto que as células possuem menor eficiência. Ele gera menos resíduos na sua geração comparado ao monocristalino e assim são mais baratos, tendo a vida útil similar de aproximadamente 30 anos. Pelo fato de ser menos eficiente, necessita de uma área maior para gerar a mesma energia que o monocristalino.

Figura 7 - Módulo de silício policristalino

Fonte: Portal Solar, 2018.

c) Silício amorfo (a-Si)

Já as células de silício amorfo “não apresentam qualquer ordenamento na estrutura dos átomos. Seus custos de material são reduzidos se comparados às células anteriores, porém apresentam eficiência também reduzida, com o máximo valor comercial atingindo 10%” (BARBOSA at al, 2008, p. 21)

Segundo Antunes (2017), uma das categorias de módulos fotovoltaicos de filme fino, que têm material fotovoltaico depositado sobre o resíduo de silício amorfo (a-Si). A técnica onde camadas de células solares de silício amorfo podem ser combinadas, resulta em taxas mais eficientes (cerca de 6-9%). Por outro lado, é caro.

Figura 8 - Módulo de Silício amorfo

Fonte: Portal Solar 2018.

2.4.2 Módulo de Telureto de Cádmio (CdTe)

Segundo Antunes (2017), a eficácia de módulos fotovoltaicos com base de telureto de cádmio, conforme Figura 9, opera na faixa de 9 a 16%. As instalações com os módulos de CdTe PV são tipicamente grandes usinas de energia solar.

Figura 9 - Módulos de Telureto de Cádmio

Fonte: Portal Solar, 2018.

2.4.3 Módulo de Seleneto de Cobre, Índio e Gálio (CIGS)

As Células de Seleneto de Cobre-Índio e Gálio são de filme fino. Segundo Antunes (2018), mostram o maior potencial de eficiência entre as filme fino e contém menos quantidade

de cádmio, que é um material tóxico. Os índices de eficiência para módulos fotovoltaicos CIGS normalmente operam na faixa de 10 a 12% e já existem alguns sendo vendidos no Brasil passando dos 13%.

2.4.4 Módulo de Células Orgânicas

São células solares de polímero que utilizam a eletrônica orgânica para lidar com polímeros orgânicos condutores e pequenas moléculas orgânicas proporcionando a absorção de luz e produção de eletricidade. De acordo com Antunes (2017), em artigo publicado no Portal Solar:

A célula solar de polímero orgânico foi idealizada há muitos anos como uma tecnologia fotovoltaica flexível, de baixo custo, feita utilizando processos de impressão, máquinas simples e materiais abundantes. Hoje são poucas as empresas que conseguiram levar a produção de células fotovoltaicas (OPV) para uma escala industrial. No Brasil existe a CSEM Brasil, em Belo Horizonte, que está desenvolvendo esta produção com tecnologia principalmente suíça.

Eles utilizam um processo industrial (roll to roll) de impressão de células fotovoltaicas orgânicas em substrato leve, flexível e transparente. As eficiências das células orgânicas variam.

Na figura 10, observa-se a maleabilidade da célula solar de polímero orgânico:

Figura 10 - Célula Orgânica

2.5 LIGAÇÃO SÉRIE E PARALELO

Afim de se aumentar a potência máxima de um arranjo fotovoltaico, é feita a ligação dos módulos podendo ser em série, em paralelo ou mista. Também são utilizados módulos do mesmo tipo, reduzindo assim perdas de potência no sistema.

Segundo Carneiro (2010), os módulos ligados em série constituem o que normalmente se designa como fileiras. Sua ligação permite obter tensões mais elevadas, mantendo a corrente estipulada do módulo.

Ela se dá ligando-se o polo positivo do módulo ao polo negativo do outro mais próximo, e assim sucessivamente até se obter a fileira de módulos, para fechar o circuito é ligado ao inversor, os polos dos módulos correspondentes aos polos do inversor. Na Figura 11, a esquematização da ligação dos módulos em série.

Figura 11 – Representação da ligação dos módulos em série

Fonte: Carneiro, 2010.

Segundo Carneiro (2010), a ligação em paralelo entre módulos individuais (utilizada tipicamente nos sistemas autônomos), é efetuada quando pretende obter correntes mais elevadas e manter o nível de tensão estipulada do módulo.

Em paralelo os polos correspondentes positivos e negativos de todos os módulos estão ligados, juntamente com os do inversor. Na Figura 12, a esquematização da ligação dos módulos em paralelo.

Figura 12 – Representação da ligação dos módulos em paralelo

Fonte: Carneiro, 2010.

Existem ainda as ligações mistas, onde os módulos podem ser ligados em série e também em paralelo, representando mais de uma fileira. Segundo Carneiro (2010), obtêm-se as características das associações em série e paralelo, ou seja, valores mais elevados de corrente e tensão. Na Figura 13, a esquematização da ligação mista dos módulos.

Figura 13 – Representação dos módulos em ligação mista

Fonte: Carneiro, 2010.

A escolha da ligação do arranjo é obtida a partir do cálculo de tensão e corrente dos módulos e do inversor, dando parâmetros para saber quantos módulos podem ser ligados em série, quantas fileiras serão possíveis e quantos módulos são possíveis por fileira, de modo que o inversor suporte a tensão e a corrente que vem dos módulos.

