ESTUDO DE VIABILIDADE PARA IMPLANTAÇÃO DE UM SISTEMA FOTOVOLTAICO EM EDIFÍCIO MULTIFAMILIAR VERTICAL
Resumo.
Este trabalho estudou a viabilidade econômica para implantação de
um sistema fotovoltaico conectado à rede. A utilização desta tecnologia é de extrema importância para o meio ambiente e a sociedade, devido usar uma fonte de energia renovável. Foram levantados dados como: o consumo de energia de cada morador e o valor do kilowatt hora através da conta de energia. Nos resultados, verificou-se que a Resolução Normativa N° 482/2012 da ANEEL, contribuiu para a implantação desta nova tecnologia no mercado brasileiro, com a implantação do sistema se consegue eliminar a quantidade de energia que é fornecida pela concessionária, gerando uma economia bem sucedida após sua instalação.
Palavras-chave: Viabilidade. Energia solar. Sistema fotovoltaico.
1. Introdução
Atualmente a energia elétrica é essencial para a sobrevivência da humanidade, mas para que essa energia seja produzida, utilizam-se fontes não renováveis, ou seja, a energia nuclear e os combustíveis fósseis (petróleo, carvão e gás), preocupando com a sustentabilidade vê se necessários à utilização de novas fontes de energia renováveis. O sistema fotovoltaico é bem requisitado para essa geração, pois se utiliza de uma fonte infinita e limpa que é o sol, convertendo a radiação solar em energia elétrica através do efeito fotovoltaico, não emitindo poluentes para a atmosfera contribuindo com o meio ambiente.
O clima predominante no Brasil traz benefício para utilização deste sistema, por conter radiação solar durante todo o ano.
A inserção desta tecnologia foi aderida pela ANEEL em 17 de abril de 2012, regulamentando que o consumidor pode inserir outra fonte de energia na rede da concessionária e incentivando a utilização de módulos fotovoltaicos.
Devido ao aumento da tarifa de energia no decorrer dos anos, muitos consumidores buscam aderir o sistema para diminuir o consumo mensal e trazer economias que podem ser investidas para o bem próprio. Nosso país
precisa de incentivos políticos para dar um “boom” na utilização desta tecnologia.
2. Energia solar fotovoltaica
Entre as conhecidas fontes alternativas ou renováveis de energia, destaca a oriunda do sol, pela à abundância de seus recursos. A energia solar é formada a partir de partículas da radiação do sol, podendo ser capturadas por painéis solares fotovoltaicos, fazendo a conversão direta dos fótons da radiação solar em energia elétrica através do efeito fotovoltaico (RUTHER, 1999).
A primeira experiência com dispositivo fotovoltaico descrito pelo físico Edmond Becquerel, no ano de 1839, observou como um eletrodo metálico revestido com prata mergulhado em um eletrólito produzia corrente elétrica, isso ocorre por haver uma diferença de potencial nos extremos de uma estrutura com material semicondutor, originado pela absorção da luz. A partir desta descoberta foram desenvolvidos estudos e pesquisas é descobriu a fotocondutividade do selênio, originando criar os primeiros dispositivos fotovoltaicos em estado sólido (MORAIS, 2009).
2.1. Efeito fotovoltaico
O efeito fotovoltaico aparece nas propriedades dos materiais semicondutores, quando há diferencia de potencial devido ao ataque dos raios de luz. Os semicondutores se definem pelas suas próprias características de possuírem quatro elétrons na última camada (camada de valência) e fazem ligações covalentes. A sua camada de valência é totalmente preenchida por elétrons, mas quando se encontra a baixas temperaturas a sua camada de condução fica totalmente vazia (MORAIS, 2009).
Quando ocorre o aumento da temperatura na placa nota-se o aumento da condutividade, não necessariamente com o aumento da temperatura na placa os semicondutores forneçam energia, pois ainda possuem intensidade
reduzida. Apesar do percentual de fótons que atingem as células seja em pequena escala, possuem energia suficiente para excitar os elétrons, originando uma corrente elétrica, lembrando que cada fóton só consegue excitar apenas um elétron. Para a produção de energia elétrica ser adequada, faz-se justo utilizar estruturas semicondutoras com o intuito de manter a maior quantidade de elétrons excitados para a geração da corrente elétrica (VALLÊRA, 2006).
