Dimensionamento Para 01 Residência - 01

8/16/2019 Dimensionamento Para 01 Residência - 01

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UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMIÁRIDO

DEPARTAMENTO DE CIENCIAS AMBIENTAIS E TECNOLOGICAS

BACHARELADO EM CIÊNCIA E TECNOLOGIA

APARECIDA BEZERRA DA SILVA

ENAILMA LUCIANA SILVA

DIMENSIONAMENTO SIMPLIFICADO DE UM SISTEMA SOLAR

FOTOVOLTAICO CONECTADO À REDE ELÉTRICA PARA UMA RESIDÊNCIA

UNIFAMILIAR

Mossoró

2013


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APARECIDA BEZERRA DA SILVA

ENAILMA LUCIANA SILVA

DIMENSIONAMENTO SIMPLIFICADO DE UM SISTEMA SOLAR

FOTOVOLTAICO CONECTADO À REDE ELÉTRICA PARA UMA RESIDÊNCIA

UNIFAMILIAR

Trabalho apresentado no curso de

Bacharelado em Ciência e Tecnologia como

requisito para complementar a disciplina

Fontes Alternativas de Energia, UFERSA,

Campus Central.

Orientador: Profª. Dra. Fabiana Karla de O.

M. Varella

Mossoró

2013


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LISTA DE SIGLAS

CC Corrente ContínuaCA Corrente Alternada

SFCR Sistemas Fotovoltaicos Conectados àRedeFV FotovoltaicoPRS Previsão de Retorno Simples


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LISTA DE FIGURAS

Figura 1 (a) Anotações de Fuller para Chapin sugerindo um modelo para as células solares

(KAZMERSKI, 2006); (b) Foto do primeiro módulo solar do Bell Laboratory (KAZMERSKI,2006); (c) Extrato da patente da primeira célula solar, registrada em 1954 por D. M. Chapin ecolaboradores, do Bell Laboratories (BRITO, 2005). ................................................................ 8Figura 2 – Célula de Silício Monocristalino ............................................................................ 10Figura 3 – Célula de Silício Policristalino ............................................................................... 10Figura 4 – Módulo Fotovoltaico de c-Si .................................................................................. 11Figura 5 - Representação de uma célula HIT ........................................................................... 11Figura 6 – Módulo Fotovoltaico .............................................................................................. 12Figura 7 – Painel Fotovoltaico ................................................................................................. 12

Figura 8 – Representação de um sistema de geração de energia elétrica a partir de um sistemafotovoltaico isolado .................................................................................................................. 13Figura 9 – Representação de um sistema fotovoltaico híbrido ................................................ 14Figura 10 – Exemplificação de um sistema fotovoltaico conectado a rede ............................. 14Figura 11 – Sistema Fotovoltaico Distribuído ......................................................................... 15Figura 12 – Central Solar com capacidade de 42MW em Moura, Portugal. ........................... 16Figura 13 – Célula, módulo, série e arranjo FV. ...................................................................... 16Figura 14 – Número de sistemas fotovoltaicos conectados à rede: (a) dois e (b) apenas um. . 17Figura 15 – Configuração de um sistema fotovoltaico com inversor central. ......................... 17Figura 16 – Configuração de um subsistema fotovoltaico com inversores string . .................. 18

Figura 17 – Configuração de um subsistema fotovoltaico com inversor multi- string . ............ 18Figura 18 – Configuração de um subsistema fotovoltaico com micro-inversor integrados aosmódulos fotovoltaicos (módulos ca). ....................................................................................... 18Figura 19 .................................................................................................................................. 19Figura 20 .................................................................................................................................. 20Figura 21 .................................................................................................................................. 21Figura 22 – Especificações Físicas do Módulo Fotovoltaico SM-83KSM. ............................. 24Figura 23 – Ilustração do Módulo Fotovoltaico SM-83KSM. ................................................. 24Figura 24 – Arranjo do SFCR .................................................................................................. 26


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LISTA DE TABELAS

Tabela 1 – Potência Total Instalada ......................................................................................... 21Tabela 2 – Consumo de Energia Mensal ................................................................................. 22Tabela 3 – Especificações Técnicas ......................................................................................... 23Tabela 4 – Especificações Técnicas ......................................................................................... 23Tabela 5 – Especificações Técnicas do Inversor Windy Boy 1200/1700 ................................ 24


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SUMÁRIO1. INTRODUÇÃO2. OBJETIVOS3. BREVE HISTÓRICO

4.

DEFINIÇÕES E TECNOLOGIA5. IMPACTOS6. PANAROMA NACIONAL E MUNDIAL7. DIMENSIONAMENTO SIMPLIFICADO DE UM SISTEMA

FOTOVOLTAICO CONECTADO A REDE PARA UMA RESIDÊNCIAUNIFAMILIAR

8. PREVISÃO DE RETORNO DO INVESTIMENTO9. CONCLUSÃO10. REFERÊNCIAS

ANEXOS


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1. INTRODUÇÃO

Com a crise do petróleo foi necessário pensar em outras fornas de produção de energia, ecom isso a energia solar foi sendo desenvolvida por estudiosos que viram no Sol uma

forma limpa e inacabável de energia, com isso cada vem mais as técnicas foram sendoestudadas e hoje se torna indispensável do uso da energia solar, sendo ela responsável pela principal forma de abastecer eletricamente alguns países.

