ONEIDE ANTONIO SIVERIS DE OLIVEIRA
O USO DE ENERGIA DE FONTE SOLAR FOTOVOLTAICA APLICADO EM TELECOMUNICAÇÕES
Santa Rosa, RS 2018
ONEIDE ANTONIO SIVERIS DE OLIVEIRA
O USO DE ENERGIA DE FONTE SOLAR FOTOVOLTAICA APLICADO EM TELECOMUNICAÇÕES
Trabalho apresentado ao departamento de engenharia elétrica da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul, como requisito parcial para conclusão do curso bacharelado em Engenharia Elétrica.
Orientador: Prof. Me Mauro Fonseca Rodrigues
Santa Rosa, RS 2018
ONEIDE ANTONIO SIVERIS DE OLIVEIRA
O USO DE ENERGIA DE FONTE SOLAR FOTOVOLTAICA APLICADO EM TELECOMUNICAÇÕES
Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado adequado para a obtenção do título de BACHAREL EM ENGENHARIA ELÉTRICA e aprovado em sua forma final pelo professor orientador e pelos membros da banca examinadora.
Santa Rosa, 13 de julho de 2018.
Prof. Mauro Fonseca Rodrigues Mestre pela Universidade Federal de Santa Maria - Orientador Coordenador do Curso de Engenharia Elétrica/UNIJUÍ
Prof.Dr. Mateus Felzke Schonardie Prof. do Curso de Engenharia Elétrica – (UNIJUI)
DEDICATÓRIA
Agradeço a Deus, Luz Espiritual e fonte inesgotável de energia frente a todos os momentos nos quais as demais fontes parecem se esgotar. Aos meus filhos pela paciência e compreensão. Ao orientador,
colegas e professores, peças
fundamentais na transmissão e compartilhamento do conhecimento.
“A tarefa não é tanto ver aquilo que ninguém viu, mas pensar o que ninguém ainda pensou sobre aquilo que todo mundo vê.”
RESUMO
Este trabalho traz como temática e objeto de reflexão a utilização racional de áreas livres em pátios e coberturas nas estações de telecomunicações existentes em todo o território nacional, quanto à possibilidade de aproveitamento na exploração do recurso do potencial solar como fonte de geração de energia elétrica e inserção desta na rede de distribuição local, aproveitando-se da condição trazida pela resolução normativa 482/2012 que possibilita o uso da geração distribuída. Devido a existência de inúmeros pontos consumidores de energia elétrica que atendem o setor de telecomunicações, abre-se a possibilidade de criação de uma cadeia integrada e geradora de eletricidade por fonte solar, o que traz uma série de benefícios ao investidor e à sociedade como um todo. A exploração de uma fonte praticamente inesgotável como a do recurso solar, promove a preservação do meio ambiente e dos recursos hídricos, uma vez que, ao se usar de uma fonte evita-se que outra seja consumida. Ao produzir sua própria energia, ou parte dela, promove-se a disponibilidade desta potência ao sistema elétrico nacional, contribuído para minimizar a ocorrência de sobrecargas. Os órgãos de pesquisa destacam a elevada disponibilidade do recurso solar em todos os Estados brasileiros e as análises realizadas demostram a viabilidade do investimento com retorno médio estimado para um terço de vida útil do sistema instalado, sendo ainda, que a energia gerada pela fonte consumidora possibilita as empresas do setor de telecomunicações reduzir o custo operacional tido com o consumo de energia elétrica em suas dependências, aumentando a eficiência operacional e apresentarem-se como precursores na utilização em série deste importante recurso natural, o Sol. Por fim, o presente trabalho apresenta o dimensionamento completo e comentado de um sistema de geração por fonte solar fotovoltaica conectado à rede de distribuição em uma estação de telecomunicações.
ABSTRACT
This work brings as a subject and object of reflection the rational use of free areas in courtyards and roofs in existing telecommunications stations throughout the national territory, as well as the possibility of exploiting the potential of the solar potential as a source of electricity generation and insertion of this in the local distribution network, taking advantage of the condition brought by normative resolution 482/2012 that allows the use of distributed generation. Due to the existence of numerous electric energy points serving the telecommunications sector, the possibility of creating an integrated and electricity-generating chain via solar power opens up, which brings a series of benefits to the investor and society as a whole. everything. The exploitation of a virtually inexhaustible source such as the solar resource, promotes the preservation of the environment and water resources, since, when using one source, another is not consumed. By producing its own energy, or part of it, the availability of power is promoted to the national electrical system, minimizing the occurrence of overloads and contributing in an integrated way to the socioeconomic development of the country. The research entities highlight the high availability of the solar resource in all Brazilian states and the analyzes carried out show the viability of the investment with estimated average return for a third of the installed system's useful life, and that the energy generated by the source consumes companies in the telecommunications sector reduce the operational cost incurred with the consumption of electricity in their dependencies, and present themselves as precursors in the serial use of this important natural resource, the sun. Finally, the present work presents the complete and commented design of a solar power generation system connected to the distribution network in a telecommunications station.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Fluxo de potência global (W/m²) ... 15
Figura 2 - Corte transversal de uma célula fotovoltaica ... 17
Figura 3 -Célula de Silício Monocristalino ... 18
Figura 4 - Célula de Silício Policristalino ... 18
Figura 5 - Irradiação no Brasil ... 20
Figura 6 - Cadeia de produção de módulo fotovoltaico no Brasil ... 21
Figura 7 - Número de micro e minigeradores até 23/05/2017 ... 25
Figura 8 - Conexão por tipo de fonte até 23/05/2017 ... 25
Figura 9 - Projeção de unidades consumidoras que receberiam os créditos ... 26
Figura 10 - Número de conexões por Estado até 23/05/2017 ... 26
Figura 11 - PCs e Usuários em 2016. ... 27
Figura 12 - Perfil usuários. ... 28
Figura 13 - Estrutura de alimentação das estações ... 29
Figura 14 - Estrutura atual e futura da alimentação das estações de telecomunicações ... 30
Figura 15 - Sistema off-grid ... 35
Figura 16 - Sistema on grid ... 37
Figura 17 - Histórico de consumo da estação ... 38
Figura 18 - Fatura de energia detalhada ... 39
Figura 19 - Irradiação solar no plano horizontal ... 41
Figura 20 - Posição geográfica dos painéis ... 47
Figura 21 - Gráfico de compensação de energia ... 52
Figura 22 - Retorno de investimento ... 53
Figura 23 - Simulação de gerador de 51,8 kW ... 55
Figura 24 - Cobertura de consumo obtida com simulador ... 55
Figura 25 - Payback simulação ... 56
Quadro 1 - Cálculo da energia para compensação ... 39
Quadro 2 - Determinação do potencial solar ... 41
Quadro 3 - Cálculo do gerador ... 41
Quadro 4 - Características normais e corrigidas do módulo... 43
Quadro 5 - Características de temperatura ... 43
Quadro 6 - Fatores de compensação. ... 43
Quadro 7 - Compensação da potência de pico ... 44
Quadro 8 - Compensação da tensão devido à temperatura ... 44
Quadro 9 - Compensação da corrente devido à temperatura ... 45
Quadro 10 - Capacidade de geração de um módulo por dia ( corrigido ) ... 45
Quadro 11 - Número de Módulos Recalculado ... 46
Quadro 12 - Equação para obtenção do ângulo de instalação ... 48
Quadro 13 - Irradiação solar para uma inclinação de 25º ... 48
Quadro 14 - Cálculo do gerador após correção da inclinação... 49
Quadro 15 - Área requerida para instalação dos módulos ... 49
Quadro 16 - Potência gerada frente a área disponível ... 50
Quadro 17 - Percentual de redução alcançável ... 50
Quadro 18 - Inversor interativo ... 51
LISTA DE ABREVIAÇÕES
ABINEE-Associação Brasileira da Indústria Elétrica e Eletrônica ANATEL-Agência Nacional de Telecomunicações