A estrutura cristalina que apresenta a melhor característica é do átomo de silício conforme a figura 1, quando se insere átomos impuros na rede cristalina como os átomos de fósforo e boro, acontece um processo chamado de dopagem, devido a esse processo conseguimos aumentar a condutividade. Devido o silício possuir um elétron a mais na camada de valência que o boro, ao se unir cada átomo de silício com um de boro cria-se uma lacuna na rede cristalina, gerando semicondutores positivos tipo P. Ao se unir o átomo de fósforo com o átomo de silício, originam semicondutores negativos tipo N, isso ocorre devido o átomo de fósforo possuir um elétron a mais do que o átomo de silício na camada de valência (MORAIS, 2009).
Figura 1 – Estrutura básica de uma célula fotovoltaica de silício. (CRESESB, 2014).
2.2. Célula de silício policristalino
As células de silício policristalino mostrada na figura 2 são formadas a partir de lingotes de silício, o lingote é formado por um aglomerado de
pequenos cristais, com tamanho e direções diferentes, obtidos por fusão de silício puro, em moldes especiais, quando resfriados lentamente. A sua tecnologia apresenta a segunda menor eficiência comercial, tendo com vantagem um baixo custo de produção (ALTENER, 2004).
Figura 2 – Célula de silício policristalino. (MORAIS, 2009). 2.2.1. Célula de silício monocristalino
Blocos de silício puro são aquecidos em altas temperaturas e submetidos a um processo de formação de cristal chamado método de Czochralski, o produto resultante desse processo é o lingote de silício monocristalino conforme a figura 3. É constituído de uma estrutura cristalina única e possui organização molecular homogênea, apresenta uma eficiência superior ao do policristalino por conter poucas imperfeições, porém relata um custo mais elevado na sua fabricação (MORAIS, 2009).
Figura 3 – Célula silício monocristalino. (ALTENER, 2004). 2.2.2. Módulos fotovoltaicos
As células são agrupadas em módulos fotovoltaicos conforme a figura 4, fixados sobre uma estrutura rígida e ligadas eletricamente em série, quanto maior quantidade de módulos conectados em série maior será a tensão de operação do sistema. Devido a sua instalação ser em áreas externas, os módulos devem resistir a diferentes condições ambientais, por isso as células e
as conexões elétricas são fundidas na parte interior das lâminas de plásticos (EVA) e o módulo é protegido por uma lâmina de vidro onde recebe o acabamento final em alumínio (VILLALVA, 2012).
Figura 4 – Componentes de um módulo fotovoltaico. (MORAIS, 2009). 2.3. Tipos de sistemas fotovoltaicos
Os diferentes tipos de sistemas fotovoltaicos podem ser considerados como, sistema conectados à rede (On grid), sistemas isolados (Off grid) e os híbridos.
2.3.1. Sistemas conectados à rede (On grid)
Segundo BENEDITO (2009) os sistemas fotovoltaicos conectados à rede trabalha em paralelo com a rede elétrica conforme mostra a figura 5. Este sistema não necessita de armazenamento de energia, sendo que toda energia gerada é diretamente distribuída na rede, devido a isso o sistema precisa da rede pública para ter o seu completo funcionamento, caso acabe a energia da concessionária todo o sistema ira desligar automaticamente.
Figura 5 – Sistema conectado à rede. (BENEDITO, 2009).
Utilizar inversor para gerenciar o sistema, fazendo com que a energia solar converta em elétrica, alternando de corrente contínua (CC) para corrente alternada (CA), aproveitando ao máximo a geração do arranjo encaminhando
essa energia para a rede de distribuição ou quadro geral da instalação. Neste sistema não é viável a utilização de bateria, devido ao alto custo quando se deseja um sistema isolado para a geração de eletricidade.