No Brasil este método de energia ainda vem sendo incrementada nos tipos deabastecimento elétrico, mas devido a grande abundancia da irradiação solar neste país, é

possível que em breve ela torne-se uma das principais fontes de energia do mesmo. Paraque isso aconteça faz- se necessário a elaboração de novas técnicas para que a energiasolar torne-se acessível as famílias brasileiras que ainda não possuem este bemindispensável e para que a mesma possa melhorar a qualidade da energia já existente no

pais.


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2. OBJETIVOS

2.1. Objetivo Geral

Dimensionar um Sistema Fotovoltaico Conectado a Rede de uma ResidênciaUnifamiliar e verificar o tempo de retorno financeiro do mesmo.

2.2. Objetivo Específico

Aprofundar os conhecimentos com o tema proposto; Caracterizar um Sistema Fotovoltaico Conectado a Rede; Expandir o uso de energias limpas; Minimizar consumo e gastos com eletricidade.

3. BREVE HISTÓRICO

Em 1839 Edmond Becquerel verificou pela primeira vez que placas metálicas, de platinaou prata, mergulhadas num eletrólito causavam uma pequena diferença de potencialquando sujeitadas à luz, nascia assim o que hoje se conhece como efeito fotovoltaico. Noano de 1877, dois pesquisadores norte americanos, W. G. Adams e R. E. Day usaram as

propriedades fotocondutoras do selênio para elaborar o primeiro dispositivo de produçãode eletricidade por exposição à luz.

Mas a primeira célula solar só surgiu em Março de 1953 quando Calvin Fuller, umquímico dos Bell Laboratories (Bell Labs), em Murray Hill, New Jersey, nos EstadosUnidos da América, elaborou um processo de difusão que injetava impurezas em cristais

de silício, de modo a controlar as suas propriedades elétricas (um processo chamado“dopagem”). Fuller construiu uma barra de silício dopado com uma pequena concentraçãode gálio para que o mesmo pudesse tornar-se condutor, sendo conhecido como silício do“tipo p” (por conter cargas móveis positivas). Baseando-se nas informações de Fuller, ofísico Gerald Pearson, experimentou mergulhar esta barra de silício dopado num banhoquente de lítio, criando na superfície dessa barra uma zona que continha elétrons livres emexcesso, este silício foi chamado de “tipo n” (por conter carga negativa). A junção entre as

regiões do silício “tipo n” fica em contato com o silício “tipo p” é denominada “junção p-n”, esta região contem um campo elétrico constante. Quando analisou esta amostraeletricamente, Pearson observou que era produzida uma corrente elétrica sempre que aamostra entrava em contato com a luz, assim o físico acabará de inventar a primeira célula

de silício da história.

Ao observar sua descoberta, Pearson entrou em contato com um colega da Bell Labs, oengenheiro Daryl Chapin que já estudava as células solares de selênio que já eram

bastante conhecidas, mas continham resultados insatisfatórios, sendo sua eficiênciamáxima menor que 1 %. Ao avaliar as células de Pearson observou-se uma eficiência deaproximadamente 4 %, o que a tornava mais vantajosa em relação à de selênio.

Os estudos de nova célula continuaram e Fuller usou uma difusão de fósforo para fazeruma dopagem tipo n, e conseguiu uma junção p-n ainda mais eficaz que a antecedente.Com isso o físico foi usando novas substâncias trocando o gálio por arsênio entre outras.

Os novos experimentos renderam para o estudioso, células com eficiência de 6 %.Em 25 de abril de 1954 teve sua primeira publicação e pela primeira vez na história acélula solar foi apresentada numa conferência de imprensa. Os resultados foram


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publicados no Journal of Applied Physics e sendo registrada uma patente. A Figura 1exibe um extrato de tal patente e ainda fotos históricas do primeiro módulo solar e maisuma anotação extraída dos documentos de projeto do laboratório, em que Fuller indica aChapin um exemplo de como montar um módulo da célula solar.

Figura 1 (a) Anotações de Fuller para Chapin sugerindo um modelo para as células solares(KAZMERSKI, 2006); (b) Foto do primeiro módulo solar do Bell Laboratory

(KAZMERSKI, 2006); (c) Extrato da patente da primeira célula solar, registrada em 1954 por D. M. Chapin e colaboradores, do Bell Laboratories (BRITO, 2005).