ANEEL-Agência Nacional de Energia Elétrica Cn-Capacidade nominal
Cr-Capacidade real Cu-Capacidade útil
ECD-Energia para compensação diária EC-Energia para compensação
ED- Energia diária
Ep-Energia gerada diariamente ER-Energia Real diária
FMM-Consumo médio mensal HSP-Horas de sol pico
Ie-Corrente de entrada
INPE- Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais. Ip-Corrente gerada diariamente
Is-Corrente de saída kW-kilowatt
Mp-Número de módulos em paralelo por fileira Ms-Número de módulos em série por fileira Nb-Número total de baterias
Nm- Número total de módulos Nmódulos-Número de módulos P&D-Pesquisa e Desenvolvimento Pd-Profundidade de descarga RN-Resolução Normativa R-Rendimento Global
SEP-Sistema Elétrico de Potência
SFCR- Sistema fotovoltaico conectado à rede Treal-Temperatura real
UR-Unidade Retificadora Wp-Wattpico
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 11 1.1 Contextualização ... 11 1.2 Objetivos ... 13 1.2.1 Objetivo Geral ... 13 1.2.2 Objetivos Específicos... 13 1.3 Estrutura do trabalho ... 13 2 TEORIA DE BASE ... 15
2.1 Fonte da energia fotovoltaica ... 15
2.2 Processo evolutivo da energia fotovoltaica ... 18
2.3 capacidade de geração no território brasileiro ... 19
2.4 Viabilidade no uso de energia fotovoltaica ... 21
2.5 A relevância das telecomunicações no cotidiano ... 27
2.6 Estrutura básica de alimentação para um sistema de telecomunicações ... 29
2.7 Uso de energia solar fotovoltaica em sistemas de telecomunicações .... 29
2.8 Análise econômica de viabilidade de implantação de sistemas de microgeração de energia fotovoltaica em torres de telecomunicações .. 31
2.9 Considerações finais quanto ao uso de sistemas de microgeração por fonte fotovoltaica aos sistemas de telecomunicações ... 32
3 ANÁLISE DE VIABILIDADE DE INSTALAÇÃO DE SISTEMA DE GERAÇÃO FOTOVOLTAICA ... 34
3.1 Dimensionamento de um sistema autônomo (off grid). ... 34
3.2 Dimensionamento de sistema conectado à rede (on grid). ... 37
3.2.1 Correção por fator de temperatura ... 42
3.2.2 Correção da radiação por inclinação e orientação ... 46
3.2.3 Avaliação econômica ... 51
3.2.4 Integração dos sistemas ... 54
3.2.5 Simulação. ... 54
3.2.6 Resultados e discussão ... 57
3.2.7 Sugestão de trabalhos futuros ... 57
4 CONCLUSÃO ... 58
5 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 59
6 ANEXOS ... 61
6.1 Anexo A - Datasheet do módulo BYD série P6-30 ... 61
1 INTRODUÇÃO
1.1 Contextualização
A geração distribuída de energia elétrica através fonte solar, vem se tornando realidade no setor elétrico nacional, e com projeção de crescimento exponencial para os próximos anos, segundo pesquisas divulgadas pela ANEEL. Este cenário ocorreu após publicação das resoluções normativas 482/2012 e a RN 687/2015, criando regras claras para o setor, as quais abriram novo horizonte ao tema, tornando viável a implantação e utilização desta fonte de energia.
A resolução 482/2012 traz o conceito de geração distribuída, a energia gerada por uma unidade consumidora e injetada na rede de distribuição da concessionária local. Ainda de acordo com a mesma resolução, a modalidade da geração é classificada em minigeração ou microgeração de acordo com a potência instalada.
A energia gerada na unidade consumidora é cedida ao sistema elétrico de distribuição, como empréstimo gratuito, e após, tem um período no qual é possível de ser compensada em créditos de energia, abatendo de consumos tido pelo titular da fatura. Não se caracteriza venda ou comercialização.
O presente trabalho tem intuito de avaliar a utilização dos recursos solares em sistemas de microgeração e minigeração de energia elétrica quando aplicados em telecomunicações.
Ao abordar este assunto, é preciso ter em mente que tal fonte alternativa permite o uso da energia gerada tanto em sistemas conectados à rede, quanto em sistemas isolados.
A análise de viabilidade técnica e econômica de instalação, bem como da modalidade melhor indicada, se isolada ou conectada à rede, como fonte alternativa na alimentação de torres de transmissão de sinais de telecomunicações depende de cada caso em particular, da aplicação que se deseje, da potência que se pretenda alimentar e do local em que a carga esteja instalada.
Neste trabalho, o foco de estudo será dirigido para a análise de viabilidade em sistemas de geração conectados à rede.
As empresas de telecomunicações cobrem grande parte do território nacional, e possuem considerável volume de energia elétrica consumida tanto em seus prédios comerciais, quanto na alimentação dos equipamentos responsáveis pelas diversas
etapas de transmissão da informação, e isso é possível de ser observado se levado em conta a análise de faturas de energia individual de cada um destes pontos de consumo.
É de pleno conhecimento que este setor, tem hoje, papel fundamental na sociedade, quer seja a nível de trabalho, estudo, lazer, ou tantas outras aplicações das quais se faça uso. Basta ser levado em consideração como seria o cotidiano sem o uso dos equipamentos e aplicativos de comunicação ou da condição de troca de dados via internet. O fato é que se faz presente no cotidiano das pessoas e se torna a cada dia mais integrada as diversas atividades, o que leva ao entendimento de que manterá crescimento a nível global com cada vez maior consumo de recursos energéticos.
Devido a necessidade de tratamento da informação, distribuição ou reforço de potência para a portadora do sinal é preciso que exista uma rede, a qual, é composta por diversos pontos de carga, os quais estão distribuídos pelos mais diversos locais do território nacional, e integram um grande volume de unidades consumidoras das empresas de telecomunicações. Situam-se tanto em áreas urbanas, quanto nos mais remotos e acidentados locais, onde nestes casos muitas vezes são de difícil acesso ou até mesmo inacessíveis com o uso de veículos.
Frente ao volume de consumo de energia elétrica hoje existente por este setor, e da projeção de aumento deste consumo nos próximos anos se considerado as ampliações de serviço que se mostram necessárias para atender a demanda estimada. E ainda, se considerada a limitação pela utilização dos recursos hídricos na geração de eletricidade, o qual até a presente data constitui fonte principal de geração no Estado brasileiro, e está se tornando escasso, o que exige que se pense na exploração de novas fontes de energia que atendam a demanda crescente, e que preferencialmente não agrida ao ambiente. É de se analisar cuidadosamente a possibilidade hoje existente de autogeração de energia elétrica por parte das empresas de telecomunicações.
A avaliação técnica e financeira de viabilidade na instalação de geradores de energia elétrica por fonte solar merece a atenção deste setor, o qual além de poder proporcionar atrativo retorno frente as faturas de consumo de energia das operadoras de telecomunicações, poderão ainda se somadas, representar importante volume de energia limpa produzida e inserida no sistema elétrico nacional, contribuindo para toda a sociedade e servindo de modelo a outras camadas da sociedade.
1.2 Objetivos
1.2.1 Objetivo Geral
Analisar a viabilidade no uso de sistemas fotovoltaicos de microgeração ou minigeração de energia elétrica em estações de telecomunicações, da possibilidade de formação de uma cadeia de geração de energia elétrica, tal como de sua contribuição para a redução de custos operacionais ao setor.
1.2.2 Objetivos Específicos
• Revisar a resolução normativa 482 / 2012 • Revisar a resolução normativa 687 / 2015
• Revisar a bibliografia existente sobre o atual cenário político econômico, na implantação de sistemas de microgeração fotovoltaico por fonte solar no Brasil.
• Coletar informações sobre a capacidade de geração de energia solar no território brasileiro, com especial foco no Rio Grande do Sul e ponto de instalação da torre, objeto de estudo.
