EstudodeViabilidadeparaInstalaçãode ... · Engenharia Elétrica da Universidade Estadual ......

Universidade Estadual de LondrinaCentro de Tecnologia e UrbanismoDepartamento de Engenharia Elétrica

Bruno Villas Bôas de Oliveira

Estudo de Viabilidade para Instalação deum Poste de Iluminação Considerando um

Sistema Fotovoltaico Autônomo

Londrina2017

Universidade Estadual de Londrina

Centro de Tecnologia e UrbanismoDepartamento de Engenharia Elétrica


Estudo de Viabilidade para Instalação de um Postede Iluminação Considerando um Sistema Fotovoltaico

Autônomo

Trabalho de Conclusão de Curso orientado pelo Prof. Dra. SilviaGalvão de Souza Cervantes intitulado “Estudo de Viabilidade paraInstalação de um Poste de Iluminação Considerando um SistemaFotovoltaico Autônomo” e apresentado à Universidade Estadual deLondrina, como parte dos requisitos necessários para a obtenção doTítulo de Bacharel em Engenharia Elétrica.

Orientador: Prof. Dra. Silvia Galvão de Souza Cervantes

Londrina2017

Ficha Catalográfica

Bruno Villas Bôas de OliveiraEstudo de Viabilidade para Instalação de um Poste de Iluminação Conside-rando um Sistema Fotovoltaico Autônomo - Londrina, 2017 - 81 p., 30 cm.Orientador: Prof. Dra. Silvia Galvão de Souza Cervantes1. Painel Fotovoltaico. 2. Sistema Isolado. 3. Iluminação Pública. 4. Viabili-dade EconômicaI. Universidade Estadual de Londrina. Curso de Engenharia Elétrica. II. Es-tudo de Viabilidade para Instalação de um Poste de Iluminação Considerandoum Sistema Fotovoltaico Autônomo.


Estudo de Viabilidade para Instalação deum Poste de Iluminação Considerando um

Sistema Fotovoltaico Autônomo

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso deEngenharia Elétrica da Universidade Estadual de Londrina,como requisito parcial para a obtenção do título de Bacharelem Engenharia Elétrica.

Comissão Examinadora

Prof. Dra. Silvia Galvão de SouzaCervantes

Universidade Estadual de LondrinaOrientador

Prof. Msc. Osni VicenteUniversidade Estadual de Londrina

Prof. Dr. Fernando CernaUniversidade Estadual de Londrina

Londrina, 22 de fevereiro de 2018

Dedico este trabalho a todos aqueles que, de alguma forma,auxiliaram para a concretização desta etapa.

Agradecimentos

A Deus, que guia meus passos e por tudo que me permitiu alcançar.Aos meus familiares que sempre me deram força, alegria e coragem para vencer em

especial a minha mãe Mirian Salete Villas Bôas de Oliveira, o meu pai Eugênio Perez deOliveira, as minhas irmãs Ana Paula Villas Bôas de Oliveira e Ana Carolina Villas Bôasde Oliveira, a minha namorada Stela Mitsui Vaz Takakura, que sempre me apoiaram eme deram força para conseguir meus objetivos, sem vocês com certeza nada disso teriasentido.

Aos amigos que fiz ao decorrer do curso, os quais considero como parte da minhafamília, que sempre estiveram ao meu lado durante este período de graduação.

A minha orientadora professora Silvia Galvão de Souza Cervantes pela oportunidadee direcionamento do estudo e no auxilio da concretização deste projeto, aos professoresintegrantes da banca examinadora que se dispuseram a participar.

Finalmente, agradeço a todos os colegas, técnicos e professores da Universidade Esta-dual de Londrina que participaram de alguma forma da conclusão desta etapa da minhavida.

"Mantenha a cabeça boa e carregue sempre uma lâmpada"(Robert Allen Zimmerman)

Bruno Villas Bôas de Oliveira. Estudo de Viabilidade para Instalação de um Postede Iluminação Considerando um Sistema Fotovoltaico Autônomo. 2017. 81 p.Trabalho de Conclusão de Curso em Engenharia Elétrica - Universidade Estadual deLondrina, Londrina.

ResumoO presente trabalho tem como objetivo elaborar um projeto de viabilidade de implantaçãode um sistema de iluminação, o qual possui como fonte de energia um painel fotovoltaicoacoplado a um poste de iluminação. Deste modo, verifica-se o local escolhido situadono Centro de Tecnologia e Urbanismo na Universidade Estadual de Londrina, para arealização da implantação do projeto do sistema de iluminação, que é intitulado sistemaisolado, ou seja, não possui ligação com a rede de energia elétrica, e também apresenta-sea utilização deste sistema, levando em consideração os equipamentos, os materiais e osestudos realizados para a execução do projeto. Almeja-se também obter um conceito desustentabilidade, pois a energia que alimentará a luminária é a energia solar, a qual éconvertida em energia elétrica por meio do painel fotovoltaico. Por fim, todo o custodo projeto será analisado para que a viabilidade econômica do respectivo projeto sejarentável.