2.6 REGULAMENTAÇÃO DE GERAÇÃO FOTOVOLTAICA

A geração de pequeno porte é regulamentada pela Resolução Normativa nº 687 da ANEEL, de 24 de novembro de 2015, que altera o Artigo 2º da Resolução Normativa nº 482, de 17 de abril de 2012, passando a vigorar com a seguinte redação:

Art. 2º

I - microgeração distribuída: central geradora de energia elétrica, com potência instalada menor ou igual a 75 kW e que utilize cogeração qualificada, conforme regulamentação da ANEEL, ou fontes renováveis de energia elétrica, conectada na rede de distribuição por meio de instalações de unidades consumidoras;

II - 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;

III - sistema de compensação de energia elétrica: sistema no qual a energia ativa injetada por unidade consumidora com microgeração ou minigeração distribuída é cedida, por meio de empréstimo gratuito, à distribuidora local e posteriormente compensada com o consumo de energia elétrica ativa;

[...]

(BRASIL, 2015)

A partir de 2015, pode-se definir quando será instalado uma microgeração ou minigeração, especificando o sistema de cogeração e geração de créditos devido ao empréstimo a distribuidora local.

2.7 PRINCIPAIS PARÂMETROS DO SISTEMA FOTOVOLTAICO

São parâmetros estudados afim de se obter o bom dimensionamento dos módulos fotoltaicos, seu rendimento, seus efeitos e colaborações para constituir a eficiência obtida.

Melo (2012), em dissertação de mestrado apresentada à Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, utilizou dois softwares que são capazes de simular fatores de geração como sombreamento, ângulo de azimute, irradiação, hora, etc: PVsyst e Ecotec. Existem ainda outros softwares que colaboram para estas análises, como o HelioScope e o Sunrisk.

2.7.1 Fator de Sombreamento

Os fatores de sombreamento ocorrem quando um objeto se interpõe entre a irradiação solar e o módulo fotovoltaico. Este sombreamento pode se dar através de diferentes

influências, por exemplo: sujeira acumulada ao longo do tempo, árvores, arquitetura da edificação ou de edificações próximas, entre outros.

O sombreamento faz com que a corrente do sistema fotovoltaico seja prejudicada, reduzindo a potência do mesmo. De acordo com Rampinelli e Krenzinger (2006) em casos extremos, toda a potência gerada pelo sistema pode ser perdida pelo simples fato de se ter uma célula sombreada ou com defeito.

O sombreamento parcial de um painel fotovoltaico é um grande problema que resulta numa drástica redução da potência gerada, podendo provocar o surgimento de pontos quentes (hot spots) na célula sombreada. Isto ocorre devido ao aumento da resistência interna das células sombreadas, aumentando-se então o calor gerado por Efeito Joule nesses pontos. (SOUZA, 2014)

A iluminação desigual da superfície do módulo pode causar danos as células a médio longo prazo, podendo até causar a queima de células.

2.7.2 Horas Solares

A hora solar consiste em uma estimativa de irradiação solar absorvida na superfície terrestre em um determinado período de tempo. É um método de observação de angulação da incidência dos raios solares de forma a otimizar a absorção de energia pelos módulos fotovoltaicos.

Os dados sobre as incidências de irradiação solar inicialmente eram adquiridos através de estações meteorológicas localizadas em diferentes áreas do planeta. Estas estações, através da utilização de equipamentos como o pireliômetro, e o sensores de horas de insolação, que realizam medições de irradiação global horizontal e horas de insolação. Segundo Melo (2012, p. 40):

Através da interpolação de dados de estações meteorológicas próximas é possível estimar dados da radiação solar em uma localidade onde não existem informações medidas diretamente. Todavia muitas vezes a distância entre as estações é grande e o relevo acidentado causa grandes variações no clima não permitindo obter boa precisão por meio de interpolação.

Nas últimas décadas, as imagens de satélites possibilitaram observar e realizar estimativas sobre a irradiação solar, bem como sobre as horas de insolação, através de

algoritmos e modelos que podem ser físicos ou estatísticos, segundo o Atlas Brasileiro de Energia Solar (2006, p. 14):

Os modelos estatísticos utilizam formulações empíricas entre medidas de radiação incidente na superfície e condições atmosféricas locais e, geralmente, apresentam validade restrita à região estudada. Já os modelos físicos são válidos para qualquer região uma vez que solucionam a equação de transferência radiativa que descreve matematicamente os processos físicos que ocorrem na atmosfera.

Estes modelos estatísticos que utilizam imagens de satélites possuem a vantagem de cobrir uma vasta extensão territorial. São considerados para fins de calcular a irradiação e as horas de insolação: a constante solar 𝐺𝑠𝑜, a irradiação refletida pela atmosfera e superfície terrestre 𝐺_𝑟𝑒𝑓, refletida pelo solo 𝜌𝑔 e absorvida pela atmosfera 𝐺_{𝑎,𝑎𝑏𝑠} (POLO, ZARZALEJO E RAMIRES, 2008 APUD MELO, 2012, p. 40).

