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DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELÉTRICA CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
IONATAN LAÉRCIO GÜNTZEL
ANÁLISE DE VIABILIDADE TÉCNICA E ECONÔMICA DE SISTEMAS
FOTOVOLTAICOS ON-GRID E OFF-GRID, INSTALADOS EM POSTO DE
COMBUSTÍVEL
PATO BRANCO 2018
IONATAN LAÉRCIO GÜNTZEL
ANÁLISE DE VIABILIDADE TÉCNICA E ECONÔMICA DE SISTEMAS
FOTOVOLTAICOS ON-GRID E OFF-GRID, INSTALADOS EM POSTO DE
COMBUSTÍVEL
Trabalho de Conclusão de Curso de graduação, apresentado à disciplina de Trabalho de Conclusão de Curso 2, do Curso de Engenharia Elétrica do Departamento Acadêmico de Elétrica – DAELE – da Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR, Câmpus Pato Branco, como requisito parcial para obtenção do título de Engenheiro Eletricista.
Orientador: Prof. Dr. Alexandre Batista de Jesus Soares
PATO BRANCO 2018
TERMO DE APROVAÇÃO
O trabalho de Conclusão de Curso intitulado ANÁLISE DE VIABILIDADE TÉCNICA E ECONÔMICA DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS ON-GRID E
OFF-GRID, INSTALADOS EM POSTO DE COMBUSTÍVEL, do acadêmico Ionatan
Laércio Güntzel foi considerado APROVADO de acordo com a ata da banca examinadora N° 200 de 2018.
Fizeram parte da banca examinadora os professores:
Prof. Dr. Alexandre Batista de Jesus Soares
Prof. Me. Andrei Bordignon
Prof. Me. Rafael Zamodzki
A Ata de Defesa assinada encontra-se na Coordenação do Curso de Engenharia Elétrica
AGRADECIMENTOS
Primeiramente agradeço a Deus, por ter me ofertado o dom da vida, me guiar e proteger pelo meu caminho.
Aos meus pais, Eliseu e Loreci, por todo apoio, amor, suporte e motivação durante todos os anos de graduação.
Ao meu irmão, Bruno, pelo companheirismo e apoio, sempre estando ao meu lado.
À Jéssica Lara, presente de Deus pra minha vida, por todo o apoio, amor, compreensão e paciência nos momentos difíceis.
Ao meu orientador, Prof. Dr. Alexandre Batista de Jesus Soares, pelas orientações, apoio, companheirismo e confiança, que se fez fundamental durante o desenvolvimento deste trabalho.
Aos demais professores, Andrei Bordignon e Rafael Zamodzki, pela colaboração na realização de etapas deste trabalho.
Por fim, agradeço a todos os meus amigos que, de uma forma ou outra, contribuíram para o desenvolvimento deste trabalho ou ainda, estiveram sempre presentes ao meu lado, nos momentos de descontração e angústia, em especial ao Lucas Ramos Menegotto, Fábio Capellin, Douglas Florio Ubeda, Guilherme Viana, Luis Guilherme Pilati, Pedro Henrique Soares Moreira, Edivan Laércio e Maurício Glovacki.
EPÍGRAFE
"A tarefa não é ver o que ninguém ainda viu, mas pensar aquilo que ninguém pensou a respeito daquilo que todo mundo vê."
RESUMO
GÜNTZEL, Ionatan Laércio. Análise de Viabilidade Técnica e Econômica de Sistemas Fotovoltaicos on-grid e off-grid, Instalados em Posto de Combustível. 2018. Monografia. (Trabalho de Conclusão de Curso) – Curso de Engenharia Elétrica, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Pato Branco, 2018.
Diante da crescente demanda por novas fontes de energia elétrica, umas das alternativas com maior potencial é a energia solar fotovoltaica. Observando essa realidade, este trabalho ocupa-se em analisar a viabilidade técnica e econômica da implantação de um sistema fotovoltaico em uma determinada unidade consumidora em baixa tensão. Para tanto, realizou-se o dimensionamento tanto de sistemas on-grid e off-on-grid, a fim de se observar as competências de cada tipo de sistema e se há, diante da situação atual do Brasil, viabilidade para a implantação destes sistemas. O trabalho apresenta, inicialmente, o referencial teórico da tecnologia fotovoltaica e perspectivas de desenvolvimento. Em seguida são apresentadas as principais diferenças entre os sistemas on-grid e off-grid, sendo esses sistemas as configurações utilizadas no projeto proposto. Além disso, a área escolhida para a alocação dos painéis fotovoltaicos foi determinada considerando aspectos técnicos e econômicos relacionados à estrutura existente. Para finalizar, o trabalho apresenta ainda uma análise simplificada da viabilidade técnica e econômica dos sistemas propostos.
Palavras-chave: Energias Renováveis, Energia Solar Fotovoltaica, Dimensionamento de Sistema Fotovoltaico on-grid e off-grid, Viabilidade Técnica e Econômica.
ABSTRACT
GÜNTZEL, Ionatan Laércio. Technical and Economic Feasibility Analysis of on-grid and off-on-grid Photovoltaic Systems, Installed at Fuel Station. 2018. Monograph. (Work Completion of Course) - Course of Electrical Engineering, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Pato Branco, 2018.
Facing the growing demand for new sources of electricity, one of the alternatives with the greatest potential is the solar photovoltaic energy. Observing this reality, this paper aims to analyze the technical and economic feasibility of the implementation of a photovoltaic system in a determined consumer unit at low voltage. Therefore, a mesurement of both on-grid and off-grid systems have been made, in order to observe the competences of each type of system and, given the current situation in Brazil, feasibility for the implementation of these systems. The work presents, initially, the theoretical reference of the photovoltaic technology and perspectives of its development. Then, the main differences between on-grid and off-grid systems are presented, these systems being the configurations used in the proposed project. In addition, the area chosen for the allocation of photovoltaic panels was determined considering technical and economic aspects related to the existing structure. Finally, the paper presents a simplified analysis of the technical and economic feasibility of the proposed systems.