Palavras-Chave: 1. Painel Fotovoltaico. 2. Sistema Isolado. 3. Iluminação Pública. 4.Viabilidade Econômica

Bruno Villas Bôas de Oliveira. . 2017. 81 p. Monograph in Electrical Engineering -Londrina State University, Londrina.

AbstractThe present work has the objective of elaborating a viability project of implantation of alighting system, which has as energy source a photovoltaic panel coupled to a light pole.In this way, the chosen location located in the Center of Technology and Urbanism atthe State University of Londrina, is verified for the implementation of the project of thelighting system, which is called an isolated system, that is, it does not have a connectionwith the grid. electric energy, and also the use of this system is presented, taking intoaccount the equipment, materials and studies carried out for the execution of the project.It is also hoped to obtain a concept of sustainability, since the energy that will feedthe luminaire is the solar energy, which is covered in electric energy by means of thephotovoltaic panel. Finally, the entire cost of the project will be analyzed so that theeconomical feasibility of the respective project is profitable.

Key-words: 1.Photovoltaic Panel. 2.Isolated System. 3. Street Lighting. 4. EconomicViability

Lista de ilustrações

Figura 1 – Espectro eletromagnético . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28Figura 2 – Efeito Fotovoltaico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29Figura 3 – Perfil de irradiância solar ao longo do dia . . . . . . . . . . . . . . . . . 30Figura 4 – Módulo fotovoltaico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31Figura 5 – Silício Monocristalino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32Figura 6 – Silício Policristalino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33Figura 7 – Filmes Finos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34Figura 8 – Incidência dos raios solares em um módulo solar . . . . . . . . . . . . . 35Figura 9 – Diferentes ângulos de inclinação do modulo solar . . . . . . . . . . . . 35Figura 10 – sistema OFF-GRID básico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36Figura 11 – Bateria Estacionária . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38Figura 12 – Ciclos de vida da bateria estacionária . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40Figura 13 – Controlador de Carga MPPT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40Figura 14 – Tela de entrada de coordenadas geográficas do Sundata . . . . . . . . . 50Figura 15 – Irradiação Solar no Plano Inclinado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50Figura 16 – Classificação das vias públicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52Figura 17 – Local de Instalação do Projeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53Figura 18 – Método de cálculo de compatibilidade com a arborização . . . . . . . . 56Figura 19 – Poste solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60Figura 20 – Especificação da luminária de LED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60Figura 21 – Gráficos referentes a potência luminosa e luminância . . . . . . . . . . 62

Lista de tabelas

Tabela 1 – Classes de iluminação para cada tipo de via . . . . . . . . . . . . . . . 52Tabela 2 – Iluminância média e fator de uniformidade mínimo para cada classe de

iluminação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54Tabela 3 – Consumo iluminação pública por subsistema, região e UFs (GWh) . . . 57Tabela 4 – Custo de Substituição dos Equipamentos. . . . . . . . . . . . . . . . . 64Tabela 5 – Tarifa da Iluminação Pública. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64Tabela 6 – VPL do Sistema OFF-GRID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

Lista de Siglas e Abreviaturas

ABNT Associação Brasileira de Normas TécnicasANEEL Agência Nacional de Energia ElétricaCOB Chips on BoardCOFINS Contribuição para Financiamento da Seguridade SocialCREESEB Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sergio BritoEPE Empresa de Pesquisa EnergéticaFP Horário Fora de PontaFPS Horário Fora de Ponta em Período SecoFPU Horário Fora de Ponta em Período ÚmidoIBGE Instituto Brasileiro de Geografia e EstatísticaICMS Imposto Sobre Circulação de Mercadoria e ServiçosIP Índice de ProteçãoIRC Índice de Reprodução de CorLED Light Emitting Diodo - Diodo Emissor de LuzMPPT Maximum Power Point Traking - Rastreamento do Ponto de Máxima PotênciaNBR Norma Brasileira RegulamentarNOCT Condições Normais de Operação da CélulaP Horário de PontaPIS Programa de Integração SocialSTC Condição de Teste PadrãoSELIC Sistema Especial de Liquidação e CustódiaTMA Taxa Mínima de AtratividadeUEL Universidade Estadual de LondrinaUF Unidade FederativaVPL Valor Presente Líquido