2.3.2. Sistemas isolados (Off grid)
Segundo VILLALVA (2012) o sistema isolado mostrado na figura 6 é construído onde não se encontra rede da concessionária de energia ou quando se deseja manter sistemas energéticos isolados para backup. A diferença entre os sistemas isolados e o conectado à rede é o uso de um sistema de acumulador de energia constituído por baterias e regulador de carga. O regulador de carga tem a função de regular a carga que está alimentando as baterias, sendo que trabalha com até quatorze volts, pois as baterias são de doze volts se a carga ultrapassar os quatorzes volts a bateria vai sobre carregar danificando-a e se a bateria não recarregar a sua carga ira fazer com que o sistema trabalhe sempre usando a própria carga da bateria levando-a descarregar.
Figura 6 – Diagrama sistema isolado com corrente contínua. (CRESESB, 2014). 2.3.3. Sistemas híbridos
O sistema híbrido conforme a figura 7 é formada pela união do sistema fotovoltaico com a utilização de outras fontes de geração de energia que suprem a ausência da energia solar, sendo mais complicado por existirem duas fontes diferentes trabalhando juntos para a fabricação de energia elétrica.
Mesmo sendo formado com duas fontes de energia o sistema híbrido necessita de inversor para alternar a corrente contínua e tem a disponibilidade de acrescentar bateria, para acumular energia caso ocorra algum problema no sistema (CRESESB, 2014).
Figura 7 – Sistema híbrido. (CRESESB, 2014). 2.4. Componentes do Sistema Fotovoltaico
Além dos módulos existem três componentes que complementam o sistema fotovoltaico, como as baterias para acumular energia, o controlador de carga para controlar a energia que chega à bateria e o inversor que tem o objetivo de converter corrente contínua em corrente alternada.
2.4.1. Baterias
Segundo VILLALVA (2012) nos sistemas autônomos nem sempre a energia gerada corresponde ao consumo de energia, pois a radiação solar não incide constantemente no módulo. O uso de bateria no sistema faz com que o fornecimento fique constante para o consumidor, evitando o desperdício quando o consumo é baixo. Quando a radiação solar atingir o módulo irá produzir energia, o sistema distribui a energia de acordo com a necessidade do consumo e o restante e armazenado na bateria, podendo ser usada quando se tem pouca ou nenhuma radiação solar. Não se recomenda a utilização de baterias automotivas para sistemas fotovoltaicos, por apresentarem densidade alta, elas normalmente descarregam mais rapidamente por necessitarem de
estar sempre em movimento. As baterias utilizadas são do tipo estacionário, por possuírem densidades baixas e não precisa de movimentação, quando descarregada apenas uma carga do sistema faz com que ela se recarregue novamente e armazene energia em seu interior para o consumo, não necessitando de colocá-la em aparelhos de carga lenta para voltar a sua densidade normal. Possuem válvula de liberação de gás, por motivo de segurança se a bateria sobrecarregar este sistema faz com que o gás da bateria se evacue do local evitando a explosão e dando sinais com odores, de que o sistema está em mau funcionamento.
2.4.2. Controlador de Carga
Nos sistemas com bateria necessita obrigatoriamente de um controlador ou regulador de cargas. É o aparelho responsável para unir o módulo com as baterias, fazendo com que a bateria não sobrecarregue e nem descarregue completamente, o regulador recarrega a bateria com sua devida carga fazendo com que aumente sua vida útil e a sua utilização (CRESESB, 2014).
2.4.3. Inversor
O inversor é um aparelho que converte corrente contínua (CC) em corrente alternada (CA), usado nos sistemas autônomos e ligados à rede para converter a energia produzida pelos módulos e baterias que saem em corrente contínua para a utilização em correntes alternadas, devidos os aparelhos eletrodomésticos trabalharem em rede elétrica de tensão alternada cento e vinte e sete volts ou duzentos e vinte volts, os inversores são encontrados em tensões de entrada de doze, vinte e quatro e quarenta e oito volts, dependendo do tamanho do sistema que irar ser empregado. O inversor possui uma eficiência de noventa por cento na conversão de energia contínua em alternada, as perdas quase nem são percebidas pelo sistema. Possuem proteção contra curto-circuito evitando que os equipamentos instalados e o próprio inversor se queimem isso ocorre porque é fabricado com sistema de fusível, quando o sistema entra em curto o fusível se rompe causando a quebra
de energia e evitando que a corrente chegue aos aparelhos elétricos, sendo necessário apenas trocar o fusível para voltar ao seu funcionamento normal (VILLALVA, 2012).