G =_{1 − 𝜌𝑔 (𝐺}1 𝑠𝑜− 𝐺𝑎,𝑎𝑏𝑠− 𝐺𝑟𝑒𝑓)

Segundo Atlas Brasileiro de Energia Solar (2006, p. 7-8), no Brasil, existem alguns estudos disponíveis sobre as horas solares e irradiação. O Projeto SWERA, desenvolvido através de parceria entre o DMA/CPTEC/INPE e LABSOLAR/UFSC, utilizou o modelo Brasil-SR para realizar as medições, sendo posteriormente validado por dados obtidos através de estações meteorológicas e bases de dados do CPTEC/INPE. Os resultados das análises deste projeto estão disponíveis ao público em geral no site do Projeto SWERA.

2.7.3 Inclinação geográfica

O ângulo de azimute é definido pelo ângulo horizontal da distância do telhado da unidade consumidora com relação ao norte geográfico. Deve ser considerado pelo fato de no hemisfério sul a disponibilidade de maior incidência do sol, se dá na direção da linha do Equador, que serve como referência para a trajetória do sol.

Quando um módulo é instalado no hemisfério sul a orientação geográfica ideal se dá quando a superfície dos módulos está voltada ao norte verdadeiro. (SOUZA, 2014).

O movimento do sol segue um arco com trajetória paralela a linha do Equador, nascendo próximo da direção leste e se pondo próximo ao oeste, ou seja, pela manhã o sol estará

entre leste e o norte, ao meio dia estará mais a norte e pela tarde estará entre o norte e o Oeste. De acordo com a Figura 14, a demonstração da variação da trajetória do sol.

Figura 14 - Variação da trajetória do Sol ao longo do ano para um observador no hemisfério sul.

Fonte: Costa e Maroja, 2018.

A influência da orientação geográfica de um arranjo fotovoltaico sobre o seu rendimento solar não é muito relevante quando há um desvio azimutal menor que 30º em relação ao norte geográfico (a oeste ou a leste), ou quando a inclinação é igual ou menor a 20º. (SOUZA, 2014).

A inclinação no telhado se dá a partir na análise do local, ela influência diretamente no potencial de geração, pois como o ângulo de azimute, permite uma melhor posição em relação a melhor disposição de irradiação solar durante o dia. Para a residência da cidade de Florianópolis é escolhido a água do telhado que estará melhor posicionada em direção ao norte geográfico, também chamado de norte verdadeiro.

2.8 INVERSOR DE CORRENTE

A energia gerada pelos módulos fotovoltaicos, tem sua corrente em forma contínua. Já o sistema elétrico de potência brasileiro utiliza o sistema de corrente alternada. Portanto, quando se opta pela geração de energia solar, se faz necessária a instalação de inversores que transformam a corrente contínua em alternada.

Há dois tipos de inversores comumente utilizados, os chamados Grid Tie, que significa conectados à rede, para utilização de sistemas diretamente conectados à rede e o inversor off grid, desconectado da rede, são conectados a baterias.

A vantagem é que eles são projetados para desligar rapidamente da rede elétrica, caso haja queda de energia. Esse desligamento é um procedimento de segurança para com a rede elétrica, chamada de ilhamento. O inversor grid tie copia a frequência da rede e para de funcionar para evitar curtos ou problemas quando não há

fornecimento de energia da rede. (GUIMARÃES,2015)

Dentre suas funcionalidades também fazem a segurança do sistema e o monitoramento obtido de dados da geração fotovoltaica. Para tal sua instalação é comumente feita perto de quadros de distribuição nas residências e dos módulos fotovoltaicos, onde esteja protegido do calor do sol, da água e outros fatores que possam prejudicar sua operação.

Segundo Guimarães (2015), algumas características devem ser observadas ao se escolher o melhor inversor, são elas:

a) Nível da proteção contra água e poeira

Segundo a norma NBR IEC 60529:2017 referente a graus de proteção por invólucro de equipamentos elétricos, são regidos níveis de proteção contra acesso as partes perigosas, para evitar que objetos entrem, contra entrada de água e poeira;

b) Eficiência

É a porcentagem (%) que o inversor converte corrente continua (CC) em corrente alternada (CA). Uma maior eficiência é desejada, sendo o mínimo aceitável 94% de eficiência;

c) Duplo Rastreamento (Duel MPPT)

Para utilização de módulos fotovoltaicos em duas superfícies distintas em uma residência, caso haja necessidade por se ter falta de espaço no telhado, é utilizado inversores solares com duplo rastreamento;

d) Inversor com transformador e sem transformador

A diferença está no processo de conversão da corrente de CC para CA. Inversores com transformador têm mais peso, consequentemente mais caros na produção, geram mais calor e muitos acabam sendo menos eficientes do que os que não possuem transformador.

No Brasil, a regulamentação Aneel exige o transformador de acoplamento nos SFCRs de minigeração, ou seja, cuja potência instalada é superior a 100kWp, de forma que se estes já não estiverem incorporados no inversor, então terão de ser instalados externamente. (CRESESB, 2014, P.238). Na figura 15, a representação de um inversor.

Figura 15 - Inversor Solar

Fonte: ASolar, 2018.