Sumário

1 INTRODUÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

1.1 Motivação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

1.2 Justificativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

1.3 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.1 Fontes Renováveis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.2 Radiação Solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.2.1 Efeito Fotovoltaico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.3 Energia Solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.3.1 Irradiância . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.3.2 Insolação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2.4 Células Fotovoltaicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2.4.1 Tipos de células. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.4.2 Silício monocristalino. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.4.3 Silício policristalino. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

2.4.4 Filmes finos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.5 Ângulo de Incidência dos Raios Solares. . . . . . . . . . . . . . . 34

2.5.1 Escolha do ângulo de inclinação do módulo solar. . . . . . . . . 35

2.6 Iluminação Pública . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

2.7 Sistemas Fotovoltaico Autônomos . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

2.7.1 Aplicações dos sistemas fotovoltaico autônomos . . . . . . . . . 36

2.8 Componentes de um Sistema Fotovoltaico Autônomo. . . . . . 37

2.8.1 Baterias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

2.8.1.1 Baterias de ciclo profundo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

2.8.1.2 Vida útil da bateria. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

2.9 Controlador de carga. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

2.9.1 Funções do controlador de carga. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

2.10 Cálculo da energia produzida pelos módulos fotovoltaicos. . . 41

2.10.1 Método da insolação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

2.10.2 Método da corrente máxima do módulo. . . . . . . . . . . . . . 42

2.11 Tarifas de Energia Elétrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

2.11.1 Calasses e subclasses de consumo . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

2.11.1.1 Tarifas grupo A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

2.11.1.2 Tarifas grupo B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

2.12 Termos Luminotécnicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

2.12.1 Fluxo luminoso (lm) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

2.12.2 Eficiência luminosa (lm/W) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

2.12.3 Iluminamento ou iluminância (lux) . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

2.12.4 Fator de uniformidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

2.12.5 Linha isocandela . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

2.12.6 Linha isolux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

2.13 Viabilidade Econômica e Financeira . . . . . . . . . . . . . . . . 47

2.13.1 Payback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

2.13.2 Fluxo de caixa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

2.13.3 Valor presente líquido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

3 DESENVOLVIMENTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

3.1 Descrição do Projeto de Iluminação com Sistema OFF-GRID 49

3.2 Irradiação solar em Londrina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

3.2.1 Interface de utilização do Sundata . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

3.3 Iluminação Pública . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

3.3.1 Classificação das vias públicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

3.3.2 Classificação das vias para tráfego de pedestres . . . . . . . . . 52

3.4 Local de Instalação do Projeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

3.5 Cálculo da Iluminância e Fator de Uniformidade . . . . . . . . 53

3.6 Equações para o Dimensionamento das Baterias . . . . . . . . 54

3.7 Cálculo para o Dimensionamento do Painel Solar . . . . . . . . 55

3.8 Dimensionamento do Controlador de Carga . . . . . . . . . . . 55

3.9 Compatibilidade com a Arborização . . . . . . . . . . . . . . . . 55

3.10 Consumo de Iluminação Pública por Subsistema . . . . . . . . 57

3.11 Viabilidade Econômica e Financeira do Projeto . . . . . . . . 57

4 RESULTADOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

4.1 Sistema de iluminação pública OFF-GRID . . . . . . . . . . . . 59

4.1.1 Dimensionamento do poste solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

4.2 Componentes do poste solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

4.2.1 Luminária LED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

4.2.1.1 LED COB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

4.2.1.2 Ângulo de irradiação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

4.2.1.3 Fator de proteção do conjunto ótico . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

4.2.1.4 Índice de reprodução de cor (IRC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