• Coletar informações sobre consumo médio anual de energia elétrica em uma torre de transmissão, objeto direto de estudo, para parâmetro comparativo de possível ganho econômico com a implantação de um sistema de geração própria.
• Analisar dados coletados, para verificar a viabilidade na implantação de sistema de microgeração de energia elétrica por fonte solar fotovoltaica.
1.3 Estrutura do trabalho
O trabalho está dividido em cinco capítulos, conforme descrito:
O capítulo 1 em sua introdução descreve sobre o assunto que estará sendo abordado ao longo deste trabalho. Fala sobre o tema e os objetivos que visados a serem alcançados.
No capítulo 2 se uma revisão bibliográfica sobre o tema proposto. Nele, faz-se uma abordagem quanto a importância no uso do recurso solar por parte da humanidade ao longo de sua história, e do quanto esta fonte de energia se faz
presente no cotidiano. Introduz os conceitos de energia fotovoltaica, seu processo evolutivo, explica a forma com que a energia luminosa é transformada em energia elétrica, e da disponibilidade de utilização deste recurso no território brasileiro.
Neste capítulo, ainda é descrito detalhadamente a resolução normativa 482/2012, a qual deu o passo inicial viabilizando a exploração do recurso solar no Brasil como geração distribuída, e da RN 687/2015, a qual substitui e acrescenta importantes melhorias à resolução anterior.
São apresentadas pesquisas de órgãos governamentais com projeções de crescimento para este segmento, bem como, introduz o tema quanto ao uso de energia por fonte solar em sistemas de telecomunicações, mostrando a estrutura básica de alimentação das estações e a análise econômica de viabilidade de implantação de sistemas de microgeração.
No capítulo 3, é feito a análise de viabilidade de instalação de um sistema de geração fotovoltaica, no qual é detalhadamente descrito e comentado o processo de cálculos utilizados no dimensionamento para uma estação de telecomunicações usada como modelo.
Traz-se as considerações sobre a forma de integração do sistema de geração a ser implantado para com os sistemas de potência já existentes, bem como, apresenta o entendimento obtido sobre o melhor modelo de utilização para os sistemas de geração por fonte solar avaliados neste estudo.
O capítulo 4 apresenta a conclusão final obtida com o desenvolvimento das pesquisas bibliográficas e pela prática vivenciada para montagem da presente monografia.
No capítulo 5 tem-se a relação das referências bibliográficas usadas na composição deste trabalho.
2 TEORIA DE BASE
2.1 Fonte da energia fotovoltaica
A radiação solar constitui à fonte para obtenção de energia fotovoltaica. Conforme descrito no livro energia solar fotovoltaica (GARCIA E MUÑIZ, P.16), o homem desde os primórdios de sua existência na terra, aproveita-se das fontes de energias renováveis como substrato de sobrevivência e evolução. De forma enfática é possível afirmar que este sempre fez uso direto ou indiretamente da energia proveniente do sol.
Este conceito é reforçado na obra manual de engenharia para sistemas fotovoltaicos, pelo grupo de Trabalho de Energia Solar (GTES – CRESESB, 2014, p.47), a qual quantifica como “inesgotável na escala terrestre de tempo, tanto como fonte de calor quanto de luz, é hoje uma das alternativas mais promissoras para prover a energia necessária ao desenvolvimento humano”.
A figura 1 retrata o fluxo energético que atinge a superfície terrestre proveniente da radiação solar. A energia provém de forma direta, refletida e difusa.
Figura 1 - Fluxo de potência global (W/m²)
Fonte: (TRENBERTH et al. 2009)
Este imenso reator termonuclear, com temperatura estimada no seu núcleo de cerca de 15 milhões de kelvin, emana quantidades astronômicas de ondas eletromagnéticas em todas as direções do espaço, sendo que apenas uma pequena
parcela atinge nosso planeta, porém ainda assim, muito superior à soma de todas as outras formas de energia disponíveis na terra.
“O consumo mundial de energia primária no ano de 2011 foi cerca de 143 mil TWh, então, no intervalo de duas horas a quantidade de energia solar recebida na superfície terrestre (multiplicando 94 mil TW por duas horas, resultando em 188 mil TWh) é superior ao consumo energético anual da
humanidade. (GTES – CRESESB, 2014, p.76)”
. A obra ainda nos lembra, que é a partir da energia solar que derivam as demais fontes energéticas, das quais fazemos uso. Mostrando então, que mesmo quando consumimos de outra fonte da matriz energética, indiretamente estamos usufruindo da energia solar.
O calor produzido pelos raios da luz solar, que atravessam e ficam presos na camada atmosférica da terra, garantem a condição de vida no planeta, mantendo temperaturas razoavelmente estáveis e que possibilitam o desenvolvimento de plantas, o estado líquido da água e demais aspectos fundamentais para a condição de vida humana e animal. Em “A Lei de Beer aplicada na atmosfera terrestre”, Echer e Souza (2001,p.277), o trabalho ratifica: “a superfície terrestre absorve radiação solar principalmente na região visível e reemite no infravermelho”, onde do total de radiação que atingem nosso planeta, grande parte é filtrada ou refletida pela atmosfera terrestre.
As obras elencadas, retratam que é a partir da energia solar que se dá a evaporação, processos de fotossíntese, originam o ciclo das águas, proporcionam condições para manifestação das correntes de ventos através da circulação atmosférica induzidas pela radiação solar, variações de temperaturas no planeta, entre tantos outros. E por consequência destes, o surgimento ou aproveitamento dos mais variados fenômenos físicos por nós conhecidos e explorados. Dentre tais fenômenos, destaca-se especialmente neste momento a energia fotovoltaica, tema básico do objeto de estudo presente.
Segundo manual de engenharia para sistemas fotovoltaicos de GTES – CRESESB (2014, p.50):
“A energia solar fotovoltaica é a energia obtida através da conversão direta da luz em eletricidade (efeito fotovoltaico), sendo a célula fotovoltaica, um dispositivo fabricado com material semicondutor, a unidade fundamental desse processo de conversão.”
É de suma importância destacar o aspecto citado, o qual enfatiza a ocorrência da transformação direta da energia solar para elétrica, sem a existência ou necessidade de outras transformações de energia intermediária ao processo, o que traz maior eficiência e confiabilidade a tal sistema.
A figura 2 demonstra o funcionamento básico desta energia, no qual a transformação se dá, quando um semicondutor PN (célula cristalina solar) é exposto a luz solar. Com a referida exposição, os elétrons absorvem fótons e desta forma, a estabilidade da camada de valência é quebrada, liberando elétrons que passam a se mover livremente produzindo corrente elétrica.
Figura 2 - Corte transversal de uma célula fotovoltaica
Fonte: CRESESB (2014).
Dentre as diversas tecnologias de fabricação de células fotovoltaicas desenvolvidas, aquelas fabricadas a partir de lâminas de silício cristalino, dominam o mercado mundial, correspondendo a 87,9% em 2011 (CRESESB, 2014, p.103), sendo estas na forma (monocristalino e policristalino).
A figura 3 traz a imagem de uma célula fotovoltaica de silício monocristalino, enquanto na figura 4 é possível se observar a estrutura de uma célula fotovoltaica de silício policristalino.
Figura 3 -Célula de Silício Monocristalino
Fonte: CRESESB (2014).
Figura 4 - Célula de Silício Policristalino
Fonte: CRESESB (2014).
Cabe destacar que uma célula de silício cristalizado, gera 30 mA por centímetro quadrado (30 mA / cm²), de exposição à radiação solar, e em torno de 0,5 v independente de seu tamanho.
2.2 Processo evolutivo da energia fotovoltaica
A linha cronológica de tempo, da descoberta ao entendimento do fenômeno, bem como, do processo evolutivo de fabricação das células conversoras é apresentada a seguir:
Edmond Becquerel, em 1839, observou pela primeira vez o efeito fotovoltaico, ao verificar que eram produzidas pequenas diferenças de potencial em placas metálicas de platina ou prata, quanto imersas em um eletrólito, e expostas à luz.