2.5. Brasil e as energias renováveis
Quando comparamos o Brasil com outros países, o nosso país já desfrutava bastante das fontes de energia renováveis, pois a maior parcela da eletricidade é produzida a partir de usinas hidrelétricas conforme a figura 8. Devido a essa acomodação o Brasil começou a empregar mais fontes não renováveis de energia, como os combustíveis fósseis (carvão, petróleo e gás) e a energia nuclear, para diminuir os impactos oriundos desta energia, visto que o país tem a possibilidade de utilizar as energias solar e eólica. A maior usina de energia solar no Brasil começou seu funcionamento em 2014, situada na cidade de Tubarão, no sul de Santa Catarina, representa cerca de vinte e cinco por cento de toda energia solar do nosso país (CRESESB, 2014).
Figura 8 – Matriz elétrica brasileira. (CRESESB, 2014). 3. Estudo de caso
Neste trabalho será utilizado como estudo de caso um edifício na cidade de Uberlândia/MG mostrado na figura 9, que possui quatro pavimentos com dois apartamentos por andar, cuja área construída de cada apartamento é de 47,5m² com média de três habitantes por apartamento, se beneficiando pela
extensa área livre de cobertura com 105,7m², que será utilizado para a locação dos módulos.
Figura 9 – Planta baixa do edifício. 3.1. Localização
O edifício que se deseja a implantação do sistema para gerar energia fotovoltaica está localizado no setor leste de Uberlândia/MG coforme mostra a figura 10. Possuem quatro fachadas, mas apenas duas tem melhor contribuição para absorver a radiação solar, sendo uma com orientação para o norte e outra para o sul e o telhado é do tipo platibanda, utilizando telha de fibrocimento. Deve se atentar para a orientação dos módulos fotovoltaicos, para que eles não percam rendimento por causa do sombreamento oriundo das edificações vizinhas. As coordenadas geográficas do local são 18.930° S de latitude e 48.325° O de longitude.
3.2. Legislação
A ANEEL (Agência Nacional de Energia Elétrica) aprovou a Resolução Normativa N° 482, de Abril de 2012, onde estabeleceu condições para a inserção de geradores solares, hidráulicos e eólicos conectados à rede no Brasil (ANEEL, 2012).
3.3. Dados do edifício
O dimensionamento será avaliado, considerando a energia consumida durante o período anual de Agosto de 2014 à Julho de 2015. Foi feita uma pesquisa de campo, sem entrevista pessoal para a coleta de dados, onde foram levantadas informações individuais por apartamento referente ao seu consumo de quilowatts hora, conforme a tabela 3.1. O valor do quilowatt-hora é cobrado de acordo com a quantidade gasta, se o consumidor gastar mais que noventa quilowatts no mês serão atribuídos o valor de ICMS (imposto sobre circulação de mercadorias e serviços) no valor de 30% conforme regulamentação da ANEEL. O sistema a ser avaliado será o conectado à rede.
Tabela 3.1 – Consumo médio anual do edifício.
Obtivemos 1518 kWh/mês. Como o edifício está ocupando toda a área, no decorrer dos anos não haverá variações repentinas de consumo, então dimensionar o sistema com 18216 kWh/ano.
3.4. Incidência da radiação solar
O melhor aproveitamento dos módulos fotovoltaicos se baseia na localidade que se deseja implantar o sistema, visando à inclinação ideal para o recebimento da radiação solar, como o nosso edifício esta localizado a 18.930° S e 48.325° O, a tabela 3.2 nos mostrará qual será a melhor inclinação para o sistema.
Tabela 3.2 – Radiação Solar das coordenadas 18.930° S e 48.325° O. (CRESESB, 2015).
Segundo VILLALVA (2012) a inclinação não pode ser abaixo de 10° observando sempre o ângulo de latitude, por motivos de autolimpeza e desempenho. A tabela acima mostra que o ângulo de latitude a considerar é 19° orientado para o norte.