2.9 CABEAMENTO

A utilização de cabeamentos em desacordo com a norma NBR 5410 de 2004, pode influenciar na transmissão da energia produzida, acarretando perdas, sobrecarga, curto circuito, bem como podem representar riscos à segurança, tendo em vista os aquecimentos que ocorrem neste processo.

Os cabos devem ser antichama, resistentes a temperaturas extremas, ozônio e UV, livres de halogênios e com baixa emissão de gases tóxicos. (REVISTA FOTOVOLT, 2016, p. 30). Esses cabos conectam os módulos fotovoltaicos aos inversores e os inversores à rede elétrica.

2.10 EQUIPAMENTO DE PROTEÇÃO DE MÓDULOS FOTOVOLTAICOS

Sistemas fotovoltaicos podem representar riscos de descargas elétricas, ao longo de anos, tanto para os trabalhadores que realizam suas manutenções quanto para os próprios equipamentos. A necessidade de aterramento destes sistemas é frequentemente discutida no setor elétrico, afim de garantir a segurança destes trabalhadores protegendo-os de descargas. Além disso, tendo em vista que estes equipamentos ainda possuem um custo alto de produção, é preciso que sejam protegidos de descargas atmosféricas e outros fenômenos.

Entre os sistemas de proteção, podem ser citados os disjuntores atrelados a inversores, dispositivos de Sistemas de Proteção de Descargas Atmosféricas (SPDA) e Dispositivos de Proteção contra Surtos (DPS) para proteção contra descargas elétricas, fusíveis, o aterramento da rede e dos módulos fotovoltaicos, bem como sua estrutura metálica utilizando jumpers. Isto seguindo as normas NBR 5410:2004 e 5419:2015.

2.11 ESTRUTURA DE FIXAÇÃO

As estruturas dos módulos fotovoltaicos devem ser resistentes, pois precisam suportar ventos fortes, chuva e o seu próprio peso. Portanto, devem ser estáveis, dissipar o calor, bem como ser aterradas para evitar choques.

Devem ser resistentes a corrosão e devem ter uma distância entre os módulos para que não existam interferências entre as mesmas e propiciem acesso para manutenção.

Estas estruturas podem ser fixas, de acordo com o ângulo de maior incidência de irradiação ou ajustáveis, onde se movimentam com ajuda de rastreadores solares (trackers).

Os itens de uma estrutura de fixação são de alumínio e aço, sendo composta por: - Trilho;

- Grampo intermediário; - Grampo terminador; - Gancho de sustentação; - Parafusos prisioneiros.

O trilho serve basicamente para a sustentação dos módulos que são conectados por meio de grampos intermediários e terminador. Como o nome já sugere os grampos intermediários são ligados entre dois módulos enquanto o terminador nas extremidades do

módulo. A função dos ganchos de sustentação e dos parafusos prisioneiros é fixar os perfis de alumínio ao telhado. Na figura 16, mostra os itens citados.

Figura 16 - Estrutura de fixação

3 METODOLOGIA DA PESQUISA

Foi realizado no estudo, uma pesquisa aplicada cujo objetivo foi gerar conhecimentos para a resolução de um problema, através da pesquisa de campo. Este tipo de pesquisa “caracteriza-se pelas investigações em que, além da pesquisa bibliográfica e/ou documental, se realiza coleta de dados junto a pessoas, com o recurso de diferentes tipos de pesquisa” (GERHARDT, T. E.; SILVEIRA, D. T., 2009, p. 37).

No trabalho também consta um estudo de caso, onde:

É um método de pesquisa que utiliza, geralmente, dados qualitativos, coletados a partir de eventos reais, com o objetivo de explicar, explorar ou descrever fenômenos atuais inseridos em seu próprio contexto. Caracteriza-se por ser um estudo detalhado e exaustivo de poucos, ou mesmo de um único objeto, fornecendo conhecimentos profundos. (EISENHARDT, 1989; YIN, 2009)

A pesquisa foi dividida em três momentos. Num primeiro momento foi realizada uma criteriosa revisão bibliográfica acerca dos diferentes módulos disponíveis no mercado, suas aplicações, bem como sobre fatores que possam influenciar perdas. O segundo momento deu-se pelo levantamento de dados referentes a residência pesquisada. No terceiro momento foi realizada a análise dos dados obtidos e as indicações do módulo mais adequado ao caso estudado.

Foram analisados documentos como Fatura de Energia, planta do telhado da residência, localização geográfica, incidência solar, entre outros, que possibilitaram a conclusão da pesquisa e a indicação dos módulos mais eficientes.

4 ANÁLISE E DIMENSIONAMENTO DE UM SISTEMA FOTOVOLTAICO ON GRID

Para análise de sistema fotovoltaico a ser implantado são buscadas algumas características importantes da residência: espaço físico para instalação dos módulos, interferências no telhado como antenas, telhados com várias águas, inclinação do telhado, consumo médio de energia, rede na qual o sistema será instalado, instalações elétricas, a localidade, obstruções que causem sombreamento e a densidade energética durante o dia.