Fonte: CÂMARA, 2011

Em 1955 foi o ano que se colocou em prática o uso das células solares, este procedimentofoi realizado em Americus, Georgia, sendo usado para alimentar uma rede telefônica daregião. Para tal efeito foram montados nove células de 30 mm de diâmetro cada.Observou-se que mesmo sendo um método promissor os custos com as células era muitoalto, fazendo com que suas aplicações fossem limitadas a aplicações mais limitadas comoa produção de energia no espaço. O que logo ganhou o apoio da NASA, que em 1958lançou ao espaço a primeira pilha convencional.

Daí em diante o governo espacial norte americano passou a usar as células solares como a principal fonte de energia em seus satélites. Não custou para o governo soviético tambémadotasse este método de energia e atualmente todos os veículos espaciais utilizam célulassolares. Com todo o investimento vindo das empresas espaciais aumentou a tecnologiadesta fonte de energia nas décadas seguintes. Como por exemplo, a substituição docontacto frontal único por uma rede de contactos cada vez mais fino, o que fez com quediminuísse a resistência e aumentasse a eficiência.


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Somente na década de setenta que começou a utilização das células em energia terrestre,usando a energia solar fotovoltaicos para os sistemas de telecomunicação em regiõesremotas e para boias de navegação.

Em 1973 com o aumento do petróleo foi que começou a cogitar a utilização da energiasolar o que aumentou ainda mais os investimentos para baratear esta tecnologia. A décadade oitenta e noventa foi o auge do incentivo para este desenvolvimento e todos os paísesfinanciavam estudos para conseguir a redução de custo e aumentar a eficiência, asuniversidades recebiam verbas dos governantes para financiar estudos na área.

Os países que se destacaram foram à Alemanha, Estados Unidos e o Japão. E os paísessabem cada vez mais que para aumentar a produção desta energia não é necessário apenasinvestimentos em células e módulos, mas é preciso a redução do custo unitário.

Em 1998 atingiu-se a marca recorde (24,7 %) de na eficiência com células de silício

monocristalino e em 2005 o grupo Fraunhofer Institut for Solar Energy Systems fez umanuncio de 20 % de eficiência com celulas de silicio multicristalino. E hoje já é possível aobtenção de células mais complexas como, por exemplo, as células em cascata ( intandem) que é fornada com a sobreposição de muitas células semicondutoras, onde cadauma tem a função de aperfeiçoar um dado comprimento de onda da radiação, o que

permite alcançar aproveitamento superior que 34 %.

4. DEFINIÇÕES E TECNOLOGIA

Através da energia solar foram desenvolvidos sistemas capazes de captar a radiação solar,transformá-la em energia elétrica, consumi-la e armazena-la. Este tipo de sistema é

denominado de Sistema Fotovoltaico (FV). De maneira geral, um FV possui módulofotovoltaico, banco de baterias e controlador de carga, no caso de sistemas autônomos einversores. A seguir serão explicitadas algumas definições sobre as principais tecnologiasdos sistemas fotovoltaicos.

4.1. Tecnologias Disponíveis

Os principais semicondutores utilizados para o desenvolvimento das célulasfotovoltaicas são: o silício cristalino c-Si, o silício amorfo hidrogenadao a-Si:H, oSilício do tipo HIT, o teleruto de cádmio CdTe e os compostos relacionados aodissulfeto de cobre e índio CuInSe2 ou CIS.

Segundo Câmara, 2011, o C-Si é o que apresenta eficiência em termos de geraçãofotovoltaica utilizados em aplicações terrestres. Apresenta na faixa de 15% emrelação aos módulos disponíveis no mercado.

4.1.1. Silício Cristalino (c-Si)

Os silícios monocristalinos e policristalinos são bastantes utilizados para a produção de células fotovoltaicas. Os monocristalinos (Figura 2) são obtidos a partir de barras cilíndricas de silícios produzidos em fornos especiais. As células

são obtidas por corte das barras em forma de pastilhas finas, com espessura atualem torno de 200 µm ( PROGRESS IN PHOTOVOLTAICS, 2008, apudVARELLA, 2009). Os policristalinos (Figura 3) são obtidos a partir da fusão de

porções de silício puro em moldes especiais. Neste processo os átomos não se


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organizam em um único cristal, formando-se uma estrutura policristalina comsuperfícies de separação entre os cristais A eficiência deste tipo de célula, naconversão de luz em eletricidade, é menor do que as células de silíciomonocristalino, variando de 14% (IEA, 2008a) a 20,3% ( PROGRESS IN

PHOTOVOLTAICS , 2008, apud VARELLA, 2009). A Figura 4 apresenta ummódulo fotovoltaico de silício.

Figura 2 – Célula de Silício Monocristalino

Fonte: Energia Solar Princípios e Aplicações, Cresesb.

Figura 3 – Célula de Silício PolicristalinoFonte: Energia Solar Princípios e Aplicações, Cresesb.