Keywords: Renewable energy, Photovoltaic Solar Energy, Sizing of On-grid and Off-Grid Photovoltaic System, Technical and Economic Viability.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Capacidade instalada de geração de energia em operação no Brasil ... 19
Figura 2 - Variação do ângulo de declinação solar ao longo do ano de acordo com o movimento de translação e de rotação do planeta Terra ... 26
Figura 3 - Mapa da irradiação global média diária e anual ... 28
Figura 4 - Mapa de índices de irradiação solar do estado do Paraná ... 29
Figura 5 - Corte transversal de um painel fotovoltaico ... 31
Figura 6 - Painéis de silício: (a) monocristalino ... 32
Figura 7 - Conexão de um módulo fotovoltaico de 12 células ... 34
Figura 8 - Associação em série de n módulos fotovoltaicos ... 35
Figura 9 - Associação em paralelo de n módulos fotovoltaicos ... 35
Figura 10 - Representação dos ângulos de posicionamento α e θz ... 37
Figura 11 - Representação dos Ângulos ... 38
Figura 12 - Pontos principais das curvas I-V e P-V ... 41
Figura 13 - Representação de curvas I-V de um painel fotovoltaico com variação exclusiva de (a) irradiação solar e (b) temperatura ... 43
Figura 14 - Conjunto de células fotovoltaicas, com uma célula sombreada ... 44
Figura 15 - Diagrama esquemático do sistema off-grid ... 47
Figura 16 - Diagrama esquemático do sistema on-grid ... 48
Figura 17 - Esquema de compensação de energia ... 52
Figura 18 - Procedimento de acesso à rede de distribuição da concessionária ... 53
Figura 19 - Exemplos de perfis de radiação solar diária com valores equivalentes de HSP ... 54
Figura 20 - Estrutura de fixação do sistema fotovoltaico ... 60
Figura 21 - Exemplo de aplicação de um DP ... 61
Figura 22 - Gráfico de consumo médio do posto ao longo do ano de 2017 e 2018 .. 68
Figura 23 - Gráfico de irradiação solar média mensal ao longo do ano para a cidade de Pato Branco ... 69
Figura 24 - Gráfico de geração e consumo de energia para o sistema proposto com inclinação de 21º ... 75
Figura 25 - Diagrama do fluxo de energia anual do sistema fotovoltaico on-grid ... 79
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Características típicas de painéis solares comerciais ... 33
Tabela 2 - Escolha do ângulo de inclinação do módulo ... 39
Tabela 3 - Subdivisão do grupo consumidor A e B ... 49
Tabela 4 - Níveis de tensão de acordo com a potência instalada para geração distribuída ... 57
Tabela 5 - Requisitos mínimos de proteção em função da potência instalada ... 57
Tabela 6 - Tarifas vigentes da COPEL para o subgrupo B3 na modalidade tarifária Convencional ... 67
Tabela 7 - Dados de irradiação solar média diária para o Posto de Combustível ... 69
Tabela 8 - Comparativo entre painéis fotovoltaicos ... 71
Tabela 9 - Orçamento para o sistema fotovoltaico fornecidos pela Empresa 1 ... 72
Tabela 10 - Orçamento para o sistema fotovoltaico fornecidos pela Empresa 2 ... 72
Tabela 11 - Orçamento para o sistema fotovoltaico elaborado pelo Autor ... 73
Tabela 12 - Histórico de reajustes tarifários da COPEL entre os anos ... 74
Tabela 13 - Dados de irradiação solar média diária para a localidade ... 74
Tabela 14 - Payback para o sistema fotovoltaico do orçamento da Empresa 1 orientado para o Norte com inclinação de 21º ... 76
Tabela 15 - Payback para o sistema fotovoltaico do orçamento da Empresa 2 orientado para o Norte com inclinação de 21º ... 77
Tabela 16 - Payback para o sistema fotovoltaico do orçamento elaborado pelo Autor orientado para o Norte com inclinação de 21º ... 78
Tabela 17 - Comparativo entre baterias ... 83
Tabela 18 - Orçamento para o sistema fotovoltaico off-grid ... 85
Tabela 19 - Payback para o sistema fotovoltaico projetado pelo Autor orientado para o Norte com inclinação de 46º ... 86
LISTA DE QUADROS
LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS
A Área
Ah Ampère-hora
ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica ART Anotação de Responsabilidade Técnica As Ângulo Azimutal do Sol
Aw Ângulo Azimutal da Superfície CA Corrente Alternada
CC Corrente Contínua
Cdiário Consumo Médio Diário
CdTe Telureto de Cádmio
CIS Dissulfeto de Cobre e Índio
COPEL Companhia Paranaense de Energia c-Si Silício Cristalino
DPS Dispositivos de Proteção Contra Surtos EPE Empresa de Pesquisa Energética
F Fase
F/N Fase/Neutro
GaAs Arsenieto de Gálio GC Geração Centralizada GD Geração Distribuída
Ge Germânio
IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística KWh Quilowatt-hora
MPP Maximum Power Point
MPPT Maximum Power Point Tracking m-Si Monocristalino
MW Megawatts
NE Nordeste
NO Noroeste
NOCT Temperatura Normal de Operação da Célula NTC Norma Técnica Copel
off-grid Sistemas Isolados da Rede
on-grid Sistema Conectado à Rede
PB Payback
PE Aterramento
PRODIST Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional
p-Si Silício Policristalino
SELIC Sistema Especial de Liquidação e Custódia
Si Silício
SIN Sistema Interligado Nacional
STC Standard Test Conditions
Strings Conjunto de Módulos Conectados em Série
TE Taxa de Energia
TIR Taxa Interna de Retorno
TUSD Tarifas de Uso do Sistema de Distribuição
TW Tera Watts
UTFPR Universidade Tecnológica Federal do Paraná VPL Valor Presente Líquido
Wp Watt-pico α Altura Solar β Inclinação γ Ângulo de Incidência δ declinação solar θz Ângulo Zenital
LISTA DE SÍMBOLOS
Am Área do Módulo
Cbanco Capacidade de Carga do Banco De Baterias
Cbat Capacidade de Carga de Cada Bateria
EA Energia Armazenada
Ereal Energia Média Consumida Mensalmente
Fc0 Investimento Inicial do Projeto
FCn Fluxo de Caixa no Período de Tempo Considerado
FCt Valor Presente das Entradas de Caixa
HSP Horas de Sol Pleno
I0 Investimento Inicial Realizado
Ic Corrente Máxima de Projeto do Controlador de Carga
Im Corrente Máxima do Sistema
Isc Corrente Máxima de Cada Módulo
ηglobal Rendimento Global
Nºconj,paralelo Número de Conjuntos em Paralelos
ηpainel Rendimento do Painel
P Potência Elétrica
PARRANJO Potência Instalada do Sistema Fotovoltaico
PD Profundidade de Descarga
Pinversor Potência do Inversor
Pm Potência de Pico do Painel Fotovoltaico
r Taxa de Custo de Capital
Red1 Fator de Redução da Potência dos Módulos
Red2 Fator de Redução da Potência dos Módulos
t Enésimo Período do Tempo
T Temperatura
Tamb Temperatura Do Ambiente
VBANCO Tensão do Banco de Bateria no Banco de Baterias
Vvbat Tensão da Bateria
η Eficiência
Voc Tensão de Circuito Aberto
Psistema Potência Que o Sistema
Psistema,máx Potência Instalada do Arranjo Fotovoltaico
SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ... 19 1.1 JUSTIFICATIVA ... 21 1.2 OBJETIVOS ... 23 1.2.1 Objetivo Geral ... 23 1.2.2 Objetivos Específicos ... 23 1.3 MÉTODO DE PESQUISA ... 23 1.4 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO ... 24 2. REFERENCIAL TEÓRICO ... 25 2.1 ENERGIA SOLAR ... 25
2.2 RADIAÇÃO SOLAR E EFEITO FOTOVOLTAICO ... 25
2.3 PAINÉIS FOTOVOLTAICOS ... 31
2.3.1 Painéis de Silício Cristalino (c-SI) ... 32
2.3.2 Painéis de Filmes Finos ... 33
2.4 CONEXÕES DE PAINÉIS FOTOVOLTAICOS ... 34
2.4.1 Associação de módulos em Série... 34
2.4.2 Associação de módulos em Paralelo ... 35
2.5 PARÂMETROS DE MAXIMIZAÇÃO da produção ... 36
2.5.1 Ângulos de fixação ... 36
2.5.2 Orientação dos painéis ... 38
2.5.3 Inclinação dos painéis ... 39
2.6 CARACTERÍSTICAS DE UM MÓDULO FOTOVOLTAICO ... 39
2.6.1 Características elétricas do módulo fotovoltaico ... 40
2.6.2 Curva característica I-V ... 40
2.6.3 Efeito da Temperatura e Irradiação ... 42
2.6.4 Efeito do Sombreamento ... 43
2.8 BATERIA ... 45
3. CONFIGURAÇÕES TÍPICAS DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS ... 46
3.1 SISTEMA FOTOVOLTAICO OFF-GRID ... 46
3.2 SISTEMA FOTOVOLTAICO ON-GRID ... 47
3.3 NORMAS TÉCNICAS PARA A GERAÇÃO DISTRIBUÍDA ... 48
3.3.1 Tipos de tarifação e grupos consumidores ... 49
3.3.2 Resolução Normativa nº 482/2012 da ANEEL ... 50
3.4 PROCEDIMENTOS DE ACESSO À MICRO E MINIGERAÇÃO DISTRIBUÍDA ...52
4. PROJETO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS ... 53
4.1 AVALIAÇÃO DO RECURSO SOLAR IN LOCO ... 54
4.2 LOCALIZAÇÃO ... 55
4.3 LEVANTAMENTO DOS DADOS DE CONSUMO ... 55
4.4 METODOLOGIA PARA DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA FOTOVOLTAICO ON-GRID ... 56