Após a análise prévia e obtenção dos dados, é realizado o dimensionamento visando um menor custo. Se enquadra a quantidade e escolhas dos módulos, tal como sua disposição, podendo ser em série ou paralelo, escolha do inversor que melhor se adapta, cabeamento e suporte de fixação.

4.1 ASPECTOS GERAIS DA RESIDÊNCIA

A residência considerada para este estudo de caso, localiza-se em Cacupé, bairro de Florianópolis no estado de Santa Catarina, Brasil. O projeto elaborado para instalação dos módulos fotovoltaicos considerou a área do telhado, a fim de evitar sombreamentos que possam influenciar na incidência da irradiação solar.

O telhado em questão possui águas e uma chaminé, não apresentando outras obstruções que possam dificultar a implementação dos módulos nas áreas dispostas. É importante salientar que mesmo tendo áreas repartidas, a área total do telhado é de 161,15 m², como podemos ver na Figura 17, a face utilizada para a futura instalação está voltada para noroeste.

Figura 17 - Residência vista aérea

Fonte: Google Maps, 2018.

Figura 18 - Residência vista frontal

Fonte: Dos autores, 2018.

Como observado na Figura 18, não existem objetos ao redor que possam causar sombreamento total ou parcial.

4.1.1 Alocação dos módulos fotovoltaicos

Para a efetiva captação dos raios solares no hemisfério sul, busca-se uma melhor orientação azimutal voltando a superfície dos módulos fotovoltaicos para a direção norte verdadeiro. Com base nessa informação e na análise da planta de implementação do telhado junto a uma visita técnica do local, obteve-se com o auxílio de um clinômetro, a inclinação

angular do telhado próxima de 20º. Optou-se, portanto, na implementação dos módulos na parte frontal da casa, onde está virada a noroeste.

Para melhor entendimento foi digitalizado a planta da vista superior do telhado com auxílio do software AutoCAD, juntamente com as cotas, como segue na Figura 19.

Figura 19 - Planta telhado vista superior

Fonte: Dos autores, 2018.

A área central superior, na parte frontal da casa, mostra ser o local mais adequado, tanto para evitar o sombreamento da própria unidade consumidora, como por ter uma área abrangente de 31,54 m².

4.1.2 Correção da inclinação

Para a correção da angulação do módulo, usamos o fator de correção para superfície inclinada da região, com a maior média anual. Esse fator é chamado de horas de Sol a pico

corrigido. A Tabela 2, permite verificar a irradiação solar no plano inclinado com angulação de maior média anual de 22º e no plano horizontal da cidade de Florianópolis. Esta será a inclinação ideal para a localidade de Cacupé, que é próxima a do telhado com 20º.

Tabela 2 - Irradiação solar no plano inclinado.

Ângulo Inclinação Irradiação solar diária média mensal (kWh/m². dia)

Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Media Plano Horizontal 0°N 5,82 5,45 4,72 3,77 3,06 2,57 2,7 3,39 3,57 4,32 5,54 5,92 4,24 Ângulo igual a Latitude 28°N 5,19 5,19 4,93 4,41 3,99 3,51 3,59 4,14 3,83 4,22 5,02 5,18 4,43 Maior média anual 22°N 5,39 5,32 4,96 4,33 3,85 3,36 3,45 4,04 3,82 4,29 5,2 5,41 4,45 Maior mínimo mensal 41°N 4,64 4,79 4,74 4,45 4,19 3,74 3,79 4,24 3,74 3,94 4,53 4,6 4,28 Fonte: Cresesb, 2018.

O ângulo de azimute permite identificar quantos graus o telhado está deslocado do norte geográfico. Deve-se realizar a correção do sistema fotovoltaico, afim de que a captação da radiação solar seja mais intensa na superfície dos módulos. Os desvios azimutais aceitáveis para o hemisfério sul, segundo Souza (2014), são de 0º a 30º a partir do norte geográfico. Quanto maior o ângulo menor será a exposição ao sol. Pela Figura 20, identificamos a angulação azimutal da diferença de 328º em 360°, pois a casa está na direção noroeste, resultando, portanto, um ângulo de azimute de 32°.

Figura 20 - Ângulo de azimute geográfico

Fonte: Google Earth, 2018.

É necessário corrigir a inclinação entre 2º e 32º, para a instalação ser aceitável e então ter inclinação entre 0° e 30°.

4.2 CÁLCULO DA DEMANDA MÉDIA

O projeto do micro gerador fotovoltaico deve atender à energia consumida da residência. Para isso foi identificado o consumo médio de energia de um ano, afim de calcular qual deverá ser a capacidade do sistema fotovoltaico.

A Figura 21 demonstra a fatura de energia da residência. Observamos a partir da fatura, os dados sobre o histórico de energia consumida, apresentada em forma gráfica na parte inferior no item de Histórico de Consumo, exibido em kWh (Quilo Watt Hora).

Figura 21 - Fatura de Energia

Fonte: Dos autores, 2018.