3.5. Levantamento do consumo diário para dimensionamento
Para o levantamento do consumo diário do edifício, foi analisada a média anual de 1518 kWh/mês, conforme mostrada na tabela 3.3, levando em consideração a quantidade de dias em cada mês.
Tabela 3.3 – Levantamento do consumo do edifício.
Analisando os dados, verifica-se que o consumo médio diário do edifício ao longo do ano foi de 50 kWh/dia, atribuir este valor para o dimensionamento do sistema fotovoltaico.
3.6. Dimensionamento do consumo de energia do edifício
O dimensionamento levará em conta que toda a energia consumida pelos moradores do edifício será gerada pelo sistema fotovoltaico conectado à rede, devendo ser gerada um consumo diário de 50kWh/dia, conforme mostra a equação 3.5.
Cm- Consumo do mês.
Cdiário- Consumo diário. Dmês- Dias do mês.
O Cm determina a quantidade de energia que o sistema irá ter que fornecer para o edifício naquele determinado mês, como mostra a tabela 3.4.
Tabela 3.4 – Consumo mensal referente aos dias do mês.
Devido a esses levantamentos de kWh gastos mensalmente, poderá ser calculada a quantidade de módulos fotovoltaicos necessários para o sistema.
3.6.1. Dimensionamento do sistema fotovoltaico do edifício
Para o correto dimensionamento do módulo e necessário saber as especificações técnicas do fabricante escolhido. Para esse sistema foi adotado o módulo de silício monocristalino M 240 3BB produzido pela Bosch. A tabela 3.5 mostra as características do módulo.
Tabela 3.5 – Especificação do módulo fotovoltaico. (BOSCH, 2011).
Segundo VILLALVA (2012) a energia gerada pelo módulo fotovoltaico é dada pela equação 3.5.1.
Ep- Energia produzida no dia, expressa em Wh.
Es- Insolação diária. Am- Área do módulo m² . Nm- Eficiência do módulo.
A equação 3.5.2 determina a eficiência do módulo que não é fornecida pelo fabricante.
Pn- Potência nominal.
Am- Área do módulo.
Como a área do modulo é 1,6434m, substituir na equação 3.5.2 para determinar a eficiência.
Desenvolvendo a equação 3.5.1 para determinação da quantidade de energia gerada pelo módulo, sendo que a menor radiação solar do ano é no mês de Fevereiro com 4,71kWh/m.dia, conforme a tabela 3.2, tem-se:
Portanto este módulo produzirá em cada mês:
Este módulo produzirá para o mês de janeiro 35033,10Wh e para fevereiro 31642,80Wh. A tabela 3.5.1 mostra a quantidade de Wh produzida durante todo período de um ano.
Tabela 3.5.1 – Energia gerada pelo módulo durante os meses.
Para determinar a quantidade suficiente de módulo para geração de energia é utilizado à equação 3.5.4.
Np- Quantidade de módulos.
Cta- Consumo total no ano.
Epta- Energia produzida total no ano.
Determinando a quantidade de módulos, usando os valores encontrados nas tabelas 3.4 e 3.5.1.
A tabela 3.5 apresenta que o módulo possui tensão de circuito aberto de 37,4 volts e tensão máxima de operação de 30 volts, referente a condições de teste padrão. Então a tensão de circuito aberto será de:
Voct- Tensão total do circuito aberto.
Voc- Tensão do circuito aberto do módulo.
Segundo CRESESB (2014) para cálculos de inversores deve se utilizar um fator de segurança de 10% nas tensões de circuito aberto, a tensão máxima do sistema será de:
O ponto de tensão máxima será de:
Vmppt- Tensão total máxima de operação.
Vmmp- Tensão máxima de operação.