4.4.1 Projeto do Sistema Fotovoltaico On-Grid ... 56
4.4.2 Dimensionamento das Estruturas de Fixação... 59
4.4.3 Dimensionamento da Proteção ... 60
4.5 DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA FOTOVOLTAICO OFF-GRID... 61
4.5.1 Dimensionamento do banco de baterias ... 62
4.5.2 Quantidade de módulos fotovoltaicos ... 64
4.5.3 Controlador de carga ... 64
4.6 ANÁLISE DA VIABILIDADE ECONÔMICA ... 65
4.6.1 Payback ... 65
4.6.2 Valor Presente Líquido (VPL) ... 66
4.6.3 Taxa Interna de Retorno (TIR) ... 66
5. RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 67
5.1.1 Área Disponível Para Implantação do Sistema ... 67
5.1.2 Fatura de Energia da Unidade Consumidora ... 67
5.1.3 Dados de Consumo ... 67
5.1.4 Irradiação Solar Incidente no Local ... 68
5.1.5 Dimensionamento do Sistema Fotovoltaico ... 70
5.1.6 Orçamento do Projeto ... 72
5.1.7 Análise de Viabilidade Econômica ... 74
5.2 ANÁLISE TÉCNICA E ECONÔMICA DO SISTEMA OFF-GRID ... 81
5.2.1 Dados de Consumo ... 81
5.2.2 Irradiação Solar ... 81
5.2.3 Dimensionamento do Gerador Fotovoltaico ... 82
5.2.3 Orçamento do Projeto ... 85
5.3 COMPARATIVO ENTRE OS SISTEMAS ... 88
6. CONCLUSÕES ... 90
REFERÊNCIAS ... 92
APÊNDICES ... 99
APÊNDICE A - PROCEDIMENTO UTILIZADO PARA A COMPENSAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA RELATIVO AO SISTEMA FOTOVOLTAICO ON-GRID ... 99
ANEXOS ... 102
ANEXO A - FORMULÁRIO DE SOLICITAÇÃO DE ACESSO PARA MICROGERAÇÃO DISTRIBUÍDA COM POTÊNCIA IGUAL OU INFERIOR A 10kW ...102
ANEXO B - FORMULÁRIO DE SOLICITAÇÃO DE ACESSO PARA MICROGERAÇÃO DISTRIBUÍDA COM POTÊNCIA SUPERIOR A 10kW ... 103
ANEXO C - FORMULÁRIO DE SOLICITAÇÃO DE ACESSO PARA MINIGERAÇÃO DISTRIBUÍDA ... 104
ANEXO D - ÁREA DISPONÍVEL PARA INSTALAÇÃO DO SISTEMA ON-GRID E OFF-GRID ... 105
ANEXO E - PAINEL SOLAR Q CELLS ALDO SOLAR Q.POWER L-G5 72 CELULAS POLICRISTALINO 330W – SISTEMA ON-GRID E OFF-GRID... 106 ANEXO F - INVERSOR FRONIUS ECO - PROTETOR DE SURTO ECO - SISTEMA ON-GRID ... 109 ANEXO G - CATÁLAGO TÉCNICO BATERIA ESTACIONÁRIA FREEDOM 12 V 240 AH PARA O SISTEMA OFF-GRID ... 112 ANEXO H - CONTROLADOR DE CARGA BATERIA SOLAR VICTRON MPPT 250V 100A 12/24/48V MC4 SMART ENERGY SISTEMA OFF-GRID ... 116 ANEXO I - INVERSOR SMA SUNNY TRIPOWER CORE1 STP-50-US-40 –
SISTEMA OFF-GRID ... 117 ANEXO J - DIAGRAMA DO ACESSO A MICRO E MINIGERAÇÃO DISTRIBUÍDA AO SISTEMA DA COPEL ... 120 ANEXO K - TARIFAS DE ENERGIA ELÉTRICA DA UNIDADE CONSUMIDORA . 121
1. INTRODUÇÃO
O modo de vida cotidiano moderno implica na necessidade do uso contínuo de energia elétrica, de tal forma, que se faz necessário o planejamento de um sistema elétrico capaz de atender as necessidades do ser humano tanto no desenvolvimento de atividades laborais quanto pessoais.
De acordo com a Empresa de Pesquisa Energética (EPE, 2017), o consumo de energia elétrica no Brasil deve crescer 3,7% ao ano até 2026. A demanda dos consumidores no país passará de 516 terawatts-hora (TWh) em 2016 para 741 TWh em 2026. O segmento de consumo comercial deverá apresentar uma expansão no consumo, de 4,4% ao ano.
Com essa projeção é possível enfatizar a importância e a necessidade de um sistema elétrico preparado para atender de forma segura a população brasileira através de diferentes fontes de energia (GRIEBELER et al, 2016).
Segundo a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), a capacidade instalada de energia elétrica brasileira é de 158,793 GW, sendo que, aproximadamente 72,50% provém de fontes renováveis, conforme apresenta a Figura 1.
Figura 1 - Capacidade instalada de geração de energia em operação no Brasil Fonte: Adaptado de Aneel (2018).
0,4% 60,2% 3,18% 0,73% 8,04% 26,2% 1,25%
Central Geradora Hidrelétrica Central Geradora Eólica Pequena Central Hidrelétrica
Central Geradora Solar Fotovoltaica Usina Hidrelétrica
Usina Termelétrica Usina Termonuclear
A Figura 1 apresenta a disposição e importância das diversas fontes de energia elétrica no cenário brasileiro, sendo que, pode-se observar que a predominância na matriz energética da fonte hidráulica. Porém, as grandes centrais elétricas atualmente situam-se afastadas dos grandes centros de consumo.
Essas centrais estão interligadas através de longas linhas de transmissão que realizam o transporte de energia aos grandes centros consumidores, implicando em altíssimos investimentos em infraestrutura capazes de suprir as necessidades da população. Este tipo de estrutura caracteriza-se como geração centralizada (GC) de energia (FERNANDES, 2012).
Já a geração distribuída (GD) de energia é caracterizada pelo uso de geradores descentralizados, instalados próximos aos locais de consumo. O uso desse tipo de geração vem crescendo no Brasil. O número de consumidores com micro ou minigeração distribuída no final de 2016 é 4,4 vezes superior ao registrado no final de
2015, em que o setor comercial representa 15% do total de instalações (MENDES, 2018).
Dentre as principais tecnologias utilizadas na GD de pequeno porte, destaca-se a geração fotovoltaica, visto que, as previsões de longo prazo indicam que esta tecnologia é a que se apresenta como a mais promissora em termos de inserção na matriz elétrica nacional (DEA, 2014).
Inicialmente, a energia solar fotovoltaica era utilizada somente em sistemas isolados da rede (off-grid) ou autônomos, instalados em locais não atendidos por concessionárias de energia, principalmente pelo difícil acesso e inviabilidade econômica. Apesar dos sistemas autônomos de energia elétrica ainda serem uma importante alternativa para locais onde não há disponibilidade de acesso a redes de distribuição de energia elétrica, o melhor uso dessa fonte ocorre com sistema conectado à rede (on-grid). O potencial de exploração é imenso para a aplicação em micro e minissistemas de GD, bem como em parques de geração de grandes usinas de eletricidade (VILLALVA, 2015).
Com o objetivo de auxiliar e incentivar os consumidores na adesão ao cenário de GD de energia elétrica, em abril de 2012, entrou em vigor a Resolução Normativa ANEEL nº482/2012, que estabelece a regulamentação de micro e minigeração de energia elétrica, no qual, tornou-se possível a utilização de sistemas fotovoltaicos on-grid.
Buscando tornar mais atrativo o investimento em energias renováveis, a ANEEL publicou a Resolução Normativa 687/2015, com algumas modificações e inovações com relação à 482/2012, permitindo intercâmbio de energia entre o usuário e a rede, ou seja, quando a unidade consumidora gera mais energia que consome são criados créditos de energia que podem ser utilizados para reduzir o valor da fatura. Desse modo, espera-se um crescimento da GD no mercado brasileiro (ANEEL, 2015). Na qual, mais de 27 mil unidades consumidoras no país são abastecidas por micro e minigeração distribuída de energia solar para consumo próprio com potência instalada de 247,3 megawatts (MW) (ANEEL, 2018).
1.1 JUSTIFICATIVA
O aumento da demanda de energia elétrica é um processo natural, ocasionado principalmente pelo crescimento populacional e pela constante busca por qualidade de vida (RIOS, 2006).
Apesar das usinas hidrelétricas ainda possuírem a maior representatividade no cenário de energia elétrica nacional, tal potencial possui dificuldade de expansão, devido aos seus impactos ambientais, sociais e econômicos. Além disso, devido às condições hidrológicas desfavoráveis observadas nos últimos anos, verificou-se uma redução da participação da energia hidráulica, de modo que, as termelétricas passaram a ter um papel significativo no suprimento da demanda de energia elétrica durante o período de escassez (ANEEL, 2015).
O aumento da demanda e escassez de recursos hídricos ocasionou uma elevação na tarifa de energia elétrica, originando as bandeiras tarifárias, que afetaram todos os consumidores conectados ao Sistema Interligado Nacional (SIN) (ANEEL, 2017).
Nesse novo sistema tarifário, são utilizadas três bandeiras tarifárias: bandeira verde, amarela e vermelha.
Bandeira verde representa condições favoráveis de energia e a tarifa não sofre nenhum acréscimo.
Bandeira amarela é quando se tem condições desfavoráveis de geração de energia elétrica, sofrendo um acréscimo de R$ 0,010 para cada quilowatt-hora (kWh) consumidos.