Em 1877, foi concebido o primeiro dispositivo sólido de produção de energia elétrica por exposição à luz, sendo seus criadores W. G. Adams e R. E. Day, utilizando-se das propriedades fotocondutoras do selênio.
Em 1905, Albert Einstein, deixa sua contribuição para o entendimento do fenômeno fotovoltaico com seu artigo intitulado: sobre um ponto de vista heurístico a respeito da produção e transformação da luz, no qual propõe que a luz consiste de uma certa quantidade de partículas (fótons), expelidas pela fonte, a qual não enfraquece ou perde energia, independente do trajeto percorrido, e que ao incidir sobre determinada superfície depositará exatamente a mesma energia cuja qual fora criada.
Já em 1953, Calvin Fuller, experimentou o processo de dopagem do silício com impurezas, as quais deram início a primeira célula solar moderna, cuja eficiência na época ficava na casa de 4%.
Em 1955, ocorreu a primeira aplicação de células solares, por Chapin, Fuller e Pearson, alimentando uma rede telefônica local.
Em 1958, as células solares foram incorporadas pela NASA em seus satélites, após demonstração de serem superiores às então usadas passando a ocupar papel de destaque nesta aplicação.
Em 1973, com a crise do petróleo e necessidade crescente por fontes alternativas de energia, passou-se a investir em novas tecnologias na busca por processos que tornassem economicamente viável a utilização de células de energia fotovoltaicas para uso de geração de energia elétrica.
Em 1998, alcançou-se eficiência de 24,7% em células de silício monocristalino.
2.3 capacidade de geração no território brasileiro
Devido as dimensões continentais do território brasileiro, e de sua localização próximo a linha do equador com um potencial médio anual em de 5,6 kWh/m² (INPE, 2006, p.50), o País apresenta um potencial invejável quanto a possibilidade de exploração e aproveitamento energético por fonte solar. Sendo que atualmente dados apontam para uma representação de apenas 0,04% da matriz energética nacional.
“Estima-se que o aquecimento de água é responsável por 25% do total de energia elétrica consumida nas residências brasileiras o que representa um consumo da ordem de 20 bilhões de kWh. Tal demanda de energia elétrica ocorre principalmente no fim da tarde ocasionando um pico que poderia ser
reduzido em grande parte com a exploração da energia solar, trazendo ainda vantagens econômicas e ambientais. O chuveiro elétrico é o equipamento mais empregado para esta tarefa, apresenta um custo reduzido para instalação (abaixo de US$15) e pode consumir uma potência de até 6 kWh. (INPE, 2006, p.5)”
O valor de irradiação solar média anual em todo o território brasileiro, é superior quando comparado a países europeus, onde a capacidade instalada já alcança valores significativos, acima de 10% da energia elétrica consumida naqueles países. Índices estes que demonstram claramente o potencial energético decorrente desta fonte, cuja qual é possível de ser explorada, bem como da tendência de que isso ocorra nos anos vindouros, frente ao acréscimo de consumo estimado pelos órgãos controladores.
Na figura 5 é possível de ser observado a incidência de radiação solar no Brasil.
Figura 5 - Irradiação no Brasil
Torna-se importante destacar que embora ainda não se tenha no Brasil, produção de silício em grau solar, a nível de grau metalúrgico, segundo fontes da ABINE, o Brasil se apresenta como um dos líderes mundiais em produção, ficando atrás apenas da China. A empresa RIMA industrial aparece como sexta maior produtora mundial do produto.
A figura 6 traz um fluxograma da cadeia produtiva de módulos fotovoltaicos no Brasil.
Figura 6 - Cadeia de produção de módulo fotovoltaico no Brasil
Fonte: Brasil Solar Power (2016)
2.4 Viabilidade no uso de energia fotovoltaica
A Resolução normativa Aneel nº 482/2012, vem atender uma tendência crescente na demanda de consumo energético como estratégia de mercado consumidor no quesito de autogeração, e tornou possível a conexão de sistemas de micro e minigeração fotovoltaica às redes de distribuição, definindo claramente as
regras e condições gerais para o chamado sistema de compensação de energia elétrica, cujas definições são:
l- Microgeração distribuída: central geradora de energia elétrica, com potência instalada menor ou igual a 100 kW e que utilize fontes com base em energia hidráulica, solar, eólica, biomassa ou cogeração qualificada, conforme regulamentação da Aneel, conectada na rede de distribuição por meio de instalações de unidades consumidoras.
ll- Minigeração distribuída: central geradora de energia elétrica, com potência instalada superior a 100 kW e menor ou igual a 1 MW para fontes com base em energia hidráulica, solar, eólica, biomassa ou cogeração qualificada, conforme regulamentação da Aneel, conectada na rede de distribuição por meio de instalações de unidades consumidoras.
lll- Sistema de compensação de energia elétrica: sistema no qual a energia ativa injetada por unidade consumidora com microgeração distribuída ou minigeração distribuída é cedida, por meio de empréstimo gratuito, à distribuidora local e posteriormente compensada com o consumo de energia elétrica ativa dessa mesma unidade consumidora ou de outra unidade consumidora de mesma titularidade da unidade consumidora onde os créditos foram gerados, desde que possua o mesmo Cadastro de Pessoa Física (CPF) ou Cadastro de Pessoa Jurídica (CNPJ) junto ao Ministério da Fazenda.(ANEEL, 2012a. p.1)
A adoção de mecanismos de incentivo governamental e leis que regulamentem este segmento no setor elétrico nacional, mostram a exemplo do que já ocorre em outros países desenvolvidos, que a exploração na geração de energia por fonte solar é atrativa e sólida. Com payback de retorno de investimento a um tempo cada vez menor, frente as novas tecnologias empregadas na fabricação dos componentes que integram o sistema de geração, tornam a condição de mini e microgeração atrativa e mais próxima à realidade dos consumidores. Os preços dos componentes que fazem parte do sistema de geração vêm caindo, viabilizando a implantação desta fonte de energia.
Como processo evolutivo às regras de mercado, em novembro de 2015 foi publica a resolução normativa 687/2015, a qual traz novas e significativas alterações a antecessora RN 482/2012, desburocratizando o processo de inserção das centrais geradoras junto às concessionárias, bem como, tornando mais atrativa a geração decentralizada pelas mini e microgeradoras de energia elétrica. Destaca-se a seguir as principais alterações que passaram a vigorar através da RN 687/2015.
“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; IV - melhoria: instalação, substituição ou reforma de equipamentos em instalações de distribuição existentes, ou a adequação destas instalações, visando manter a prestação de serviço adequado de energia elétrica; V - reforço: instalação, substituição ou reforma de equipamentos em instalações de distribuição existentes, ou a adequação destas instalações, para aumento de capacidade de distribuição, de confiabilidade do sistema de distribuição, de vida útil ou para conexão de usuários;
VI – empreendimento com múltiplas unidades consumidoras: caracterizado pela utilização da energia elétrica de forma independente, no qual cada fração com uso individualizado constitua uma unidade consumidora e as instalações para atendimento das áreas de uso comum constituam uma unidade consumidora distinta, de responsabilidade do condomínio, da administração ou do proprietário do empreendimento, com microgeração ou minigeração distribuída, e desde que as unidades consumidoras estejam localizadas em uma mesma propriedade ou em propriedades contíguas, sendo vedada a utilização de vias públicas, de passagem aérea ou subterrânea e de propriedades de terceiros não integrantes do empreendimento;
VII – geração compartilhada: caracterizada pela reunião de consumidores,
dentro da mesma área de concessão ou permissão, por meio de consórcio ou cooperativa, composta por pessoa física ou jurídica, que possua unidade consumidora com microgeração ou minigeração distribuída em local diferente das unidades consumidoras nas quais a energia excedente será
compensada; VIII – autoconsumo remoto: caracterizado por unidades
consumidoras de titularidade de uma mesma Pessoa Jurídica, incluídas matriz e filial, ou Pessoa Física que possua unidade consumidora com microgeração ou minigeração distribuída em local diferente das unidades consumidoras, dentro da mesma área de concessão ou permissão, nas quais a energia excedente será compensada. (ANEEL, 2015 p.2)”
Dentre as alterações, destaca-se o prazo para uso dos créditos energéticos gerados, o qual aumentou de 36 para 60 meses, isso é, a energia gerada pelo sistema fotovoltaico em um determinado mês, cuja qual é injetada e cedida gratuitamente à rede de distribuição de energia elétrica, possibilita ao proprietário do sistema, utilizar os créditos gerados em um período de até 60 meses. Sempre pelo mesmo CPF ou CNPJ gerador dos créditos pelo sistema de compensação.