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Figura 4 – Módulo Fotovoltaico de c-SiFonte: SunLab Power, 2013

4.1.2. Silício Amorfo Hidrogenado (a-Si)

A eficiência das células de a-Si, filmes delgados, é menor que a eficiência dascélulas de silício policristalino. Os processos de produção de produção de a-Siocorrem em temperaturas menores que 300°C, em processos de plasma, o que

possibilita que estes filmes finos sejam depositados sobre substratos de baixocusto, como vidro, aço inox e alguns plásticos. Desta forma foram desenvolvidos

painéis solares mais flexíveis, inquebráveis, mais leves, semitransparentes, comsuperfícies curvas, que estão ampliando o mercado fotovoltaico por sua maiorversatilidade. Eficiência estabilizada de 13% tem sido demonstrada para célulasde pequena área (SHAH et al, 1999 , apud CÂMARA).

4.1.3. Silício HIT

As células de Si baseadas em heterojunções, com filmes finos intrínsecos,surgem como alternativa para fabricação de células solares. Esta célula combinasilício cristalino (c-Si) na forma de wafer e filme fino de silício amorfohidrogenado (a-Si:H) na mesma estrutura. A alta absorção na camada de a-Sireduz a densidade de corrente de curto circuito das células HIT, então a camadade a-Si tem que ser finas para reduzir perdas na absorção (Zhao et al., 2004).

Figura 5 - Representação de uma célula HITFonte: Câmara, 2011


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4.1.4. Módulos Fotovoltaicos

São formados por um agregado de células fotovoltaicas. As células produzem,em geral, uma média de 0,7 Vcc sendo necessária associá-las em série adquirindo

um maior nível de tensão. Os módulos variam na sua forma de acordo com osfabricantes, sendo conveniente escolhê-los a partir das especificações requeridasem seu sistema fotovoltaico. Os módulos quando associados, em série ou em

paralelo, são chamados de painéis fotovoltaicos. A Figura 6 mostra um módulofotovoltaico e a Figura 7 à representação de um painel fotovoltaico.

Figura 6 – Módulo FotovoltaicoFonte: Alibaba, 2013

Figura 7 – Painel FotovoltaicoFonte: Energia Solar 2012, Wordpress.


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4.2. Principais Componentes e Tipos de Sistemas Fotovoltaicos

Os sistemas fotovoltaicos podem ser isolados, híbridos e conectados a rede.

4.2.1.

Sistemas Isolados

Sistemas isolados são compostos basicamente pelos módulos fotovoltaicos, baterias, controladores de carga e inversores. Os módulos são responsáveis pelacaptação da energia solar e pela transformação da mesma em energia elétrica. O

banco de baterias serve para armazenar energia para ser utilizada posteriormente,mas existem alguns casos de sistemas isolados que não necessitam de baterias,como exemplo há os sistemas fotovoltaicos para abastecimento de água. Ocontrolador de carga tem a função de comandar a carga e descarga da bateria afim de evitar possíveis defeitos na mesma. E os inversores são utilizados paraconversão de corrente contínua em corrente alternada. A Figura 8 representa um

sistema isolado.

Figura 8 – Representação de um sistema de geração de energia elétrica a partir de um sistema fotovoltaico isolado

Fonte: Energia Solar, Aneel.

4.2.2. Sistemas Híbridos

Este tipo de sistema é mais complexo que os demais, pois possui mais formas degeração de energia agregadas. Desta forma, a unidade de controle econdicionamento de potência, irá maximizar a eficiência na entrega da energia

para o consumo. Estes sistemas são bastante utilizados em locais com consumode médio e grande porte. Além da unidade de controle há também inversores

para converter CC em CA. Uma simples representação deste tipo de sistema podeser visualizada através da Figura 9.


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Figura 9 – Representação de um sistema fotovoltaico híbridoFonte: Energia Solar Princípios e Aplicações, Cresesb.

4.2.3. Sistemas Conectados a Rede

Nestes tipos de sistemas não há armazenamento de energia e o consumo é

realizado instantaneamente. A potência máxima extraída da radiação solar éinjetada na rede e à medida que a demanda de consumo é maior que a potênciadisponível pelo sistema, há a opção de consumo da rede elétrica. Porconseguinte, quando a demanda de consumo é menor que a potência disponível

pelo sistema, a energia passa a ser injetada na rede sendo vendida para aconcessionária. Os sistemas conectados a rede têm uma grande vantagem que é anão utilização de banco de baterias e de controladores de carga, reduzindo

bastante o valor final do projeto. Eles necessitam basicamente de módulosfotovoltaicos e inversores. A Figura 10 mostra a configuração básica do mesmo.

Figura 10 – Exemplificação de um sistema fotovoltaico conectado a rede

Fonte: Energia Solar Princípios e Aplicações, Cresesb.


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4.3. Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede Elétrica

Os sistemas fotovoltaicos conectados à rede elétrica (SFCR) podem ser definidos deduas formas: sistemas fotovoltaicos distribuídos conectados à rede elétrica e sistemas

fotovoltaicos centralizados conectados à rede elétrica.