Bandeira vermelha possui dois patamares 1 e 2. O patamar 1 indica condições mais custosas de geração e a tarifa sofre um acréscimo de R$ 0,030 para cada kWh consumido. O patamar 2 possui condições ainda mais custosas de geração, a tarifa sofre um acréscimo de R$ 0,050 para cada kWh consumido (ANEEL, 2018).
Os consumidores brasileiros experimentaram aumentos superiores a 60% nas suas contas de energia elétrica. Isso, reacendeu o interesse em investimentos na energia fotovoltaica (VILLALVA, 2015).
Os altos valores da geração de energia elétrica gerada por sistemas fotovoltaicos foram sempre apontados como um fator negativo, em comparação com a geração de energia elétrica de hidrelétricas. Atualmente esse obstáculo é menos significativo para as micro e miniusinas fotovoltaicas instaladas em zonas urbanas (VILLALVA, 2015).
A partir deste contexto, de viabilidade econômica e competitividade produtiva, a energia solar fotovoltaica passou a ocupar lugar de destaque dentre as novas fontes de energia que possibilitem a expansão da matriz de energia elétrica do Brasil, bem como, proporcionem a redução de aumentos inflacionários já definidos aos próximos anos.
Neste contexto, este trabalho optou-se pela realização de um estudo de viabilidade técnica e econômica da implantação de um sistema fotovoltaico em um posto de combustível. A finalidade do trabalho compreende a geração de energia elétrica para atender demanda parcial ou total da unidade consumidora, a partir da geração in loco, a fim de diminuir a fatura de energia elétrica mensal.
Como objeto de estudo, será avaliado a viabilidade para implantação de duas propostas de geração para o sistema fotovoltaico, um sistema conectado à rede (on-grid) e um sistema isolado (off-(on-grid) que utiliza um banco de baterias.
1.2 OBJETIVOS
1.2.1 Objetivo Geral
Verificar, por meio de uma análise técnica e econômica, a viabilidade da instalação de sistemas fotovoltaicos on-grid e off-grid para atender total ou parcialmente a demanda de energia do posto de combustível.
1.2.2 Objetivos Específicos
1. Pesquisar sobre o funcionamento dos sistemas fotovoltaicos on-grid e off-grid. 2. Realizar um levantamento do consumo de energia do posto.
3. Obter dados referentes a irradiação solar no local.
4. Dimensionar o sistema fotovoltaico adequado à demanda de energia do posto. 5. Realizar um comparativo entre o sistema atual do posto e os sistemas
fotovoltaicos on-grid e off-grid, verificando as suas viabilidades técnicas e econômicas utilizando o método do Valor Presente Líquido (VPL).
1.3 MÉTODO DE PESQUISA
O processo de pesquisa iniciou-se com a revisão bibliográfica sobre sistemas fotovoltaicos e seus principais componentes: módulos fotovoltaicos, controlador de carga, baterias, inversores, medidores bidirecionais e proteção.
Para o dimensionamento do sistema fotovoltaico foi analisado o consumo de energia elétrica anual do posto de combustível, desse modo foi possível determinar o consumo máximo, médio e mínimo anual de energia elétrica do posto de combustível utilizado no dimensionamento do sistema fotovoltaico.
Na sequência foi analisado o nível de irradiação solar do local a fim de obter dados para a escolha do melhor local possível para a instalação dos painéis fotovoltaicos. Também foi realizado um estudo sobre as características dos painéis fotovoltaicos disponíveis no mercado, analisando o custo benefício de alguns fabricantes.
Após obter o levantamento de dados, considerando vantagens e desvantagens da implantação dos sistemas off-grid e sistemas on-grid, foi realizado um comparativo entre os sistemas apresentados e o sistema utilizado pelo posto de combustível, verificando as suas viabilidades técnicas e econômicas. Utilizou-se a ferramenta do VPL de modo a determinar o tempo de retorno do investimento.
1.4 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO
Este trabalho está dividido em 5 capítulos. No primeiro capítulo está presente a introdução, seguida pela justificativa do trabalho, os objetivos e a metodologia adotada.
No segundo capítulo está sendo apresentado uma revisão da literatura sobre as características, otimização, maximização do uso de sistemas fotovoltaicos off-grid e on-grid.
Já o terceiro capítulo trata sobre as configurações típicas de conexão para os sistemas on-grid e off-grid, sobre as normas técnicas necessárias para realização dos procedimentos para acesso ao SIN como micro e minigeração distribuída.
O quarto capítulo apresenta os componentes que compõem os sistemas fotovoltaicos de forma detalhada, e apresenta a metodologia de dimensionamento do sistema fotovoltaico on-grid e off-grid.
No quinto capítulo tem-se os resultados e discussões sobre o dimensionamento do sistema e viabilidade econômica do projeto.
As conclusões acerca do trabalho, referências bibliográficas e anexos pertinentes são tratados no decorrer do último capítulo.
2 REFERENCIAL TEÓRICO
Este capítulo trata da fundamentação teórica referente ao tema de estudo, a fim de construir uma base sólida sobre fatores e características da implantação de sistemas fotovoltaicos.
2.1 ENERGIA SOLAR
A energia solar é a principal fonte de energia do planeta. A superfície terrestre
recebe anualmente uma grande quantidade de energia, aproximadamente 15 x 1018 kWh, podendo suprir milhares de vezes a demanda que a população
necessita, se caracterizando como uma das opções mais promissoras para a geração complementar da matriz energética mundial (VERMA; MIDTGARD; SATRE, 2011). A previsão é que até 2040 a fonte de energia solar seja a mais significativa entre as energias renováveis (BRITO et al., 2011).
Existem duas formas principais de se aproveitar a energia solar, a primeira consiste na utilização de coletores solares para captar a energia na forma de geração térmica, na qual, utiliza-se o aproveitamento de energia sob forma de calor, normalmente para aquecimento de água. Já a segunda forma, a qual será aplicada a esse trabalho, faz-se uso de módulos fotovoltaicos para geração de energia elétrica, a partir do efeito fotoelétrico. Os módulos fotovoltaicos possibilitam a instalação em locais remotos, onde a conexão com a rede não é possível ou economicamente inviável.
2.2 RADIAÇÃO SOLAR E EFEITO FOTOVOLTAICO
O sol emite energia na forma de radiação eletromagnética que recebe o nome de radiação solar. Metade dessa energia é emitida na forma de luz visível e seu complemento em infravermelho e ultravioleta. Essa energia, além de suportar a maioria da sequência linear de transferência de matéria e energia no ecossistema, é a principal responsável pela dinâmica da atmosfera terrestre e também pelas características climáticas no planeta (TERRA, 2018).
A altitude do sol é um dos principais fatores que determina o montante de energia solar recebida. A distância média entre a Terra e o Sol é cerca de 150 milhões de quilômetros, completando um círculo a cada 365,25 dias solares. Ao longo desse período, a distância varia entre 1,47x108 km e 1,52x108 km, e devido a essa variação,
o fluxo de radiação solar também oscila entre 1.325 W/m2 e 1.412 W/m2.
Muitos fenômenos influenciam na quantidade de radiação solar incidente sobre a Terra, como por exemplo, a variação da posição do planeta em relação ao Sol ao longo de um ano, resultando nas variações de estações do ano, conforme ilustrado na Figura 2.
Figura 2 - Variação do ângulo de declinação solar ao longo do ano de acordo com o movimento de translação e de rotação do planeta Terra
Fonte: Fraga (2009).
A Figura 2 ilustra o significado do ângulo de declinação solar. É possível observar a variação da posição angular da Terra ao longo do ano. O ângulo de declinação δ, representa o ângulo entre os raios solares e o plano do Equador, variando ao longo do ano devido à inclinação do eixo de rotação terrestre (VILLALVA, 2015).
Quanto mais perpendiculares são os raios, mais intensos eles são. Na linha do Equador, no qual a latitude é zero, os raios são perpendiculares e a insolação atinge seus níveis máximos. Já nas regiões polares os raios penetram inclinados, o que representa uma temperatura menor nos polos em relação ao Equador, ou seja, quando maior a latitude, menor a temperatura.
Os processos físicos acabam atenuando a irradiação solar, fazendo com que a irradiância incidente na superfície da Terra atinja seu valor máximo de aproximadamente 1.000 W/m2 no meio dia solar, no qual, o Sol está na posição mais
elevada de modo que a radiação solar percorre a menor espessura de atmosfera em condições de céu claro (DGS, 2008).