Além disso, a potência limite para micro e minigeração, também sofreu alteração, as quais passaram a vigorar nos limites de até 75 kW para microgeração e para minigeração na faixa superior a 75 kW até menor ou igual a 5 MW.
Pela mesma resolução, ainda foram criadas novas modalidades de classificação: Empreendimentos com múltiplas unidades consumidoras, geração compartilhada e autoconsumo remoto.
Tais melhorias introduzidas ao texto regulatório, tenderam a impulsionar o mercado de autogeração de energia elétrica no Brasil, atraindo novos investidores ao setor.
Os leilões de energia por fonte solar para reservas promovidos pela ANEEL, a partir de 2015, motivaram novos investidores a apostarem neste segmento de mercado. O que por sua vez, abre oportunidade para a instalação de empresas que passem a fabricar aqui produtos que até então eram somente importados. De forma semelhante, este movimento, propicia novos estudos e pesquisas visando o desenvolvimento de novas tecnologias nacionais, qualificação de mão de obra especializada, e a diminuição do valor no investimento para a instalação de sistemas de micro e minigeração conectada.
“Embora nos primeiros dois anos após a edição da Resolução ANEEL nº 482, de 2012, o avanço na geração solar fotovoltaica tenha sido tímido, a partir de 2015 houve expressivo aumento na quantidade de unidades consumidoras com geração, passando de 327 unidades no final de 2014 para 8.633 unidades em fevereiro de 2017. Apesar do crescimento verificado, o número de unidades consumidoras com geração distribuída no Brasil representa apenas 0,01% do total de unidades consumidoras, ou seja, uma a cada dez mil unidades consumidoras possui geração. Para termos uma ideia do quanto ainda podemos avançar, destacamos exemplo da Austrália, em que uma a
cada seis residências possui painéis solares fotovoltaicos
instalados.”(NASCIMENTO, 2017)
Segundo o portal Brasil, estudos para o planejamento do setor elétrico, apontam que 18% dos domicílios contarão com geração fotovoltaica até 2050 no País, mostrando que esta é a tendência de maior crescimento para os próximos anos.
“Após a publicação da REN 482/12, iniciou-se no país um lento processo de difusão de micro e minigeradores distribuídos, o qual começou a acelerar a partir de 2016. A Figura 1 apresenta os valores acumulados de conexões e consumidores que recebem os créditos de micro e minigeração distribuída até o dia 23/05/2017.
(ANEEL, 2017 p.2)”
O gráfico da figura 7 demonstra a evolução obtida no cenário brasileiro a partir de 2012 com a implantação da RN 482/2012 até maio de 2017, de sistemas de mini e microgeradores conectados ao sistema nacional e contemplados pelo direito ao crédito energético.
Figura 7 - Número de micro e minigeradores até 23/05/2017
Fonte: ANEEL (2017)
Já na figura 8, demonstra-se que 99% do número total de instalações distribuídas pelo sistema de compensação é por fonte solar fotovoltaica.
Figura 8 - Conexão por tipo de fonte até 23/05/2017
Dados atualizados pela ANEEL em 2017, apontam para uma projeção de 886 mil sistemas microgeradores instalados no Brasil até 2024. Tal projeção é demonstrada na figura 9.
Figura 9 - Projeção de unidades consumidoras que receberiam os créditos
Fonte ANEEL (2017)
Conforme pode ser observado na figura 10, o estado do RS, de acordo com dados publicados pela ANEEL, ocupa até 2017 a terceira posição, quanto ao número de sistemas conectados a concessionária de distribuição de energia elétrica no Brasil.
Figura 10 - Número de conexões por Estado até 23/05/2017
Esta é uma modalidade de geração considerada limpa e com baixíssimo impacto ambiental, fato que igualmente amplia a necessidade de incentivos que estimulem a geração de energia por parte dos próprios consumidores com base em fontes renováveis, o que por sua vez, contribui e soma aos esforços globais de preservação da qualidade de vida em nosso planeta, diminuindo-se os índices de geração de CO2, na busca pela sustentabilidade.
2.5 A relevância das telecomunicações no cotidiano
A capacidade atual em se proporcionar acesso a dados e informações, bem como na facilidade das pessoas se comunicarem em tempo real, trouxe um novo cenário a nível mundial, alterando profundamente a forma e comportamento de vida das populações quanto às formas de comunicação.
O desenvolvimento do setor de telecomunicações, proporciona o compartilhamento de conhecimento, aproxima continentes, diversifica culturas e impulsiona de forma irreversível a economia mundial. O número de pessoas conectadas a rede mundial de computadores, vem em uma tendência crescente e expressiva ao longo dos últimos anos, conforme podemos observar na figura 11.
Figura 11 - PCs e Usuários em 2016.
Fone: Telebrasil e Teleco (2016)
Outra tendência que pode ser observada na figura 12, é quanto a mobilidade crescente em que tais serviços oferecem. Ao longo do tempo as pessoas vêm optando por utilizarem-se de serviços móveis, a través de equipamentos que possibilitem maior
independência e mobilidade, proporcionando acesso as mais diversificadas formas de comunicação independentes de local e horário. Desde que, exista sinal da operadora para o referido serviço de comunicação no local em que se esteja.
Figura 12 - Perfil usuários.
Fonte: TIC Domicílios (2016)
Tal tendência de consumo, faz com que as operadoras precisem investir na maior cobertura possível de sinal, chegando aos mais longínquos e remotos pontos. Além da maior cobertura de sinal, é imprescindível igualmente, garantir a qualidade e continuidade deste, ou seja, manter disponível o serviço a que se dispõe prestar.
Em pesquisa sobre as tendências tecnológicas mundiais em telecomunicações, é destacado a importância nos investimentos em P&P, onde cita-se:
“O setor de tecnologia da informação e comunicação (TIC) é um dos setores mais intensivos em pesquisa e desenvolvimento (P&D) e um dos maiores responsáveis pelos investimentos mundiais em P&D. Na economia norte-americana, por exemplo, cerca de 35% dos investimentos privados em P&D
são feitos por empresas dos setores de TICs. (IPEA,
http://hdl.handle.net/11058/5637, 2009)”
A fim de garantir qualidade e continuidade aos serviços de telecomunicações, considerados hoje essenciais, é requisito básico e indispensável a este sistema à disponibilidade de uma fonte de alimentação de energia elétrica que supra e garanta os níveis de energia requeridos pelos equipamentos de comunicação para seu perfeito funcionamento.
2.6 Estrutura básica de alimentação para um sistema de telecomunicações
Conforme citado anteriormente, a continuidade na prestação deste serviço é fundamental, o qual deve permanecer disponível 24 horas por dia, durante o ano todo. Para cumprir este papel, os equipamentos de uma central são alimentados com 48 v, em corrente contínua. De forma geral, a entrada principal de energia é atendida por fonte de corrente alternada, trifásica ou monofásica, a partir de empresa de distribuição de energia elétrica. A energia AC recebida é então convertida para níveis de corrente contínua na tensão de 48v e estas fornecem carga para um banco de baterias estacionárias. O banco de baterias por sua vez, é utilizado a fim de suprir e estabilizar a tensão aos equipamentos, garantindo autonomia mínima para casos de falta de energia da fonte AC.