4.3.1. Sistemas Fotovoltaicos Distribuídos Conectados à Rede Elétrica

São chamados sistemas distribuídos por serem instalados na residência, ou emestabelecimentos comercias que se deseja o uso da tecnologia. A energia éconsumida diretamente e esta ainda pode ser vendida para a distribuidora. Umexemplo deste tipo de sistema é mostrado na Figura 11.

Figura 11 – Sistema Fotovoltaico Distribuído

Fonte: Ecopower – Itália, apud Lisita, 2005.

4.3.2. Sistemas Fotovoltaicos Centralizados Conectados à Rede Elétrica

Os sistemas centralizados, como podem ser visualizados na Figura 12,correspondem às grandes centrais geradoras de eletricidade através da radiaçãosolar. Elas não abastecem somente um consumidor, como nos sistemasdistribuídos, mas pode ser responsável pelo consumo até de cidades inteirasdependendo da sua capacidade de geração de energia. Ficam localizadas agrandes distâncias do ponto de consumo.


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Figura 12 – Central Solar com capacidade de 42MW em Moura, Portugal.Fonte: Zilles, 2012.

4.3.3. Gerador Fotovoltaico

O gerador fotovoltaico, por definição, é um conversor estático que transforma luzem eletricidade. Fisicamente corresponde a uma variedade de dispositivoscapazes de realizar essa conversão, como as células fotovoltaicas, os módulosfotovoltaicos ou algum tipo de combinação elétrica entre eles (ALMEIDA,

2012).

Dependendo da quantidade de energia que se pretende gerar, é necessária aconfiguração de módulos em série, formando painéis. Ainda podemos associardiversos painéis em paralelo para gerar ainda mais energia. De acordo comAlmeida, 2012, os módulos associados em série são chamados de Série FV(fotovoltaico) e as séries de módulos associados em paralelo de Arranjo FV. AFigura 13 ilustra estas configurações.

Figura 13 – Célula, módulo, série e arranjo FV.Fonte: Almeida, 2012.


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4.3.4. Inversor Fotovoltaico

Um inversor fotovoltaico, ou simplesmente inversor, converte a potência emcorrente contínua proveniente do gerador fotovoltaico em potência em corrente

alternada que, em condições normais, é injetada na rede elétrica. Os inversoresmodernos possuem alta eficiência, seguimento no ponto de máxima potência dogerador fotovoltaico, medidas de segurança para desconexão da rede emcondições adversas, mecanismos de anti-ilhamento, medição de parâmetroselétricos, dentre outas funções (ALMEIDA, 2012).

4.3.5. Configurações de Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede

Um sistema fotovoltaico pode ser configurado de duas formas: vários pontos deconexões na rede ou apenas um. A Figura 14 ilustra estes dois tipos de conexões.O sistema pode ainda apresentar vários inversores, conectados em paralelo no

caso de sistemas monofásicos, podendo existir vários subsistemas fotovoltaicosinterligados.

Figura 14 – Número de sistemas fotovoltaicos conectados à rede: (a) dois e (b)apenas um.

Fonte: Almeida, 2012.

Um subsistema pode apresentar a configuração do inversor de forma central, string (série), multi- string ou módulo ca.

Os sistemas com configuração de forma central (Figura 15) é utilizada para baixas potências, sendo sua principal vantagem à redução de custos.

Figura 15 – Configuração de um sistema fotovoltaico com inversor central.Fonte: Almeida, 2012.


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A ligação do inversor na forma string permite a conexão de apenas uma série FV proporcionando um aumento da eficiência energética e da confiabilidade dosistema. A Figura 16 ilustra esta configuração.

Figura 16 – Configuração de um subsistema fotovoltaico com inversores string .Fonte: Almeida, 2012.

Na forma Multi- string , como pode ser visualizado na Figura 17, aumenta asvantagens citadas para a forma string , pelo fato de permitir o controle individualde tensão de operação de cada série fotovoltaica em apenas um inversor, que

possui um conversor cc/ca central (ALMEIDA, 2012).

Figura 17 – Configuração de um subsistema fotovoltaico com inversor multi- string .

Fonte: Almeida 2012.Os inversores no módulo ca (Figura 18), são assim chamados pois são micro-inversores integrados e sua utilização implica na inexistência de perdas devido asassociações dos módulos fotovoltaicos.

Figura 18 – Configuração de um subsistema fotovoltaico com micro-inversor

integrados aos módulos fotovoltaicos (módulos ca).Fonte: Almeida, 2012.