Valores de até 1.400 W/m2 por períodos curtos de tempo podem ser
observados em condições de nebulosidade parcial como consequência de espalhamento por bordas de nuvens ou efeito lente, causadas pela geometria Sol/Nuvens/Terra (DGS, 2008). Entretanto, nas pesquisas realizadas no território
brasileiro foram observados valores de irradiância de até 1.822 W/m2
(Rüther et al., 2017).
Considerando que o raio médio da Terra é de 6.371 km e o valor médio da irradiância solar é igual a 1.366 W/m2 definido como a constante Solar, a potência total
da radiação solar que chega no topo da atmosfera é de aproximadamente 174.000 Tera Watts (TW), o que equivale dizer que perto de 94.000 TW chegam à
superfície do planeta.
Fazendo um comparativo entre a energia irradiada e o consumo, pode-se fazer a seguinte projeção: o consumo energético global para 2040 é estimado em 238.000 TWh, desse modo, seria necessário menos de 3 horas para fornecer toda a energia consumida no planeta ao longo do ano, o que demonstra o excelente potencial da energia solar existente (TIEPOLO, 2016).
Segundo Amorin et,. al (2017), o Brasil está situado numa região com incidência mais vertical dos raios solares. Essa condição favorece elevados índices de irradiação em quase todo o território nacional. A proximidade à linha do Equador faz com que haja pouca variação na incidência solar ao longo do ano. Essas condições conferem ao país, algumas vantagens para o aproveitamento energético do recurso solar.
Visto isso, o Brasil possui uma oportunidade gigantesca de diversificar sua matriz energética, sendo ainda pouco explorada em termos de Brasil e mundo.
Atualmente no mundo, somente 0,5% da energia total vem de fontes solares. Desse total, a Alemanha possui 7,2% de fontes solares e a China possui 46% da geração de energia total.
Na Figura 3 é possível observar, bem como comparar os valores de irradiação solar do Brasil e da Europa. É notório que o Brasil tem um potencial maior se comparado com países europeus, na qual a geração fotovoltaica está mais evidenciada e, por consequência, vêm a ser utilizada com maior ênfase.
Figura 3 - Mapa da irradiação global média diária e anual Fonte: Adaptado de Global Solar Atlas (2018).
É possível observar na Figura 3, que as regiões próximas à linha do Equador recebem irradiação solar média anual maior se comparado às outras regiões. A Alemanha é a, vice-líder mundial em instalação de módulos solares, acumula uma média anual de 900 a 1.250 kWh/m2 de radiação solar. Na Espanha, onde a tecnologia
também ganha escala, o índice varia de 1.200 a 1.850 kWh/m2. No Brasil, os índices
ficam entre 1.200 a 2.350 kWh/m2 ao ano, comprovando o enorme potencial
(ITAIPU BINACIONAL, 2017).
Em termos de Brasil, o maior valor de irradiação solar encontrado, está no estado da Bahia, com 2.246 kWh/m².ano e 1.684 kWh/kWp.ano.
Já o potencial Solar Paranaense, pode ser visto na Figura 4.
Figura 4 - Mapa de índices de irradiação solar do estado do Paraná Fonte: Adaptado de Tiepolo et., al. (2017).
A Figura 4 apresenta o mapa de irradiação solar no Estado do Paraná elaborado sobre a base cartográfica do Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE), no qual, apresenta como característica a menor incidência de irradiação na região Leste do estado, próximo à Serra do Mar e ao litoral, onde há grande incidência de nebulosidade ao longo do ano. Os maiores valores são encontrados em todo o Norte do estado, principalmente próximo à divisa com o Estado de São Paulo, estendendo-se em direção ao Oeste. O Estado recebe um valor entre 1.200 à 1.900 kWh/m2.ano, colaborando para a instalação fotovoltaica na região
paranaense (TIEPOLO, 2017).
Entretanto, o Paraná, estado alvo deste estudo, mesmo estando em uma região menos privilegiada, apresenta um valor médio apenas 3,34% inferior ao valor
encontrado na Bahia. A média dos valores de irradiação e de produtividade do Estado do Paraná é 58,75% superior ao da Alemanha, 13,48% superior ao da Itália, 1,97% superior à Espanha, 31,28% superior à França, 60,46% superior a Bélgica e 71,19% superior ao Reino Unido (representam aproximadamente 50% da capacidade instalada global em 2013) (TIEPOLO, 2016).
Para o aproveitamento fotovoltaico, a radiação solar que atinge a superfície terrestre pode ser decomposta em duas diferentes formas, sendo a Irradiação Global Horizontal, que é a quantidade de radiação recebida por uma superfície plana horizontal e a Irradiação Normal Direta, que é a parcela que atinge o solo diretamente, sem sofrer o efeito de reflexões (PINHO; GALDINO, 2014).
O efeito fotovoltaico, que é a base dos sistemas de energia solar fotovoltaica para a geração de eletricidade, consiste na transformação da radiação eletromagnética do Sol em energia elétrica, através da criação de uma diferença de potencial ou tensão elétrica, sobre uma célula formada por diferentes materiais semicondutores. Caso a célula seja conectada a dois eletrodos, haverá tensão elétrica sobre eles. Se houver um caminho elétrico entre os dois eletrodos, surgirá uma corrente elétrica (VILLALVA, 2015).
Os materiais semicondutores mais utilizados são o silício (Si) e o germânio (Ge), devido às suas propriedades de alto nível de pureza e modelo de estrutura atômica estável (BOYLESTAD; NASHELSKY, 2013). Outros materiais semicondutores existentes são o arsenieto de gálio, telureto de cádmio, sulfeto de cobre, entre outros.
O silício é o semicondutor mais utilizado. Seus átomos se caracterizam por possuírem quatro elétrons que se ligam aos vizinhos, formando uma rede cristalina. Ao adicionar átomos com cinco elétrons de ligação, como o fósforo em conjunto com o silício, ficará um elétron “sobrando”. Este elétron quando recebe um estímulo energético, dirige-se para a banda de condução. O processo de adição do fosforo é conhecido como dopagem do silício, constituindo o silício tipo N (CRESESB, 2008). Se no lugar do fósforo, fosse adicionado o boro, que apresenta três elétrons livres para ligação, irá faltar um elétron para fazer a ligação com o quarto elétron do silício, constituindo assim o silício do tipo P (CRESESB, 2008).
Quando forma-se a junção pn, é criado um campo elétrico devido aos elétrons livres do silício tipo n que ocupam as lacunas da estrutura do silício tipo p. Quando uma fonte luminosa incide sobre a junção pn, os fótons se colidem com os elétrons e
essa colisão fornece energia transformando o silício em um material condutor (VANNI, 2008).
Através do campo elétrico, os elétrons são ordenados e fluem da camada p para a camada n, este deslocamento de cargas dá origem a uma diferença de potencial nas extremidades de sua estrutura, caracterizando o efeito fotovoltaico ilustrado na Figura 5.
Figura 5 - Corte transversal de um painel fotovoltaico Fonte: Adaptado de Novais (2016).
2.3 PAINÉIS FOTOVOLTAICOS
Em qualquer instalação de painéis fotovoltaicos, o módulo solar fotovoltaico é o elemento básico do sistema gerador. A quantidade de módulos conectados em série irá determinar a tensão de operação do sistema em corrente contínua (CC). A corrente do gerador solar é definida pela conexão em paralelo de painéis individuais ou de conjuntos de módulos conectados em série (strings). A potência instalada, normalmente especificada em CC, é dada pela soma da potência nominal dos módulos individuais (RÜTHER, 2004).
Existem várias tecnologias para a fabricação de células fotovoltaicas e módulos fotovoltaicos. Os módulos fotovoltaicos dividem-se basicamente em módulos da
família do silício monocristalino (m-Si), a do silício policristalino (p-Si) e a do filme de silício (VILLALVA, 2015).
Os modelos de células fotovoltaicas atuais, apresentam um índice de eficiência de 25,00%. No Brasil, a célula que apresenta a maior eficiência possui 17,30%. Atualmente, cientistas norte-americanos desenvolveram uma célula capaz de converter a luz solar direta em eletricidade com uma eficiência de aproximadamente 44,50%, tornando-se a célula mais eficiente do mundo (AMBIENTE ENERGIA, 2017). A seguir será apresentado algumas das características dessas diferentes tecnologias.