Na figura 13 pode-se observar a estrutura em blocos de alimentação de uma estação.
Figura 13 - Estrutura de alimentação das estações
Fonte: (RODRIGUES M. F., ABAIDE, CANHA, & NETO, 2013)
2.7 Uso de energia solar fotovoltaica em sistemas de telecomunicações
Conforme visto em capítulos anteriores, a RN 482/2012 e reformulada com melhorias pela RN 687/2015 regulamentam e ditam as regras para o uso de sistemas fotovoltaicos conectados à rede (SCFR), também chamados de sistemas fotovoltaicos on-grid. Ainda vimos que as novas regras inseridas pelas resoluções normativas, tornaram altamente atrativa a autogeração de energia, criando novos nichos de mercado e oportunidades de investimento.
Há ainda de se considerar a questão ecológica contida neste segmento, e o alto potencial energético de geração de fonte solar do território brasileiro.
“Nos últimos 10 anos, a tecnologia fotovoltaica tem mostrado potencial para tornar-se uma das fontes de eletricidade predominantes no mundo – com um crescimento robusto e contínuo mesmo em tempos de crise financeira econômica. Espera-se que esse crescimento continue nos anos seguintes, respaldado pela conscientização das vantagens da energia fotovoltaica. No final de 2009, a capacidade instalada acumulada de sistemas fotovoltaicos era de aproximadamente 23 GW. Um ano depois era de 40 GW. Em 2011, mais de 69 GW estão instalados no mundo, podendo produzir 85 TWh de eletricidade a cada ano. Esse volume de energia é suficiente para abastecer a necessidade anual de mais de 20 milhões de casas.” (EPIA – Global arket Outlook for Photovoltaics until 2016 – maio de 2012, p. 11.)
Quando comparados os sistemas de microgeração conectados à rede e capacitados ao programa de crédito de energia, perante aos sistemas isolados, cujos quais fazem uso de acumuladores para posterior uso da energia captada pelos painéis solares, percebe-se por análise de custos que o primeiro sistema leva vantagem sobre o segundo devido ao fato do alto preço que representa os bancos de bateria necessárias para a montagem dos sistemas de microgeração desconectados da rede. Ao analisar a estrutura típica de alimentação dos sistemas de telecomunicações, percebe-se que este item já se faz presente na arquitetura básica das centrais, as quais já dispõem de bancos acumuladores o que então era desvantagem para um sistema inicial isolado, pode ser aproveitado com êxito na integração de sistemas de microgeração conectada à rede elétrica por compensação de créditos de energia nas estações e torres de telecomunicações com total sinergia.
A figura 14 traz a estrutura básica de alimentação de uma estação de telecom.
Figura 14 - Estrutura atual e futura da alimentação das estações de telecomunicações
O layout demonstra a compatibilidade existente entre os sistemas atuais já instalados (esquerda), perante a implementação do novo sistema proposto, o qual insere a microgeração de energia por fonte solar fotovoltaica (direita), e onde se aproveita e se faz uso de toda infraestrutura já existente.
Outro fato que viabiliza a compatibilidade de implementação deste sistema, é o nível de tensão dos módulos fotovoltaicos, os quais casam perfeitamente aos níveis de tensão de 48 V existentes aos projetos instalados.
“Conforme Farret (2010), aproveitar as fontes renováveis significa retirar da natureza uma energia que está presente naquele momento e que, se não utilizada, será perdida. Sob este enfoque, o principal ponto no aproveitamento energético das fontes renováveis deve ser a energia convertida e utilizada, mesmo que de forma não otimizada, ou seja, o foco deve ser o aproveitamento e não a eficiência energética, pelo menos em um primeiro momento. Assim, ao utilizar uma conversão energética com 10 ou 15% de eficiência momentânea, por exemplo, significa retirar da natureza uma quantidade de energia que será perdida no momento seguinte. (RODRIGUES M F, instalação de microgeração distribuída com fonte fotovoltaica nas estações de telecomunicações, 2013).”
A tecnologia das células fotovoltaicas possui alta maturidade no mercado, o que lhe garante alto grau de confiabilidade, sendo oferecido pelos fabricantes deste produto garantia de até 25 anos, conforme descrito pelo manual de engenharia para sistemas fotovoltaicos de GTES – CRESESB (2014, p.52).
2.8 Análise econômica de viabilidade de implantação de sistemas de microgeração de energia fotovoltaica em torres de telecomunicações
O fator primordial a ser considerado neste aspecto é a existência e disponibilidade do recurso primário. E este quesito é ricamente atendido em todo o vasto território brasileiro. As demais questões necessárias a serem consideradas para análise de viabilidade de implantação são de ordem técnica e política.
É notadamente percebido o posicionamento tardio do Brasil, quando comparado a outros países, no que se refere ao aproveitamento do potencial energético do sol para geração de energia elétrica. Sendo este um novo modelo no setor nacional onde a partir de 2012 passou inicialmente de forma tímida a ser inserido ao cotidiano dos consumidores e a partir de 2015 vem tomando exponencial expressão em curto período de tempo.
A RN 482/2012 introduziu um novo cenário ao setor de mini e microgeração de energia elétrica conectada, impulsionando o mercado nacional e gerando condições favoráveis a exploração do recuso solar. Esta nova condição tem atraído investidores, projetos de pesquisa, e a implantação de empresas e indústrias, onde por consequência geram queda no preço dos componentes principais que integram o sistema de geração fotovoltaica, criando um ciclo virtuoso, atraindo então novos investidores e reduzindo ainda mais os preços de implantação.
A possibilidade de aproveitamento total da infraestrutura já existente junto as centrais de telecomunicações é outro aspecto que favorece a implantação do novo sistema, sendo necessária apenas a instalação e adequação da fonte geradora fotovoltaica.
Outro aspecto econômico viável é a possibilidade em se abater 100% da energia gerada pela fonte, desde que adequadamente projetado, num prazo de até 60 meses para usufruir dos créditos energéticos gerados, seja na conta de energia elétrica oriunda do local de geração, ou de outra conta de consumo que esteja no mesmo CNPJ e mesma empresa de distribuição. Fica restrito a obrigatoriedade de pagamento da tarifa mínima estipulada por norma pertinente ao uso do sistema, de acordo com a classificação tarifária, ou do contrato de demanda caso exista. Isso permite por exemplo, a geração de energia em uma torre de transmissão e o excedente da produção gerada ser abatido em um prédio comercial do mesmo CNPJ.
Há de ser somado aos ganhos, a capacidade obtida pela estação, de possuir outra fonte alternativa de energia, através do recurso solar para a carga das baterias, aumentando sua autonomia frente uma possível perca da rede de distribuição pública, como em casos de faltas por prazos mais longos devido vendavais e avarias nos sistemas de transmissão e distribuição de energia elétrica, trazendo maior confiabilidade na manutenção do serviço prestado. Esse fator se torna ainda mais relevante, quando se considera locais de difícil acesso e regiões remotas.
2.9 Considerações finais quanto ao uso de sistemas de microgeração por fonte fotovoltaica aos sistemas de telecomunicações
O sol representa uma inesgotável fonte de energia, cuja tecnologia atual possibilita aproveitar e converter diretamente fótons de luz em energia elétrica. Isso de forma inteligente e sustentável. Por sua vez, existe um regulamento bem definido,
que possibilita a mini e microgeração conectada à rede, transformar em créditos de energia a capacidade ativa gerada e não consumida no ato. Desta forma a mesma é então injetada nas redes de distribuição e tem-se um período de até 60 meses para a requisição do direito dos créditos gerados, conforme prevê a RN 687/2015 anteriormente abordada.
No mundo todo, desenvolve-se campanhas de incentivo e conscientização ao uso de energias consideradas limpas e renováveis, que tornem o planeta autossustentável e impactem em menor escala nos distúrbios hoje provocados pelo homem à natureza. A microgeração de energia fotovoltaica vem de encontro a este apelo ecológico e proporciona ao consumidor final a capacidade de gerar sua própria energia elétrica, contribuindo assim para um maior equilíbrio do planeta, além de reduzir gastos com a conta de consumo de energia.