Para realizar o cálculo da média da energia consumida, é realizado a média aritmética de consumo energético dos últimos doze meses de faturamento, consideramos o período compreendido entre o mês de outubro de 2017 e o mês de setembro de 2018, conforme segue:

𝐹𝑚𝑚 = 127 + 177 + 173 + 234 + 236 + 337 + 250 + 197 + 274 + 305 + 254 + 335₁₂ (1)

𝐹𝑚𝑚 = 240,75𝑘𝑊ℎ (1)

Onde:

𝐹𝑚𝑚 = 𝑛𝑒𝑐𝑒𝑠𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔é𝑡𝑖𝑐𝑎 𝑚é𝑑𝑖𝑎 𝑚𝑒𝑛𝑠𝑎𝑙 𝑒𝑚 𝑘𝑊ℎ 𝑜𝑢 𝑓𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑚é𝑑𝑖𝑜 𝑚𝑒𝑛𝑠𝑎𝑙;

Este valor de 240,75kWh é uma média aproximada do consumo da residência, podendo ser alterada a partir de aumento ou diminuição da carga instalada como, por exemplo, no número de aparelhos condicionadores de ar ou em casos em que os habitantes se ausentem por períodos longos.

4.2.1 Necessidade energética

Após a obtenção do consumo médio mensal, é necessário diminuir a taxa de disponibilidade, pois ela já será descontada da fatura, ou seja, já é um consumo que deverá ser pago. Para o caso de um consumidor B1, que têm como fornecimento uma rede bifásica a 3 (três) condutores, é de 50kWh, conforme ANEEL nº 414/ 2010.

Logo, o cálculo da energia a ser compensada diariamente em kWh, se dá pela Equação (2), conforme Souza (2014):

𝐸𝑐𝑑 =𝐹𝑚𝑚₃₀− 𝐹𝑚𝑖𝑛 (2)

Tal que:

𝐸𝑐𝑑 = 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑒𝑚 𝐾𝑊ℎ 𝑎 𝑠𝑒𝑟 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑒𝑛𝑠𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑖𝑎𝑟𝑖𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑒;

𝐹𝑚𝑖𝑛 = 𝑓𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑚í𝑛𝑖𝑚𝑜 𝑒𝑚 𝑘𝑊ℎ 𝑜𝑢 𝑜 𝑐𝑢𝑠𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑑𝑖𝑠𝑝𝑜𝑛𝑖𝑏𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒

Portanto para uma energia média mensal de 240,75 kWh, obtém-se a energia a ser compensada diariamente de 6,3583 kWh.

𝐸𝑐𝑑= 240,75 − 50₃₀ (2)

𝐸𝑐𝑑= 6,3583 𝑘𝑊ℎ (2)

4.3 POTÊNCIA DO MÓDULO FOTOVOLTAICO

A medida da potência do módulo fotovoltaico é medida em pico Watts. Este dado permite saber a necessidade de energia para suprir o consumo da residência e consequentemente a estimativa da potência do inversor.

Pelo portal Cresesb (2018) e com a localização geográfica, é possível analisar a incidência de raios solar hora na região de instalação, que têm como coordenadas geográficas: latitude -27,537856 (sul) e longitude -48,513570 (oeste). Conforme Tabela 3, onde representa

a coordenada geográfica mais próxima a unidade consumidora, é encontrado a energia a ser compensada diariamente e a média de horas sol a pico em kWh/m². dia.

Tabela 3 - Irradiação solar diária média Latitude

[°]

Longitude [°]

Irradiação solar diária média mensal (kWh/m². dia)

Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Media 27,5°S 48,549°O 5,82 5,45 4,72 3,77 3,06 2,57 2,7 3,39 3,57 4,32 5,54 5,92 4,24 Fonte: Cresesb (2018)

Para esta localização, obtém-se dados de irradiação solar no plano horizontal, sendo demonstrado (Gráfico 1) ao longo dos doze primeiros meses de 2018, uma média anual de 4,24 horas de sol pico kWh/m².

Gráfico 1- Irradiação solar no plano horizontal

Fonte: Cresesb (2018), modificado pelos autores.

Com isso é possível calcular a potência de pico do módulo (𝑃𝑜𝑡_{𝑝𝑖𝑐𝑜}), com a Equação (3), conforme Souza (2014):

𝑃𝑜𝑡𝑝𝑖𝑐𝑜 = _𝐻𝑆𝑃𝐸𝑐𝑑 (3) Tal que: 𝐸𝑐𝑑 = 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑒𝑚 𝐾𝑊ℎ 𝑎 𝑠𝑒𝑟 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑒𝑛𝑠𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑖𝑎𝑟𝑖𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑒; 𝑃𝑜𝑡𝑝𝑖𝑐𝑜 = 𝑝𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑜 𝑝𝑎𝑖𝑛𝑒𝑙; 𝐻𝑆𝑃 = ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑠𝑜𝑙 𝑎 𝑝𝑖𝑐𝑜. 5.82 5.45 4.72 3.77 3.06 2.57 2.7 3.39 3.57 4.32 5.54 5.92 0 1 2 3 4 5 6 7

Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez

Ir rad iação (kW h/ m ². di a)

Logo teremos:

𝑃𝑜𝑡𝑝𝑖𝑐𝑜 = 6,3583𝑘_4,24 (3)

𝑃𝑜𝑡𝑝𝑖𝑐𝑜 = 1,5 𝑘𝑊𝑝 (3)

A potência de pico de 1,5kWp é a potência total desejada de instalação, ou seja, o somatório das potências dos módulos fotovoltaicos.