2.3.1 Painéis de Silício Cristalino (c-SI)
O c-Si é uma tecnologia que apresenta grande produção a nível comercial, se consolidando no mercado internacional por sua confiabilidade. Entretanto, um dos maiores empecilhos na fabricação destes painéis solares é o custo bastante elevado (RÜTHER, 1999).
O painel do tipo monocristalino é um material com uma maior pureza, com aproximadamente 99,99% de silício, por consequência, possui o custo mais elevado se comparado com o policristalino que é composto por diversos cristais. A pureza do monocristalino reflete na sua eficiência mais elevada, em torno de 14% e podendo chegar até 21%. Já o policristalino fica em segundo lugar, com uma eficiência de 13% a 16% (ENEL X, 2016).
Na Figura 6 é possível observar os dois tipos de painéis fotovoltaicos utilizados a partir do silício cristalino.
(a) (b)
Figura 6 - Painéis de silício: (a) monocristalino e (b) policristalino
2.3.2 Painéis de Filmes Finos
Os filmes finos são uma tecnologia mais recente, que surgiu após a tecnologia dos painéis de silício estar bem desenvolvida. Ao contrário das células cristalinas, que são fabricadas a partir de lingotes de silício, os dispositivos de filmes finos são produzidos através de deposição de finas camadas de matérias de silício e outros sobre uma base que pode ser rígida ou flexível. (VILLALVA, 2015).
São células construídas tendo como base o silício amorfo (ou a-Si, ou ainda a-Si:H – silício amorfo hidrogenado) e outros elementos semicondutores, tais como Arseneito de Gálio (GaAs), CIGS - Dissulfeto de Cobre e Índio ou Telureto de Cádmio (CdTe) (OLIVEIRA, 2008).
Os painéis de filmes finos possuem um melhor aproveitamento da luz solar para baixos níveis de irradiação solar e para radiações do tipo difusa. As células são mais longas, menos sensíveis aos efeitos do sombreamento parcial (quando parte da célula fica sem contato com a irradiação solar devido a um obstáculo qualquer). A sombra bate numa pequena parte da célula, resultando em uma perda menor na produção de energia (VILLALVA, 2015).
Os módulos filmes finos sofrem uma maior degradação do que se comparado aos cristalinos. Em algumas instalações fotovoltaicas são observadas degradações muito acentuadas quando não estão corretamente aterradas, o que pode ser um aspecto bastante inconveniente para essa tecnologia (VILLALVA, 2015).
A Tabela 1 faz uma comparação entre algumas tecnologias fotovoltaicas existentes, demonstrando as características de rendimento e dimensões das principais tecnologias empregadas em painéis fotovoltaicos atualmente.
Tabela 1 - Características típicas de painéis solares comerciais
Fonte: Almeida (2012). Tecnologia Espessura (µm) Área (m²) Eficiência (%) Área para produzir 1kWp (m²) Monocristalina 200 1,4 a 1,7 14 a 20 ~ 7 Policristalina 160 1,4 a 1,7 11 a 16 ~ 8
Silício Amorfo Hidrogenado 1 ~ 1,5 4 a 8 ~ 15
Silício Microamorfo 2 ~ 1,4 7 a 9 ~ 12
Telureto de Cádmio 1 a 3 ~ 0,6 a 1 10 a 11 ~ 10
2.4 CONEXÕES DE PAINÉIS FOTOVOLTAICOS
Os dispositivos fotovoltaicos podem ser associados em série, paralelo ou ambos, de modo a se obter os valores de corrente e tensão desejados. Esses dispositivos podem ser células, módulos ou arranjos fotovoltaicos. Os arranjos são constituídos por um conjunto de módulos associados em série e/ou paralelo, de forma a permitir uma única saída de tensão e corrente.
A maioria das células fotovoltaicas em geral não costuma exceder 3 W de potência, sendo insuficiente para a maioria das aplicações. Por esse motivo, normalmente são feitos arranjos de módulos fotovoltaicos (CARNEIRO, 2010). A Figura 7 apresenta um esquema de ligação para conexão de um arranjo fotovoltaico.
Figura 7 - Conexão de um módulo fotovoltaico de 12 células Fonte: Adaptado de Carneiro (2010).
2.4.1 Associação de módulos em Série
Na ligação série, o terminal positivo de um módulo fotovoltaico é conectado no terminal negativo de outro terminal e assim por diante. Consequentemente, quando é conectado em série dispositivos idênticos, as tensões são somadas e a corrente elétrica não se altera. Esta conexão é ilustrada na Figura 8.
Figura 8 - Associação em série de n módulos fotovoltaicos Fonte: Adaptado de Carneiro (2010).
É possível observar na Figura 8, que levando em conta as características dos painéis e por serem iguais, suas tensões são iguais, logo, a soma das tensões de cada módulo resultará na tensão total Vtotal, comoo sistema está em série a corrente será a mesma em todos os módulos. Com isso, é possível representar a tensão e a corrente equivalente da associação conforme (1) e (2).
Vtotal=V1+V2+Vn (1)
I=I1=I2=In (2)
2.4.2 Associação de módulos em Paralelo
Na conexão em paralelo, os terminais dos dispositivos são interligados entre si, assim como os terminais negativos. Desse modo, os módulos fotovoltaicos idênticos submetidos a essa ligação, apresentam as correntes somadas e a tensão inalterada. A Figura 9 exemplifica esse tipo de conexão.
Figura 9 - Associação em paralelo de n módulos fotovoltaicos Fonte: Adaptado de Carneiro (2010).
No caso apresentado na Figura 9, obtém o valor da corrente mais elevada e a tensão dos módulos é mantida constante. Analisando as informações mostradas na
Figura 9 é possível descrever a corrente e tensão dos módulos fotovoltaicos respectivamente por (3) e (4).
Itotal=I1+I2+In (3)
Vtotal=V1=V2=Vn (4)
O maior problema na associação de células fotovoltaicas é a diferença entre as células. Este problema ocorre, principalmente, devido ao sombreamento, degradação das células e sujeiras sobre o módulo. Isso pode causar severos danos ao módulo, inclusive pode resultar na perda do módulo, devido ao aquecimento da célula que está sombreada pelo efeito Joule da corrente elétrica produzida pelas outras células.
Para minimizar e até mesmo evitar estes danos, faz-se necessário a conexão de dispositivos de proteção, tais como diodos de bypass e de bloqueio em pontos estratégicos.
2.5 PARÂMETROS DE MAXIMIZAÇÃO DA PRODUÇÃO
Para ter uma maior eficiência na geração de energia elétrica pelo sistema fotovoltaico, é necessário levar em consideração à inclinação do eixo da Terra. É possível observar na Figura 2, que a irradiação solar não atinge a Terra sempre com a mesma inclinação.
Para maximizar o aproveitamento da irradiação solar, pode-se ajustar a inclinação do coletor ou painel solar de acordo com a latitude local e o período do ano. No Hemisfério Sul, por exemplo, um sistema de captação solar fixo deve ser orientado para o Norte, com ângulo de inclinação similar ao da latitude local.
Portanto, deve-se levar em consideração o ângulo, orientação e inclinação dos painéis, para se obter a máxima eficiência do sistema fotovoltaico.
2.5.1 Ângulos de fixação
O planeta Terra, em seu movimento anual em torno do Sol, descreve uma trajetória elíptica em um plano inclinado aproximadamente 23,5º com relação ao plano
equatorial. Essa inclinação é responsável pela variação da irradiação solar em relação à mesma hora de outras épocas do ano, dando origem às diferentes estações do ano. A posição angular do Sol, ao meio dia solar, em relação ao plano do Equador (Norte positivo) é chamada de declinação solar (δ) podendo ser melhor vista na Figura 2. Este ângulo varia de -23,5º ≤ δ ≤ 23,5º de acordo com o dia do ano (FRAGA, 2009).
Segundo Zilles (2016), as relações geométricas entre os raios solares que variam de acordo com a posição do Sol e a superfície terrestre, são descritas através de vários ângulos, conforme visto na Figura 10.
Figura 10 - Representação dos ângulos de posicionamento α e θz Fonte: Adaptado de Barros (2011).
Na Figura 10 é possível observar as relações geométricas através de ângulos:
Inclinação (β): ângulo entre a superfície em questão e a horizontal;
Ângulo Zenital (θz): ângulo formado entre os raios solares e a vertical.
Ângulo de Incidência (γ): ângulo formado entre os raios do sol e a normal da superfície de captação;
Altura Solar (α): ângulo compreendido entre o raio solar e a projeção do mesmo sobre um plano horizontal;
Os Ângulos Azimutal da superfície e Ângulo Azimutal do Sol podem ser observados na Figura 11.