5. IMPACTOS

A utilização de Energia Solar como um todo implica em impactos socioeconômicos,socioambientais, socioculturais e socioeducativos. Os socioeconômicos estão relacionadoscom a baixa eficiência dos sistemas de conversão de energia, tornando necessária autilização de grandes áreas para a maior eficiência na captação de energia, ossocioambientais referem-se à energia limpa que ela produz, os impactos socioculturais esocioeducativos estão ligados aos avanços tecnológicos, proporcionados às comunidades e

as redes de ensinos locais e as mudanças de hábitos de determinadas populações.Os impactos, positivos e negativos, estão citados nos tópicos a seguir:


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Impactos positivos: Gera energia mesmo em dias nublados; Gera energia de 12 volts(corrente contínua); Sistema Modular levíssimo; simples instalação, com fácilmanuseio e transporte, podendo ser ampliado conforme sua necessidade; Grande vida

útil, acima de 25 anos; Compatível com qualquer bateria; funcionamento silencioso;Manutenção quase inexistente; Não possui partes móveis que possam se desgastar; Não produzem contaminação ambiental; Redução de perdas por transmissão edistribuição de energia, já que a eletricidade é consumida onde é produzida; Reduçãode investimentos em linhas de transmissão e distribuição; Baixo impacto ambiental; Anão exigência de área física dedicada; Fornecimento de maiores quantidades deeletricidade nos momentos de maior demanda (ex.: o uso de ar-condicionado é maiorao meio-dia no Brasil, quando há maior incidência solar e, consequentemente, maiorgeração elétrica solar); Rápida instalação, devido à sua grande modularidade e curtos

prazos de instalação, aumentando assim a geração elétrica necessária em determinado ponto ou edificação.

Impactos negativos: as células fotovoltaicas necessitam de tecnologia sofisticada parasua fabricação; possuem custo de investimento elevado; o rendimento real deconversão de um módulo é reduzido (o limite teórico máximo numa célula de silíciocristalino é cerca de 28%), face ao custo do investimento; Necessita de umarmazenador de energia; seu rendimento é dependente do índice de radiação,temperatura, quantidade de nuvens, dentre outros.

6. PANAROMA MUNDIAL E NACIONAL

Nos países desenvolvidos a energia solar fotovoltaica já está em funcionamento a bastantetempo, o que os leva a possuir uma tecnologia bastante desenvolvida em relação aos

países em desenvolvimento. O que os levou a utilizar este tipo de energia foi o fato de seruma fonte limpa de geração de energia e pela falta de outros recursos naturais. Dentreestes países destacam-se os EUA, Espanha, Alemanha e Japão de acordo com a figura 1.

Figura 19 - Potência acumulada instalada de sistemas fotovoltaicos na Alemanha,Espanha, Japão e EUA, em MW (1992-2007).

Fonte:IEA-PVPS, 2008b apud Jannuzzi, Varella, Gomes, 2009


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De acordo com a figura1 observa-se que a energia solar vem aumentando a cada ano,tornando-se responsável por aproximadamente 8000 MW de potencia em todo mundo,sendo está energia conectada a rede ou isolada.

Figura 20 - Potência acumulada instalada de sistemas fotovoltaicos em países no mundoconectados ou não à rede elétrica, em MW (1992 – 2007). Fonte:

Fonte: IEA-PVPS, 2008b apud Jannuzzi, Varella, Gomes, 2009

O Brasil está em fase de desenvolvimento neste tipo de tecnologia, levando emconsideração o grande potencial de irradiação solar do país (Figura 21) vem aumentando ointeresse em estudar e aplicar a energia solar. As principais formas de utilização são paraaquecimento de água, principalmente na região Sul e para o abastecimento de luz elétrica,em especial nas regiões Norte e Nordeste, onde ainda é precário o sistema de iluminaçãoelétrica.


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Figura 21 - Media anual de insolação diária no Brasil (horas)Fonte: ANEEL, 2013.

7. DIMENSIONAMENTO SIMPLIFICADO DE UM SISTEMA FOTOVOTAICOCONECTADO À REDE PARA UMA RESIDÊNCIA UNIFAMILIAR

A metodologia utilizada será baseada nos seguintes autores: Joaquim Carneiro (2009),Valderi Silva (2013) e Marcelo Almeida (2012).

O dimensionamento de um SFVCR envolve uma série de etapas, entre as quais sedestacam aquelas associadas ao processo de cálculo da energia elétrica produzida pelogerador fotovoltaico. É conveniente determinar como será à saída de potência de cada umdos módulos e, partir daí, entender como será o comportamento deles ao serem reunidosdentro de um gerador em operação (ZILLES et al ., 2012, apud SILVA, 2013).O dimensionamento do sistema FV será realizado com base na potência instalada daresidência, consumo de energia e área disponível para instalação do sistema. A Tabela 1

mostra a potência total instalada na residência.Tabela 1 – Potência Total Instalada

POTÊNCIA INSTALADA DA RESIDÊNCIA

DescriçãoPotência

(W)Quantidade

Potência Final(KW)

Geladeira 85,00 01 0,09Televisão 54,00 01 0,05Lâmpada Fluorescente 98,00 07 0,69

Liquidificador 750,00 01 0,75Computador 400,00 02 0,80Microondas 700,00 01 0,70


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Aparelho de DVD 420,00 01 0,42Ventilador 240,00 03 0,72TOTAL 2747,00 17,00 4,22

O consumo mensal foi tomado com base nos dados do ano de 2012 (ANEXO). A Tabela2 apresenta os valores de consumo da residência no ano de 2012. O custo com o consumode energia anual da residência foi igual a R$ 1.047,27 (Dado obtido a partir dos valorescobrados nas faturas pela concessionária, ver ANEXO).