4.3 Gráficos Apresentando a Potência Luminosa e Luminância . . 62

4.4 Dimensionamento dos Equipamentos do Poste Solar . . . . . . 63

4.4.1 Bateria estacionária . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

4.4.2 Módulo fotovoltaico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

4.4.3 Controlador de carga MPPT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

4.5 Valor do Sistema OFF-Grid ao Longo de 20 Anos . . . . . . . 63

4.6 Cálculo do Custo em reais para uma Luminária de 30W . . . 64

4.7 Cálculo do VPL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

4.8 Cálculo do Payback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

4.9 Cálculo da compatibilidade com a arborização . . . . . . . . . . 66

5 DISCUSSÕES E CONCLUSÕES . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

5.1 Trabalhos Futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

REFERÊNCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

ANEXO A – POSTE SOLAR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

ANEXO B – MÓDULO SOLAR . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

ANEXO C – BATERIA ESTACIONÁRIA . . . . . . . . . . . 75

ANEXO D – CONTROLADOR DE CARGA . . . . . . . . . 81

25

1 Introdução

O Brasil conta com vários recursos naturais para a geração de energia elétrica, sendoo hídrico a principal fonte. Mas, nem sempre o contingente de hidroelétricas instaladasno Brasil é capaz de suprir a demanda de energia elétrica, sendo assim, boa parte dessaenergia gerada é oriunda das usinas termoelétricas que na maioria dos casos utilizamcombustível fóssil que apresentam inúmeras desvantagens: alto custo na produção deenergia, altos índices de poluição consequentes na contribuição para a emissão do CO2,fatos que ocasionam o aquecimento global.

O desenvolvimento tecnológico de geração de energia solar por meio de placas foto-voltaicas permitem transformar a energia solar em eletricidade de forma limpa, segurae confiável, sendo esta uma das principais fontes de energia renovável. A popularizaçãodesta tecnologia e principalmente a diminuição dos custos, fez com que a geração de ener-gia fotovoltaica parasse de ser exclusivamente de fins tecnológicos para ser disponibilizadade uma maneria mais acessível para a população em geral.

Segundo o EPE (2014), a iluminação pública pode ser definida como o serviço que tempor objetivo prover de luz, no período noturno ou nos escurecimentos diurnos ocasionaisnos logradouros públicos, inclusive aqueles que necessitem de iluminação permanente noperíodo diurno. As cidades estão entre os maiores consumidores de energia elétrica nomundo, respondendo por dois terços de todo o consumo e por mais de 70% das emissõesglobais de gases de efeito estufa. No ambiente urbano, em geral, as redes de iluminaçãoconstituem uma importante fonte de consumo de energia.

Ainda de acordo com EPE (2014), de fato, no Brasil, a iluminação pública representamais de 4% do consumo total de energia do país, e o custo já representa o segundo maioritem orçamentário de grande parte dos municípios, superado apenas pelos gastos com afolha de pagamento (EPE, 2014).

De acordo com dados levantados pelo Censo do Instituto Brasileiro de Geografia eEstatística (IBGE), existiam no ano de 2000 mais de 2 milhões de domicílios rurais brasi-leiros sem acesso a energia elétrica, o que representava mais de 10 milhões de habitantesnão atendidos por esse serviço público. Agravando ainda mais esse quadro de exclusão,estimava-se que aproximadamente 90% dessas famílias possuíam renda inferior a três salá-rios mínimos, vivendo principalmente em localidades de baixo Índice de DesenvolvimentoHumano (DEMOGRÁFICO, 2010).

Uma das maneiras encontradas para minimizar os problemas causados pelo uso desen-freado dos recursos energéticos e facilitar o acesso à energia elétrica em localidades quenão possuem rede elétrica, sem comprometer a qualidade de vida e o desenvolvimentoeconômico, foi o estímulo ao uso eficiente e a busca constante por fontes de energiassustentáveis.

26 Capítulo 1. Introdução

Deste modo, os sistemas autônomos se aplicam também em iluminação pública, nasinalização de estradas, na alimentação de sistemas de telecomunicações e no carregamentodas baterias de veículos elétricos. Muitos lugares do Brasil não são atendidos por redeelétrica, nessas localidades os sistemas autônomos podem ser empregados para substituirgeradores movidos com fonte de energia não renovável, obtendo assim uma redução deruídos e poluição.

Assim, entende-se que os sistemas fotovoltaicos autônomos, também chamados deisolados ou OFF-GRID, compõem grande parte dos sistemas fotovoltaicos no Brasil, ouseja, foram instalados em lugares onde não se encontra uma rede de alimentação de energiaelétrica, e/ou pela avaliação do local, deste modo, o sistema fotovoltaico isolado é umaopção rentável para a iluminação publica.

1.1 Motivação

Com base em uma pesquisa sobre um local de trânsito de pedestres e com iluminaçãodeficiente dentro do campus da Universidade Estadual de Londrina (UEL), verificou-se apossibilidade da execução de um projeto para a instalação de um sistema de iluminaçãofotovoltaico autônomo.

1.2 Justificativa

Segundo a NBR (2012), o conceito de iluminação pública é prover a luz no períodonoturno e em eventuais escurecimentos no período diurno, deste modo, o local escolhidopara o projeto de iluminação não se enquadra nesta definição. Assim, o seguinte projeto,vem disponibilizar uma iluminação ao local escolhido, fazendo uso do sistema fotovoltaicoautônomo, sendo que não causará uma carga extra na rede de iluminação do campus daUniversidade Estadual de Londrina.