4.4 ESCOLHA E QUANTIDADE DE MÓDULOS

Para escolha dos módulos, será levada em consideração a viabilidade, preço de mercado, suas características como tensão, corrente e potência de pico. A corrente influencia na quantidade de fileiras em paralelo, enquanto a tensão influencia na quantidade de módulos fotovoltaicos em série que o inversor pode suportar. Já a potência de pico influencia na quantidade dos módulos e na potência do inversor.

Com base na pesquisa de mercado se obteve o módulo monocristalino, com um preço próximo aos módulos policristalinos. Tendo esta diferença de preço próxima e, sendo a de monocristalino com maior eficiência, implica em um menor número de módulos para suprir as necessidades energéticas da unidade consumidora.

Associando o fator anteriormente explicado a possível amplificação do sistema, que foi levada em consideração na obtenção dos trilhos e na escolha do inversor. Permitindo avaliar a seguinte situação em que a amplificação do sistema para módulos policristalinas implicam na compra de mais módulos e de um novo trilho, que consequentemente seria o valor de um outro módulo, assim sendo aumentaria os custos, para uma mesma produção de módulos monocristalinos em que só haveria a necessidade de comprar mais um módulo para amplificação do sistema, obtendo-se em ambos o mesmo rendimento.

O módulo escolhido é o SuperPower CS6K-305MS da fabricante Canadian Solar Inc. Suas medidas são de 0,992m de largura e 1,650m de comprimento, com uma potência máxima de 0,305 kWp por modulo, conforme as informações do datasheet e a Tabela 4.

Tabela 4 - Dados Elétricos em Condição de Laboratório (STC)

Grandeza (𝑋_𝑠𝑡𝑐) Dados

Potência nominal máxima (𝑃_𝑚á𝑥) 305 W

Tensão máxima de operação (𝑉_𝑚𝑝) 30,2 V

Corrente máxima em operação (𝐼_𝑚𝑝) 7,48 A Tensão em circuito aberto (𝑉_𝑜𝑐) 37,4 V

Corrente de curto circuito (𝐼_𝑚𝑝) 8 A

Eficiência 18,63%

Temperatura de operação -40°C ~ +85°C

Tensão máxima do sistema 1000 V (IEC) ou 1000 V (UL)

Irradiância em STC máxima 1000 W/m²

Temperatura em STC máxima 25° C

Fonte: CANADIAN SOLAR INC., 2017.

A Figura 22 mostra o módulo, que é do tipo monocristalino e possui um arranjo de 60 células.

Figura 22 - Módulo solar escolhido

Fonte: Canadian Solar Inc., 2017.

Para se conhecer a quantidade de módulos, deve-se calcular a Equação (4) a partir da Equação (3) e dos dados presentes na Tabela 4, conforme Souza (2014):

𝑁º𝑚𝑜𝑑 =_𝑘𝑊𝑝𝑃𝑜𝑡𝑝𝑖𝑐𝑜 𝑚𝑜𝑑

Tal que: 𝑁º𝑚𝑜𝑑 = 𝑞𝑢𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑒 𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜𝑠; 𝑃𝑜𝑡𝑝𝑖𝑐𝑜 = 𝑝𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑜 𝑝𝑎𝑖𝑛𝑒𝑙; 𝑘𝑊𝑝𝑚𝑜𝑑 = 𝑝𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑑𝑎 𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜. Logo teremos: 𝑁º𝑚𝑜𝑑 =_0,3051,5 (4) 𝑁º𝑚𝑜𝑑 = 4,918 (4) 𝑁º𝑚𝑜𝑑 ≌ 5 (4)

O número de módulos deve ser um número inteiro, estando próximo a cinco, valor que será utilizado para quantidade de módulos fotovoltaicos. A aproximação ao valor inteiro superior, significa uma eficiência energética próxima a desejada, desperdiçando pouca potência, comparado ao consumo médio da residência. Com 5 módulos o sistema terá uma área de 8,184m² que se adequa a área escolhida do telhado, dando ainda espaçamento entre a instalação dos módulos, ajudando no resfriamento e evitando um possível sombreamento.

Com a definição do número de módulos na Equação (4), é calculada a energia a ser compensada diariamente, onde utilizou-se a Equação (3) para uma correção da energia a ser compensada diariamente:

5 =𝑃𝑜𝑡_0,305𝑝𝑖𝑐𝑜′ (4)

𝑃𝑜𝑡𝑝𝑖𝑐𝑜′ = 1,525 𝑘𝑊𝑝 (4)

𝐸𝑐𝑑′ = 1,525𝑥4,24 (3)

𝐸𝑐𝑑′ = 6,466 𝑘𝑊 (3)

Com isso obteve-se a energia compensada diariamente corrigida com o valor de 6,466 kW, que será utilizada para cálculo do inversor.

Tabela 5 – Resultados de cálculo da necessidade energética.