Tabela 2 – Consumo de Energia Mensal

CONSUMO DE ENERGIA DARESIDÊNCIA

Mês Consumo (kWh)

Janeiro 263,00Fevereiro 225,00Março 274,00Abril 256,00Maio 275,00Junho 266,00Julho 249,00Agosto 286,00Setembro 292,00

Outubro 299,00 Novembro 250,00Dezembro 250,00ANUAL 3.185,00

A residência possui 6,80 m de comprimento e 5,90 m de largura com uma área total de40,12 m².

7.1. Dimensionamento do Gerador Fotovoltaico

Em primeiro lugar deve ser escolhido o local de instalação do sistema. Deve ser livre

de sombra de árvores e edifícios vizinhos para que o sol seja aproveitado durante todoo dia. Para este dimensionamento será levado em conta à instalação do sistema notelhado da residência, ocupando entre 15 m² e 16 m².

Em segundo lugar deve ser analisada a potência do gerador. Segundo ALVARENGAapud SILVA (2013), cada KW instalado necessita de 10 m², de um investimento deR$ 6.000,00 a R$ 10.000,00 e gera em média 1,3 a 1,5 MWh/ano. Com base nestasinformações estipula-se que o gerador proposto com, aproximadamente, 15 m² deárea necessitará de um investimento de R$ 15.000,00. Com um potência de 1,5 KW, ageração estimada será de 1,95 MWh/ano (1,3 MW/ano x 1,5 KW), ou seja, 162,5KWh/mês.

7.2.

Módulo Fotovoltaico


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O módulo fotovoltaico de ser escolhido com o certificado de qualidadeProcel/Inmetro, ISO 9001 e disponibilidade no mercado (SILVA, 2013). O móduloselecionado para este sistema fotovoltaico possui o fabricante Kyocera, SM-83KSM.

As Tabelas 3 e 4 apresentam as especificações técnicas do módulo fotovoltaico SM-83KSM.

Tabela 3 – Especificações Técnicas

Fonte: Koycera, 2013.

Tabela 4 – Especificações Técnicas

Fonte: Koycera, 2013.


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A área total do módulo fotovoltaico SM-83KSM, 0,623 m², é ilustrado na Figura 21através de suas dimensões e a Figura 22 ilustra o mesmo.

Figura 22 – Especificações Físicas do Módulo Fotovoltaico SM-83KSM.Fonte: Koycera, 2013.

Figura 23 – Ilustração do Módulo Fotovoltaico SM-83KSM.Fonte: Koycera, 2013.

7.3.

Inversor

O inversor deve estar de acordo com as normas da ABNT NBR 5410/04 e normas daconcessionária local (frequência, tensão, aterramento etc.). O inversor é especificado deacordo com a disponibilidade no mercado, preço por watt etc. (SILVA, 2013).

O Inversor utilizado na proposta será o Windy Boy 1200/1700 da SMA com o custoaproximado de R$ 4.000,00 e potência máxima de 1850 W. As principais especificaçõestécnicas do inversor estão citadas na Tabela 5.

Tabela 5 – Especificações Técnicas do Inversor Windy Boy 1200/1700


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Fonte: SMA, 2013.

7.4. Configuração dos Módulos Fotovoltaicos e do Inversor

Segundo Silva (2013), a potência nominal total de módulos ligados em cada inversornão pode ser maior que 110% da potência máxima de corrente contínua do inversor:

Pmódulos = 1,1 x PinversorPn = 1,1 x 1850

Pn = 2035 W

Cada painel tem potência de 83 W. Quando se divide a potência total de 1850 W pelamáxima potência máxima de cada módulo encontra-se a quantidade máxima de

módulos poderão ser ligados ao inversor, ou seja, de acordo com a área disponível para a instalação do sistema e o gerador dimensionado, será ligados um inversor, 14módulos.

Os painéis só podem ser ligados em série se a soma das tensões de curto circuitoaberto (19,7 V para o gerador Koycera proposto) não pode ser maior que 90% datensão de corrente contínua máxima do inversor. A tensão máxima de cada inversor éigual a 480 V, então:

Tensão = 0,9 x TinvTensão = 0,9 x 480 V

Tensão = 432 V


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Assim, dividindo 432 V por 33,2 V concluímos que apenas 21 módulos podem serinstalados, na forma string , no inversor.

O arranjo do Gerador está ilustrado na Figura 24. O SFCR utilizará apenas um

inversor da SMA – Windy Boy 1200/1700, com 14 módulos Koycera no inversor.