Como já são conhecidos os valores de tensão, devemos saber a potência máxima (Pm) gerada pelos módulos do sistema, sabendo que são 45 módulos de 240W cada, a potência fornecida será:
Para o dimensionamento do inversor temos que nos atentar para a potência de pico de 10800W, com uma tensão de entrada máxima maior que 1851,30 volts e com voltagem MPP maior que 1350 volts. Como no mercado convencional não são encontrados inversores com essas descrições, terá de ser feito um novo dimensionamento, o mesmo será:
O novo ponto de tensão máxima será:
A nova potência máxima do sistema será:
Para o dimensionamento deste sistema foi escolhido o inversor de frequência do modelo M PLUS 3600 E do fabricante Santerno, sendo que o sistema será divido e os inversores serão ligados em paralelo. Possuindo uma potência de 3310 W, uma voltagem de MPP de até 380V, uma tensão de entrada máxima de 600V e 45 módulos fotovoltaicos de 240W do fabricante Bosch.
Segundo BENEDITO (2009) para melhor aproveitamento da radiação solar tem que se deixar um espaço entre os módulos para evitar o sobreamento, utilizando a tabela 3.5 pode-se calcular a distância mínima entre os painéis:
A área a ser ocupada do telhado do edifício será:
3.7. Estudo da viabilidade econômica
Quando pretende fazer um estudo de economia, a primeira aquisição que se deve fazer é o orçamento do que se deseja implantar, para saber qual o valor a ser investido. Visando a viabilidade econômica, foi feito o orçamento com a empresa que trabalha no ramo de energia solar com sistema fotovoltaico, levado em consideração à mão de obra e o projeto elétrico, para implantar o seguinte sistema mostrado na tabela 3.6.
Portanto, o custo médio para implantação deste sistema é de R$91103,70. Visando um retorno mensal investido mostrado na tabela 3.1 de R$1364,65 mensalmente, deverá ser levado em conta o valor de R$ 16375,80 anualmente. Como os módulos possuem garantia de 25 anos, o tempo de retorno também será calculado neste intervalo de tempo, visando o juro do IPCA (Índice de Preço ao Consumidor Amplo), que tem em média 8,29% ao ano, desta forma tem-se a equação 3.6 (IBGE, 2015).
R- Retorno investido. n - Tempo do investimento. i- Juro ao ano.
Prontamente esperado que em 25 anos, o seja igual a R$ 170563,17.
Analisando se o investimento é positivo ou negativo, através do método do valor atual.
Para este investimento o valor atual indica que é positivo.
3.7.1. Tempo de retorno do investimento descontado
Utilizando a função VP do Excel para calcular o tempo de retorno de investimento descontado, consegue-se formar a tabela 3.7, utilizando uma taxa de juros de 8,29% ao ano.
Tabela 3.7 – PayBack descontado.
Através da tabela 3.7 pode-se verificar que o tempo de retorno do investimento descontado é de aproximadamente 8 anos, gerando um lucro de R$79459,47 em 25 anos.
4. Conclusão
Este trabalho permitiu uma visão panorâmica do sistema conectado à rede, com o objetivo de mostrar a viabilidade econômica de implantação do sistema fotovoltaico. Fundamentado na revisão bibliográfica que deve se atentar para o desenvolvimento sustentável corresponder às necessidades da sociedade sem acabar com os recursos naturais, incluindo aspectos econômicos, ecológicos e sociais. No estudo de caso proposto ocorre plena viabilidade econômica, considerando o acréscimo da inflação, nota-se com a implantação do sistema no edifício, os consumidores deixaram de pagar
R$1364,65 mensalmente, gerando uma economia de R$16375,80 anualmente, com isso o sistema será pago em aproximadamente oito anos, ocasionando benefício de R$79459,47 durante sua vida útil.
O Brasil precisa de investimentos para conseguir se alavancar nos sistemas fotovoltaicos, como financiamentos a longos prazos com taxas de juros menores e desoneração fiscal. Fazendo com que novas indústrias se desenvolvam nesta tecnologia gerando economia nos custos dos equipamentos, visto que a maior porcentagem dos sistemas fotovoltaicos é importada da China.
Ficou evidenciado que a implantação do sistema fotovoltaico conectado à rede é realmente de suma importância em relação ao meio ambiente e a economia gerada pela tecnologia, pois reduz a produção de gás carbônico, devido a sua produção ser através de uma fonte de energia limpa, na economia servindo como base para empresas e residências interessadas em novas fontes de energia renováveis, podendo estimar o tempo de retorno do investimento e a aplicação do que se economizaram nos decorres dos anos.
Referências
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