Figura 11 - Representação dos Ângulos
Azimutal da superfície e Ângulo Azimutal do Sol Fonte: Adaptado de Barros (2011).
Na Figura 11 observa-se as relações geométricas que são descritas através dos seguintes ângulos:
Ângulo Azimutal da Superfície (Aw): ângulo entre a projeção da normal à superfície no plano horizontal e direção Norte-Sul. O deslocamento angular tomado a partir do Norte (projeção a direita do Norte) -180º ≤ Aw ≤ 180º (projeção a esquerda do Norte);
Ângulo Azimutal do Sol (As): ângulo entre a projeção do raio solar no plano horizontal e a direção Norte-Sul;
Ângulo Horário do Sol (ω): deslocamento angular Leste-Oeste do Sol, a partir do meridiano local, e devido ao movimento de rotação da Terra;
2.5.2 Orientação dos painéis
No Brasil, a posição mais indicada para instalação de painéis fotovoltaicos é voltado para o Norte. Isso se deve ao Sol nascer no Leste, estando inclinado para o Norte e, se pondo a oeste (PINHO; GALDINO, 2014).
Um exemplo disso, é caso o telhado de uma casa que esteja com a face voltada ao Norte. Nessas circunstâncias, se não houver parte sombrosa sobre o telhado, a instalação de seu conjunto de placas fotovoltaicas estará na posição ótima para geração (PORTAL SOLAR, 2018). Caso o telhado esteja voltado para uma
posição diferente do Norte geográfico, haverá uma perda na geração de energia do sistema solar fotovoltaico. Se o sistema for instalado nas faces voltadas para o Leste e Oeste poderá ter um perda de 12% e 20% na geração se comparado com a face Norte. Já as perdas direcionas para telhados com face noroeste (NO) e nordeste (NE) podem variar de 3% e 8% (WA SOLAR, 2018).
Geralmente, o instrumento utilizado para verificar a orientação do local onde será instalado os painéis é a bússola, sendo que esse instrumento indica a orientação com base no campo magnético terrestre. Entretanto, na maioria dos casos, a orientação magnética não coincide com a orientação geográfica do local, sendo necessário realizar a correção do referencial magnético. Para tal, utiliza-se a Declinação Magnética do local de instalação, a qual pode ser obtida através de mapas e softwares disponibilizados por diversas organizações (VILLALVA; GAZOLI, 2012).
2.5.3 Inclinação dos painéis
O valor do ângulo de inclinação dos painéis é obtido com base na latitude do local, que o mesmo será instalado e, pode ser analisado conforme a Tabela 2.
Tabela 2 - Escolha do ângulo de inclinação do módulo
Latitude geográfica do local Ângulo de inclinação recomendado (β)
0º a 10º β = 10º
11º a 20º β = latitude do local
21º a 30º β = latitude do local + 5º
31º a 40º β = latitude do local + 10º
41º ou mais β = latitude do local + 15º
Fonte: Adaptado de Villalva (2015).
2.6 CARACTERÍSTICAS DE UM MÓDULO FOTOVOLTAICO
Segundo o CRESESB (p.1, 2008), é importante ressaltar o cuidado na seleção das células a serem utilizadas pois a incompatibilidade de suas características elétricas pode levar a módulos de baixa qualidade. Isso ocorre por conta do efeito de descasamento, na qual as células de maior fotocorrente e fotovoltagem, dissipam seu excesso de potência nas células de desempenho inferior. Em consequência, a eficiência global do módulo fotovoltaico é reduzida.
Portanto, o dimensionamento dos painéis deve ser o mais adequado possível, levando em consideração as características e fatores que limitam ou amplificam a taxa de conversão de luz solar em energia elétrica.
2.6.1 Características elétricas do módulo fotovoltaico
A potência dos módulos fotovoltaicos é expressa pela potência de pico, ou seja, a potência máxima que o módulo pode atingir. Normalmente o parâmetro é expresso na unidade de watt-pico (Wp). No entanto, existem outros parâmetros que devem ser analisados, como a escolha do módulo a ser utilizado.
A tensão entre os terminas positivos e negativos do módulo fotovoltaico pode ser medida utilizando um voltímetro, de modo que a tensão resultante em um módulo sem carga corresponde a tensão de circuito aberto (𝑉oc). Já a corrente de curto-circuito (𝐼sc) pode ser medida utilizando-se de um amperímetro.
A eficiência dos módulos fotovoltaicos (η) é obtida através da relação entre potência elétrica máxima gerada e a irradiância solar. Em condições normais, a irradiância (G) é igual à 1000 W/m² e a potência luminosa do módulo pode ser calculada multiplicando o valor da irradiância pela área do módulo (Am). Em (5) pode-se obter o cálculo da eficiência do módulo.
η= PMP
G∙Am∙100% (5)
2.6.2 Curva característica I-V
A curva característica dos módulos fotovoltaicos, (suas possíveis associações) consistem na representação matemática do comportamento da corrente elétrica em relação à tensão. A partir dessa curva é possível obter informações sobre o desempenho do sistema fotovoltaico.
Em (6) é descrito a curva I-V que representa uma célula fotovoltaica ideal.
Em que a corrente IPV gerada pela luz incidente é dada por:
IPV=ISC∙(G G
nominal) (7)
Onde, ISC é a corrente de curto-circuito do painel em (A), G representa a irradiação solar em (W/m2), G
nominal é a irradiação solar nominal (W/m2) e Id representa a equação de Shockley, que descreve as características gerais de um diodo semicondutor.
A potência que realmente é produzida pelo módulo pode ser obtida a partir da curva característica I-V, em que para cada ponto do produto Corrente x Tensão, representa a potência gerada para aquela condição de operação, conforme a Figura 12.
Figura 12 - Pontos principais das curvas I-V e P-V de um painel fotovoltaico
Fonte: Adaptado de CEPEL - CRESESB (2014).
É possível observar na Figura 12 que quando a tensão é zero, tem-se a corrente de curto-circuito do painel fotovoltaico (Isc). Quando a corrente é zero, tem-se a tensão de circuito aberto (Voc). O ponto da curva onde se dá o maior produto de tensão (VMP) por corrente (IMP) é conhecido como ponto de máxima potência (MPP –
Maximum Power Point). O MPP é o ponto em que o painel deve estar operando para que a conversão energética seja a mais eficaz (VILLALVA; GAZOLI; FILHO, 2009).
2.6.3 Efeito da Temperatura e Irradiação
As características de um módulo fotovoltaico são medidas nas condições de teste padrão (STC - Standart Test Conditions), disponibilizadas pelos fabricantes em forma de fichas técnicas específicas. Normalmente, a temperatura ideal de operação módulos fotovoltaicos para o teste STC é de 25 ºC, irradiação de 1000 W/m2. O
aumento da temperatura do módulo faz com que a tensão de saída seja reduzida, a diminuição da tensão ocasiona uma perda de potência na mesma proporção.
A temperatura T da junção p-n do painel é diferente da temperatura do ambiente Tamb e pode ser calculada conforme a Equação 8, apresentada abaixo.
T=Tamb+NOCT-20800 ∙G (8)
Em (8), NOCT representa a temperatura normal de operação da célula quando a irradiação é de 800 W/m². Este nível de irradiação é bem mais próximo da média anual a qual os arranjos fotovoltaicos são submetidos, assim, como a Tamb de 20 °C traduz mais fielmente a temperatura ambiente de operação dos arranjos (essas informações são fornecidas pelo fabricante) (PHOTOVOLTAIC EDUCATION).
Os níveis de tensão e corrente geradas por um painel fotovoltaico variam conforme condições de irradiação solar, temperatura, horário, dia do ano, orientação dos painéis, inclinação dos painéis, latitude geográfica, sombreamento, entre outros fatores (VILLALVA; GAZOLI; FILHO, 2009). A potência elétrica P fornecida por painéis fotovoltaicos é dada pela multiplicação de V por I e varia, principalmente, conforme a irradiação solar (G) e a temperatura (T), conforme apresentado em (6), (7) e (8). Quanto maior a irradiação solar incidente sobre a célula, maior é o valor da corrente elétrica, sem alterar significativamente a tensão gerada (Figura 13 (a)).
Em contrapartida, a tensão gerada diminui quando a temperatura da célula
aumenta, sem que a corrente sofra mudanças significativas em seu valor (Figura 13 (b)).