Figura 24 – Arranjo do SFCR

7.5. Produção de Energia

De acordo com SOLENERG, apud SILVA (2013), a estimativa de produção pode serencontrada utilizando as seguintes expressões:

Geração anual (MWh/ano) = Potência de cada módulo (Wp) x número demódulos x nível médio de radiação solar (h) x eficiência global x 365 dias x10-6

Geração anual (MWh): Estimativa da geração de energia elétrica injetada narede;

Potência de cada módulo (Wp): Potência nominal do módulo selecionado em

Wp;

Número de módulos: Quantidade de unidades de módulos fotovoltaicos;

Nível médio de radiação solar (h): Nível médio anual de radiação solar dolocal de instalação, plano inclinado igual à latitude, em horas de insolaçãomáxima ou kWh/m²/dia;

Eficiência global (pu): Performance ratio – Fator que leva em conta as perdasnos módulos fotovoltaicos, no inversor, na instalação etc. e que poderá serotimizado e calculado pelo software. Valor típico: 0,7 a 0,8. Utilizamos para

cálculos preliminares o valor de 0,8.


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De acordo com o programa Sundata, o nível médio da radiação solar obtido no plano horizontal para a cidade de Mossoró, latitude 5,187500º Sul e longitude37,344166º, foi 5,50 kWh/m²dia. Aplicando a expressão, temos:

Geração anual = 83 Wp x 14 x 5,50 h/dia x 0,8 x 365 x 10-6

Geração anual = 1,9 MWh/ano ou 158,33 Wh/mês

8. PREVISÃO DE RETORNO DO INVESTIMENTO

A estimativa de custos, segundo SOLENERG, apud , SILVA (2013), pode ser feita comum cálculo simplificado do MWh gerado usando-se a expressão:

Custo (R$/MWh) = valor do investimento x (taxa anual de juros + taxade depreciação + taxa de depreciação)/100 )/Geração

Para o valor do investimento (MWh/ano), deve ser considerado o custo do projeto einstalação acrescendo um valor entre 20% a 25% dos custos dos módulos e dosinversores. A taxa anual de juros reais poderá ser considerada uma taxa real subsidiada de3% ao ano e sem inflação. A taxa de depreciação será de acordo com a vida útil dogerador que está em torno de 30 anos, ou seja, uma taxa de 3,33%ao ano. Para amanutenção do sistema FV, vamos considerar uma taxa de 1% ao ano (SOLENERG, apud SILVA, 2012).

O custo estimado para os módulos foi R$ 1.000,00, portanto, como o SFCR será instaladocom 14 módulos temos um total de R$ 14.000,00 e o inversor custa, aproximadamente,R$ 4.000,00.

Logo, o custo total para investimento do sistema fotovoltaico conectado à rede elétrica,acrescido de mais 20% da instalação é de R$ 21.600,00.

Para avaliação da viabilidade econômica, serão utilizados os dados fornecidos pela Aneele Cosern.

Custo Tarifa Convencional (B1-Residencial): 363,73 R$/MWh

O objetivo é calcular o custo do MWh gerado pelo sistema FV e compará-lo com o valor

do MWh da concessionária Cosern. Calculando o custo do MWh do sistema FV temos:Custo (R$/MWh) = R$21.600,00 x ( 3% +3,33% + 1% ) / 100 / 1,9

Custo (R$MWh) = R$ 1.583,28 / 1,9 MWhCusto = 833,31 R$/MWh ou 0,833 R$/kWh

O prazo necessário para recuperar o investimento realizado, LISITA (2005), resulta darelação entre o investimento inicial em eficiência energética e as economias obtidas a cadaano, logo:

PRS (Previsão de Retorno Simples) = Investimento R$ / Economia por ano R$

Na Tarifa Convencional = 1,9 MWh x 363,73 R$/MWh = R$ 691,09


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Considerando os custos das tarifas praticadas pela Cosern, haverá uma economia de R$691,09 por ano e calculando o PRS,

PRS = R$ 21.600,00 / R$ 691,09 = 31 anos e 3 meses

O retorno do investimento está previsto para 31 anos e 3 meses, ou seja, a instalação dosistema fotovoltaico conectado à rede não é viável..

Os valores foram encontrados considerando apenas a tarifa verde de consumo na pontadisponível no Manual de Orientação da Cosern.


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9. CONCLUSÃO

Com a possibilidade de interligação de sistemas conectados à rede, tornou-se possívelmais uma forma de redução de custos com consumo de energia. Este tipo de tecnologia

está se desenvolvendo no país e tem capacidade de tomar conta do mercado.

O Brasil possui ótimos índices de radiação por toda a sua extensão, mas os custos aindasão vistos como desvantagens ante ao leque de recursos disponíveis para exploração deoutras fontes alternativas de energia. Daí, com a aprovação da Resolução normativa n°482 (ANEEL, 2012) torna-se promissor o investimento SFCR.

Apesar de promissora, ainda não é vantajosa à instalação de sistemas fotovoltaicosconectados à rede, pois o tempo de retorno de investimento é muito alto. Não compensa ainstalação de um sistema visto que sua vida útil se torna menor que o tempo de retorno

previsto.


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ANEXOS


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Dimensionamento Para 01 Residência - 01

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