A capacidade de geração no território nacional e as tendências de mercado vistas levam o Brasil a uma previsão muito otimista quanto a um crescimento expressivo na próxima década, a exemplo do obtido em outros países, tais como Alemanha.
Por fim, a pesquisa bibliográfica realizada aponta viável a utilização de fonte de energia solar fotovoltaica integrada ao sistema de telecomunicações, aumentando sua confiabilidade e autonomia de serviço.
3 ANÁLISE DE VIABILIDADE DE INSTALAÇÃO DE SISTEMA DE GERAÇÃO FOTOVOLTAICA
Existem dois modos importantes a serem avaliados quando da implantação de geração de energia elétrica a partir de módulos fotovoltaicos: Sistemas on grid e off grid. O primeiro conectado à rede elétrica da distribuidora local e usando o sistema de compensação de créditos energéticos previsto na Resolução 687/2015 da Aneel; o segundo, por sua vez, trata-se de um sistema isolado, não conectado à rede elétrica pública e necessitando de acumuladores de energia para tornar possível alimentar as cargas quando o sistema não estiver gerando.
Para uma estação de telecomunicações ambos os sistemas são viáveis tecnicamente e serão comentados a seguir. Os acumuladores de energia já estão presentes nas estações e podem significar alternativa importante na avaliação do processo, principalmente em se tratando de sistemas off grid, onde este conjunto é fundamental e representa um dos maiores custos neste tipo de projeto.
A definição de qual sistema deve ser instalado, depende da finalidade a que se destina, e do ponto de alimentação da carga, se próximo de redes de distribuição de energia ou um ponto isolado e de difícil acesso.
Cada situação merece análise específica e estudo de caso, a fim de que se encontre a alternativa mais viável para o referido projeto.
São comuns ao projeto de ambos os sistemas, a pré-análise, de curva de carga, visita técnica, dimensionamento dos painéis, entre outros pontos que serão abordados e detalhados no decorrer deste estudo.
3.1 Dimensionamento de um sistema autônomo (off grid).
Basicamente um sistema autônomo de geração fotovoltaica, desconectado da rede elétrica de distribuição, é composto por um subsistema de captação, um subsistema de acumulação e um inversor autônomo. Esta configuração é vista na figura 15.
Figura 15 - Sistema off-grid
Fonte: FCSolar (2017)
O subsistema de captação por sua vez é formado por painéis, tantos quanto forem necessários para atender, tanto as cargas em corrente contínua quanto as cargas em corrente alternada.
O subsistema de acumulação é constituído por um controlador de carga e um banco de baterias, o qual é composto pela associação série e ou paralelo, de acordo com a tensão e potência requerida para o funcionamento das cargas.
O inversor autônomo é utilizado com a finalidade de converter a corrente continua do banco de baterias para corrente alternada, a fim de alimentar as cargas com essa característica de operação. Esse tipo de inversor não deve ser utilizado em sistemas on grid, ou seja, conectados à rede elétrica de distribuição pública, pois suas características de funcionamento não atendem aos requisitos necessários para tal operação.
O dimensionamento do sistema fotovoltaico, é feito de acordo com a necessidade de energia cuja qual o mesmo deverá ser capaz de captar e gerar diariamente para suprir as cargas, baseado nas características locais e disponibilidade solar daquele ambiente em particular. Para tal utiliza-se dos seguintes critérios:
✓ Demanda de energia média diária (análise de curva de carga).
✓ Energia diária – ED. (Potência elétrica requerida pelas cargas instaladas ao longo de um dia).
✓ Energia Real diária – ER. (Potência requerida a ser gerada para alimentar as cargas suprindo as perdas de sistema)
✓ Tensão das cargas alimentadas. (associações de módulos) ✓ Autonomia requerida. (Nível de segurança esperado)
✓ Banco de baterias. (Necessário para acumular a energia a ser usada pela carga)
✓ Capacidade útil – Cu. (energia utilizável do banco de baterias)
✓ Profundidade de descarga – Pd. (% de descarga conforme fabricante) ✓ Capacidade real – CR. (Cu + sobra de energia após Pd)
✓ Capacidade nominal – Cn. (Arranjo da associação) ✓ Número total de baterias – Nb. ( Nb= Ns * Np)
✓ Painel fotovoltaico. (Dimensionado para suprir a energia requerida pela a carga)
✓ Energia gerada diariamente – Ep. (Necessidade de captação diária) ✓ Corrente gerada diariamente – Ip. (Necessidade de geração diária) ✓ Horas de sol pico – HSP. (Disponibilidade solar local)
✓ Número de módulos em série por fileira – Ms. ✓ Número de módulos em paralelo por fileira – Mp. ✓ Número total de módulos – Nm.
✓ Dispositivos de controle.
✓ Controladores: (interface entre arranjo fotovoltaico, banco de baterias e carga)
a. Corrente de entrada – Ie. (controla o fluxo de corrente do arrando de paineis fotovoltaico e o banco de baterias).
b. Corrente de saída – Is. (controla o fluxo de corrente do banco de baterias e a carga).
✓ Inversores. (Dimensionado de acordo com a análise das cargas. Define a tensão de alimentação e potência a ser entregue as cargas.)
a. Potenciais (nominal, pico, surto). b. Ponto de rendimento máximo. ✓ Dimensionamento dos cabos.
Embora exista a possibilidade de trabalhar-se com sistemas autônomos desconectados da rede, para alimentação dos equipamentos de telecomunicações com total compatibilidade, a proposta de estudo deste trabalho, prevê a utilização dos
sistemas fotovoltaicos conectados à rede elétrica, a fim de se utilizar da possibilidade de uso dos sistemas de créditos previstos pela RN 687/2015, na modalidade de geração distribuída.
Desta forma, a partir deste ponto, dar-se-á ênfase no estudo e dimensionamento de um sistema de geração fotovoltaica, voltada a atender a necessidade de demanda de energia para estações de telecomunicações consideradas padrão, e que servirá como base de estudos e análise de sua viabilidade técnica e econômica.
Estes sistemas como visto, dependendo da potência instalada serão classificados como sendo de minigeração para atender unidades com potência acima de 75 kW, ou de microgeração, quando potência de carga for inferior a 75 kW.
3.2 Dimensionamento de sistema conectado à rede (on grid).
A configuração básica de um sistema de geração distribuída, pode ser observada na figura 16. Estes possuem a característica se serem conectados à rede de distribuição, através de um inversor interativo.
Figura 16 - Sistema on grid
Fonte: Inovar_Solar (2017)
Para composição dos sistemas fotovoltaicos conectados à rede, capaz de suprir a energia necessária para alimentar as estações de transmissão usadas como modelo, desenvolveu-se as seguintes etapas:
a) Inspeção do local físico de instalação do sistema, a fim de avaliar a viabilidade técnica, identificando existência de pontos de sombra, espaço físico para instalação do sistema, ângulo azimutal do terreno, localização geográfica em relação a passagem do sol, facilidade de acesso, entre outros.
b) A obtenção de uma fatura de energia elétrica do local em estudo, é uma importante fonte para que se faça uma avaliação inicial do projeto. Com ele é possível identificar o histórico de consumo dos últimos 12 meses, nível de tensão, classificação e valor da tarifa do contrato, entre outros importantes dados a serem coletados do ponto de alimentação.
Na figura 17, tem-se a fatura de energia da estação utilizada como base modelo para a composição de cálculos deste trabalho. Foram ocultos nome e endereço da estação de telecomunicações, a fim de preservar seu sigilo, mantendo-se os registros úteis para o presente estudo.
Figura 17 - Histórico de consumo da estação
Fonte: Do Autor
A figura 18 por sua vez, retrata a composição tarifária desta mesma unidade consumidora, onde pode ser visualizado o desmembramento da conta de energia nos
seus fatores de consumo em horário de ponta, fora de ponta e as respectivas demandas contratuais.