Variável de Cálculo Resultado Obtido

𝐹𝑚𝑚− 𝑓𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑚é𝑑𝑖𝑜 𝑚𝑒𝑛𝑠𝑎𝑙 240,75𝑘𝑊ℎ 𝐸𝑐𝑑 − 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑎 𝑠𝑒𝑟 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑒𝑛𝑠𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑖𝑎𝑟𝑖𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑒 6,3583 𝑘𝑊ℎ 𝑃𝑜𝑡𝑝𝑖𝑐𝑜− 𝑝𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑜 𝑝𝑎𝑖𝑛𝑒𝑙 1,5 𝑘𝑊𝑝 𝑁º𝑚𝑜𝑑 − 𝑞𝑢𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑒 𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜𝑠 5 𝑃𝑜𝑡𝑝𝑖𝑐𝑜′ − 𝑝𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑜 𝑝𝑎𝑖𝑛𝑒𝑙 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑔𝑖𝑑𝑜 1,525 𝑘𝑊𝑝 𝐸𝑐𝑑′ − 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑎 𝑠𝑒𝑟 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑒𝑛𝑠𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑖𝑎𝑟𝑖𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑔𝑖𝑑𝑜 6,466 𝑘𝑊

Fonte: Dos autores, 2018.

4.5 CORREÇÃO PELA PERDA DE TEMPERATURA

As perdas por temperatura, ocasionam a perda de eficiência dos módulos fotovoltaicos devido ao seu superaquecimento. O sobreaquecimento diminui a tensão de operação dos módulos e consequentemente, menor será a potência gerada. Um método para o resfriamento, é deixar uma distância entre o módulo e a telha por meio da fixação. Essa diferença permite a circulação do ar, porém, diferenças grandes causam esforços mecânicos maiores entre o módulo e o telhado, devido a força dos ventos. As características de temperatura estão representadas na Tabela 6, obtida do datasheet do fabricante.

Tabela 6 - Características de temperatura.

Coeficiente (𝐶_𝑜𝑒𝑓) Dados

Coeficiente de temperatura de máxima potência -0,39 % / °C Coeficiente de temperatura de tensão em circuito aberto -0,29 % / °C Coeficiente de temperatura de corrente de curto circuito 0,05 % / °C

Temperatura Nominal de Operação do Módulo (NMOT) 42 ± 2 °C

Tolerância de Potência 0 ~ + 5W

Fonte: CANADIAN SOLAR INC., 2017.

Segundo o fabricante alemão SMA, fixações sobre o telhado e com boa ventilação, têm um aumento da temperatura de 𝛥𝑇 = 29°.Na Equação (5), obtém-se a correção da temperatura, conforme Souza (2014):

𝑇𝑐𝑎𝑙𝑐 = (𝑇𝑎𝑚𝑏+ 𝛥𝑇) − 𝑇𝑟𝑒𝑓 (5) Tal que: 𝑇𝑐𝑎𝑙𝑐 = 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑐á𝑙𝑐𝑢𝑙𝑜; 𝑇𝑎𝑚𝑏 = 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 𝑛𝑎 𝑙𝑜𝑐𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑒 𝑖𝑛𝑠𝑡𝑎𝑙𝑎çã𝑜; 𝛥𝑇 = 𝑎𝑢𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑎 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑝𝑒𝑙𝑎 𝑓𝑖𝑥𝑎çã𝑜; 𝑇𝑟𝑒𝑓 = 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑓𝑒𝑟ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑓𝑜𝑟𝑛𝑒𝑐𝑖𝑑𝑎 𝑝𝑒𝑙𝑜 𝑓𝑎𝑏𝑟𝑖𝑐𝑎𝑛𝑡𝑒.

A temperatura máxima absoluta na localidade de instalação, é obtida a partir dos dados do Inmet (2018), sendo a de Florianópolis 38,8°C, enquanto temperatura de referência é obtida conforme a Tabela 4.

𝑇𝑐𝑎𝑙𝑐 = (38,8 + 29) − 25 (5)

𝑇𝑐𝑎𝑙𝑐 = 42,8°𝐶 (5)

Para corrigir a potência de pico, é utilizada a média das temperaturas máximas de Florianópolis, que é 25,1 °C, obtida no site do INMET.

𝑇𝑐𝑎𝑙𝑐 = (25,1 + 29) − 25 (5)

𝑇𝑐𝑎𝑙𝑐 = 29,1°𝐶 (5)

Após a obtenção do resultado da Equação (5), deve-se corrigir a temperatura pelas grandezas elétricas do módulo fotovoltaico: tensão, corrente e potência, conforme a Equação (6): 𝐿°𝑐 = 𝐶𝑜𝑒𝑓 ∗ 𝑇𝑐𝑎𝑙𝑐 (6) Tal que: 𝐿°𝑐 = 𝑝𝑒𝑟𝑐𝑒𝑛𝑡𝑢𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑝𝑒𝑟𝑑𝑎 𝑐𝑎𝑙𝑐𝑢𝑙𝑎𝑑𝑎; 𝐶𝑜𝑒𝑓 = 𝑐𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑎 𝑔𝑟𝑎𝑛𝑑𝑒𝑧𝑎 𝑒𝑙é𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑎 𝑠𝑒𝑟 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑔𝑖𝑑𝑎; 𝑇𝑐𝑎𝑙𝑐 = 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑐á𝑙𝑐𝑢𝑙𝑜.