(a) (b)
Figura 13 - Representação de curvas I-V de um painel fotovoltaico com variação exclusiva de (a) irradiação solar e (b) temperatura
Fonte: Adaptado de Walker (2001).
2.6.4 Efeito do Sombreamento
A diminuição da taxa de radiação recebida pelo módulo pode ser causada pelo sombreamento das células, sujeira depositada sobre os módulos, árvores, vegetação ou até mesmo por outros painéis solares. A diminuição da taxa de radiação implica diretamente na produção de energia elétrica, logo se a radiação decai, a geração de energia elétrica também decai.
Além de perda de potência do módulo fotovoltaico, ainda existe o risco de danos aos módulos parcialmente sombreados, uma vez que a potência elétrica gerada não está sendo entregue para o consumo e é dissipada no módulo afetado. Esse problema pode causar um intenso calor sobre a célula afetada, podendo causar a ruptura do vidro e fusão de polímeros e metais, esse problema também é conhecido como ponto quente da célula fotovoltaica.
Ao sombrear apenas uma de cada 36 células de um pequeno módulo solar, pode reduzir a potência em mais de 75%. Dessa forma, quando a célula solar é sombreada, a corrente em todo modulo é reduzida pois isto equivale a reduzir a irradiação solar e esta tem influência direta na corrente do módulo (STERN, 2017).
A Figura 14, ilustra o caso em que um painel deixa de receber a radiação solar, fazendo com que todo o conjunto série, interrompa o fornecimento de corrente elétrica à carga.
Figura 14 - Conjunto de células fotovoltaicas, com uma célula sombreada Fonte: Adaptado de Villalva; Gazoli (2012).
O sombreamento que atinge os módulos fotovoltaicos pode ser parcial, quando atinge apenas um percentual de área de uma determinada célula, ou total, quando atinge toda a área de uma célula. Com o sombreamento total, a célula deixa de fornecer corrente, enquanto sob um sombreamento parcial a mesma fornecerá um inferior nível de corrente, devido à menor área de exposição à radiação solar.
Como já foi citado, uma forma de amenizar o efeito do sombreamento em módulos fotovoltaicos é interligar um diodo em antiparalelo, com as células (VILLALVA; GAZOLI, 2012). Além de reduzir a perda de energia, também reduz o risco de dano irreversível das células afetadas, o que poderia tornar inutilizável o módulo (GTES, 2014).
2.7 INVERSOR
Os módulos do sistema fotovoltaico trabalham em CC, e para conectá-los à equipamentos elétricos e à rede elétrica, é necessário o inversor, responsável pela conversão para Corrente Alternada (CA) e deve seguir os padrões estabelecidos pelo INMETRO. Os inversores devem apresentar eficiência superior a 90%, e ainda garantir a segurança dos sistemas e das pessoas envolvidas, visto que desconectam a instalação em caso de falhas na rede elétrica de distribuição (SILVEIRA, 2013).
Os inversores podem ser classificados para serem utilizados em sistemas isolados, sistemas conectados à rede sem baterias e sistemas conectados à rede com baterias (LOPEZ, 2002).
2.8 BATERIA
As baterias eletroquímicas são capazes de transformar diretamente energia elétrica em energia potencial química e em seguida converter, diretamente, a energia potencial química em energia elétrica (SEGUEL, 2009).
São classificadas em duas categorias:
Bateria primária: são dispositivos eletroquímicos que, uma vez esgotado os reagentes que produzem a energia elétrica são descartados por não serem recarregáveis.
Baterias secundárias: através da aplicação de uma corrente elétrica em seus terminais podem reverter as reações responsáveis pela geração de energia elétrica e então, carregam novamente.
Para os sistemas fotovoltaicos de geração de energia elétrica, são utilizados acumuladores secundários. As baterias mais comuns são as chumbo-ácido e as níquel-cádmio. Entretanto, por apresentarem custo menor, as chumbo-ácido são mais populares no mercado (SEGUEL, 2009; PINHO, GALDINO, 2014).
A vida útil de uma bateria é determinada pelo número de ciclos, com a profundidade de descarga pré definido que uma célula ou bateria pode ser submetida antes de apresentar falhas, dependendo da profundidade de descarga do ciclo, da corrente de descarga e da temperatura de operação. Em sistemas fotovoltaicos isolados, normalmente os ciclos de carga/descarga são diários, isto é, o número de ciclos de vida corresponde ao número de dias de trabalho. A capacidade de uma bateria também é reduzida pelo seu desgaste, que está diretamente relacionado com a temperatura e armazenamento das baterias (PINHO, GALDINO, 2014).
Em sistemas fotovoltaicos isolados da rede elétrica, as baterias são utilizadas para atender a demanda nos períodos em que a geração não é suficiente ou é nula. Para esses sistemas, parte da energia elétrica gerada pelos módulos fotovoltaicos durante o dia é armazenada para atender a demanda em outros momentos (PINHO, GALDINO, 2014).
As baterias do tipo Lítio-íon, Níquel-cádmio e Chumbo-ácido, são normalmente utilizadas em aplicações de menor escala. Porém, em sistemas de
grande porte seu custo pode inviabilizar o projeto, podendo assim não obter retorno do investimento (payback) em locais atendidos pela rede de distribuição de energia elétrica (HILL et.al 2012).
3. CONFIGURAÇÕES TÍPICAS DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS
Segundo o CEPEL/CRESESB (2014), existem duas classificações de Sistemas Fotovoltaicos: Sistemas Fotovoltaicos off-grid e Sistemas Fotovoltaicos on-grid. Os sistemas off-grid normalmente são utilizados em locais de difícil acesso, ou que não há disponibilidade de conexão com à rede. Já os sistemas fotovoltaicos on-grid ou conectados à rede, podem complementar e, até mesmo, substituir a energia elétrica consumida da concessionária.
No Brasil, até o início da década de 2010, as instalações de sistemas fotovoltaicos se limitavam na configuração off-grid. Porém, com a resolução 482 de 2012 da ANEEL, observou-se uma redução significativa dos custos para investimento e expansão na potência instalada em GD na matriz energética nacional. Desta forma, verifica-se uma paridade tarifária entre o custo da GD e as tarifas finais dos consumidores de energia elétrica em diversos países (DEA, 2014).
Alguns componentes são utilizados em ambos os sistemas fotovoltaicos, tanto off-grid quanto on-grid. O inversor é um desses componentes sua utilização é de fundamental importância para o bom funcionamento dos sistemas, já que é responsável por converter a forma de onda gerada, CC, em alternada 60 Hz. Além do mais, esse componente possui alta eficiência e é responsável por otimizar o ponto de máxima geração do sistema (PINHO; GALDINO, 2014).
3.1 SISTEMA FOTOVOLTAICO OFF-GRID
Os sistemas off-grid ou autônomos, são caracterizados por não estarem conectados à rede elétrica. Desta maneira, há necessidade de baterias que serão responsáveis pelo armazenamento da energia gerada para abastecer a carga consumidora.
A configuração isolada é amplamente utilizada em locais de difícil acesso ou locais onde não seja viável a conexão com à rede. Nesses casos, frequentemente, os sistemas fotovoltaicos off-grid são mais competitivos economicamente do que o gerador diesel comumente utilizado. Nessas regiões geralmente a melhor, em alguns casos única, fonte de energia elétrica provém dos módulos fotovoltaicos, por isso, é necessário a utilização de baterias para armazenar a energia elétrica gerada pelos painéis em caso de ausência de luz solar (CRESESB, 2006).
Nos sistemas off-grid, a geração é exclusiva para atendimento de uma única unidade consumidora, como pode ser observado na Figura 15.
Figura 15 - Diagrama esquemático do sistema off-grid Fonte: Adaptado de Villalva; Gazoli (2012).
O diagrama apresentado na Figura 15, mostra o caminho percorrido pela energia elétrica do painel até a carga. O banco de baterias inserido no sistema isolado tem a função de armazenar a energia gerada pelo painel fotovoltaico, podendo assim, atender a demanda do local. O controlador de carga é o dispositivo que faz a conexão entre o painel fotovoltaico e a bateria, evitando que a bateria seja sobrecarregada ou descarregada excessivamente (VILLALVA; GAZOLI, 2012).
3.2 SISTEMA FOTOVOLTAICO ON-GRID
Os sistemas on-grid são aqueles em que a potência gerada pelos painéis fotovoltaicos podem ser consumidas diretamente pela carga, dispensando o uso de banco de baterias, ou, consumida da rede elétrica convencional. Caso haja uma geração acima da solicitada pela carga, esse excedente é injetado na rede de