Figura 18 - Fatura de energia detalhada
Fonte: Do Autor
Estes dados permitem realizar uma pré análise de cálculos, com os quais se obtém uma primeira visão do dimensionamento necessário do gerador para atender a carga em questão, conforme visto no quadro 1.
Quadro 1 - Cálculo da energia para compensação
Fonte: Do Autor
Percebe-se que o tipo de ligação é trifásico comercial, alimentada em média tensão e classificada como tarifa azul A4.
“Modalidade estruturada para aplicação de tarifas diferenciadas de consumo de energia elétrica de acordo com as horas de utilização do dia e os períodos do ano, bem como de tarifas diferenciadas de demanda de potência de acordo com as horas de utilização do dia”. Resolução ANEEL n. 414, de 09 de setembro de 2010 (Diário Oficial, de 15 set. 2010, seção 1, p. 115) Essa modalidade de cliente, possui valores de pagamento obrigatório pela utilização do sistema, o qual é baseado no contrato de demanda efetuado. Tal valor não pode ser compensado, pois já é fixo em contrato de demanda, o qual garante a disponibilidade da rede ao cliente e permite que esta transferência de energia ocorra de forma bidirecional.
Essa mesma fatura considera dois momentos de medição distintos e com tarifas diferenciadas, sendo uma tida como energia fora de ponta, e outra como consumo em horário de ponta, a qual abrange geralmente o período das 18:00 as 21:00 horas. Neste período o valor da tarifa é consideravelmente maior, e tem como objetivo desestimular as empresas comerciais e industriais usarem a rede elétrica convencional nestes horários, pois, tal uso vem a concorrer com o período de maior pico de consumo da classe residencial, sobrecarregando potência ao sistema elétrico nacional.
Está sendo tomado como referência de cálculos, apenas o consumo de energia ativa fora de ponta, uma vez que, conforme já mencionado anteriormente, os valores de demanda são fixos em contrato e devem ser pagos. Como mencionado, o consumo de energia de ponta possui tarifas bem superiores, o que torna inviável gerar tal energia para ser compensada em créditos de energia.
Pela análise feita, para esta classificação tarifária, a energia ativa fora de ponta, é a porção constituinte da fatura, cuja qual efetivamente pode ser considerada viável de ser gerada no local de consumo através de fonte fotovoltaica para compensação com créditos de energia, valendo-se da NR 687/2015, e que compreende neste caso a aproximadamente 63% do valor médio mensal pago na fatura de energia desta estação, conforme evidenciado na figura 18.
Após ter-se calculado o valor de compensação de energia média diária, que para a referida estação é de 794 kWh dia, faz-se necessário verificar o valor da média mensal de radiação solar no plano horizontal, disponível no ponto de instalação em estudo. Tal valor é possível ser consultado no banco de dados do Cresesb, bem como junto ao banco de dados do Swera. O quadro 2 traz está informação destacada.
Quadro 2 - Determinação do potencial solar
Fonte: Cresesb (2018)
Para esta primeira análise, utiliza-se o valor médio apresentado.
A cidade mais próxima existente no banco de dados e cuja qual utilizar-se-á para base de cálculos é a cidade de Panambi, com média mensal de radiação solar no plano horizontal de 4,63 kWh/m² dia.
A forma de leitura e coleta desta informação junto ao banco de dados pode ser visualizada na figura 19.
Figura 19 - Irradiação solar no plano horizontal
Fonte: Cresesb (2018)
Os cálculos do quadro3, evidenciam o nível de geração diária necessária para suprir a carga, a quantidade de módulos para compor este gerador, bem como a potência requerida para o inversor interativo, considerando-se a radiação solar daquele local, ou horas de sol pico, que nada mais é senão a disponibilidade solar da localidade com capacidade de transformação em energia elétrica.
Quadro 3 - Cálculo do gerador
Percebe-se pelos cálculos que para gerar energia de 794 kWh/dia requerida pela carga, com uma disponibilidade média diária solar de 4,63 kWh/m² dia, precisar-se-á de um gerador de 171,49 kWp, o qual deve ser composto por 715 módulos de 240 W. Para escolha do inversor, a de se considerar o tipo de ligação, neste caso trifásico, a tensão da rede de distribuição, bem como o local, interno ou externo, e uma capacidade de controle de carga superior ao requerido a ser gerado.
A próxima fase de cálculos requer a análise e compensação da potência entregue pelos módulos, baseados na temperatura média da região em que os mesmos forem instalados, visto que, tanto a corrente quanto a tensão dos módulos são influenciadas pela temperatura, o que, por consequência, altera a potência efetiva gerada pelo módulo.
Tal correção é feita, utilizando-se dos coeficientes de temperatura dos módulos fotovoltaicos emitidos pelos laboratórios de certificações aos fabricantes.
Para determinação da média das temperaturas máximas anuais do local de instalação, se fará uso das normais climatológicas, obtida no site do instituto nacional de meteorologia INMET.
3.2.1 Correção por fator de temperatura
Tomando como base o datasheet do módulo BYD 240 P6-30, ANEXO A, serão efetuados os respectivos cálculos de correção para corrente em potência máxima, corrente de circuito aberto e corrente de curto circuito, tensão em potência máxima, tensão em circuito aberto, bem como a potência máxima entregue por este módulo quando instalada no ambiente com a respectiva temperatura média anual da região em análise.
Os valores encontrados no datasheet tidos como normais, levam em consideração condições ideais de laboratório, com irradiância de 1000W/m2, temperatura de 25℃ e 1,5 atmosfera.
No Quadro 4, tem-se as características normais do módulo BYD P6-30 do modelo de 240 W do fabricante BYD company Limited, obtidas em sua folha de dados, bem como, ao lado traz suas características corrigidas, servindo estas para comparação das diferenças originadas pela temperatura ambiente.
Quadro 4 - Características normais e corrigidas do módulo
Fonte: Do Autor
A sequência de cálculos para obtenção dos valores corrigidos é encontrado de forma detalhada a seguir.
Os coeficientes de cálculo usados são extraídos da documentação técnica do fabricante e apresentados no quadro 5.
Quadro 5 - Características de temperatura
Fonte: BYD company Limited (2018)
No site do INMET é obtida a média anual de temperatura para o local em estudo. No quadro 6, se observa essa média anual, bem como o fator de correção que será usado para o tipo de estrutura de instalação sobre o telhado.
Quadro 6 - Fatores de compensação.
Nas etapas seguintes traz-se o detalhamento dos cálculos de correção efetuados.
O Quadro 7 apresenta a sequência de equações usadas para compensação da potência pico dos módulos individuais, baseando-se nas informações contidas no datasheet do fabricante conforme anexo A. Percebe-se que o modelo do módulo escolhido, apresenta uma redução em sua eficiência de geração na ordem de 14,57% quando exposto ao aumento de temperatura ambiente local. É possível observar que após executado os cálculos de correção, a potência de 240 Wp de geração obtida em testes de laboratório, tem uma queda para 205,3 Wp.
Quadro 7 - Compensação da potência de pico
Fonte: Do Autor
Seguindo a mesma lógica, no quadro 8, apresenta-se os valores corrigidos tanto para a tensão em circuito aberto (Voc), como para a tensão em potência máxima (Vmp). Percebe-se que pelo coeficiente de correção ser negativo, ter-se-á uma redução nos valores das tensões. Isso é explicado pelo fato de que com o aumento da temperatura na célula ocorre um decréscimo na tensão gerada. O que para o presente caso representa uma redução de -10,54%.
Quadro 8 - Compensação da tensão devido à temperatura
Fonte: Do Autor
No quadro 9, tem-se os valores corrigidos para a corrente em curto circuito (Isc), e para a corrente em potência máxima (Imp).
Neste caso, o que se percebe é um coeficiente de correção positivo, onde o mesmo promoverá aumento nos valores das correntes. Isso se explica pelo fato de