1.3 Objetivos

Considerando a motivação e a justificativa tem-se como objetivo principal o estudode viabilidade de instalação de um poste de iluminação fotovoltaico autônomo aplicado ailuminação pública. Como objetivos específicos tem-se a avaliação do local de instalaçãodo poste com placa fotovoltaica, a pesquisa do equipamento mais adequado, a análise dosistema isolado que será utilizado no projeto, e o estudo dos componentes que compõemo sistema de iluminação.

27

2 Fundamentação Teórica

2.1 Fontes Renováveis

De acordo com Villalva e Gazoli , o sol é a principal fonte de energia do nosso planeta,a superfície da Terra recebe atualmente uma quantidade de energia solar, nas formasde luz e calor, suficiente para suprir milhares de vezes as necessidades mundiais duranteo mesmo período. Ainda de acordo com os autores apenas uma pequena parcela dessaenergia é aproveitada, mesmo assim, com poucas exceções, praticamente toda energiausada pelo ser humano tem origem no sol.

A energia da biomassa, ou da matéria orgânica, tem origem na energia do sol atravésda fotossíntese, que é a conversão da energia captada da luz solar em energia química.A energia da água dos rios, usada para mover as turbinas de usinas hidrelétricas, temorigem na evaporação, nas chuvas e no degelo provocado pelo calor do sol. A energiados ventos tem origem nas diferenças de temperatura e pressão na atmosfera ocasionadapelo aquecimento solar. Os combustíveis fósseis como carvão, o gás natural e o petróleotambém têm origem na energia solar, pois são resultado da decomposição da matériaorgânica produzida há milhões de anos (VILLALVA; GAZOLI, 2012).

2.2 Radiação Solar

Villalva e Gazoli (2012) afirmam que a energia do sol é transmitida para o nosso planetaatravés do espaço na forma de radiação eletromagnética. Essa radiação é constituída deondas eletromagnéticas que possuem frequências e comprimentos de ondas diferentes. Aenergia que uma onda pode transmitir está associada a sua frequência. Quanto maiora frequência, maior a energia transmitida. O comprimento da onda eletromagnética éinversamente proporcional à frequência. A equação de Planck ou equação de Planck-Einstein, mostra a relação entre a frequência e energia de uma onda eletromagnética:

E = h.f (2.1)

Onde: E é a energia da onda (expressa em joules [J ] ou elétrons-volt [eV ]),f , suafrequência (expressa em hertz [Hz]), e h, uma constante de Planck, que vale aproximada-mente 6, 636.10−34[J.s]. A luz viaja com uma velocidade constante no vácuo, a fórmula

28 Capítulo 2. Fundamentação Teórica

matemática apresentada em seguida relaciona a frequência, o comprimento da onda e avelocidade da onda eletromagnética:

c = λ.f (2.2)

Onde: c é a velocidade da luz no vácuo (aproximadamente 300.000km/s), λ é o com-primento da onda (expressa em submúltiplos de metros) e f é a frequência da onda (emhertz).

As ondas eletromagnéticas vindas do sol podem produzir efeitos sobre os objetos e osseres vivos, uma pequena parte das ondas pode ser captada pelo olho humano e representao que chamamos de luz visível. Outra parte da radiação solar não pode ser vista pelo olhohumano e pode ser percebida de outras formas (VILLALVA; GAZOLI, 2012).

Figura 1 – Espectro eletromagnético

Fonte: (CARMINATO; LEITE; PAMBOUKIAN, 2015)

Conforme mostra a Figura 1, o espectro de radiação solar é o conjunto de todas asfrequências magnéticas emitidas pelo sol. Todo espectro de radiação, incluindo as ondasvisíveis ao olho humano e as não visíveis, transporta energia que pode ser captada naforma de calor ou luz (VILLALVA; GAZOLI, 2012).

2.2.1 Efeito Fotovoltaico

As ondas eletromagnéticas, ao incidirem sobre determinados materiais, em vez detransmitir calor, podem produzir, alterações nas propriedades elétricas ou originar tensõesou correntes elétricas. Existem diversos efeitos da radiação eletromagnética sobre oscorpos, sendo dois deles os efeitos fotovoltaico e fotoelétrico, como é mostrado na Figura2.

2.3. Energia Solar 29

Figura 2 – Efeito Fotovoltaico

Fonte: (SIMõES, 9 de fevereiro, 2017.)

O efeito fotovoltaico, que é a base dos sistemas de energia solar fotovoltaica para aprodução de eletricidade, consiste na transformação da radiação eletromagnética do solem energia elétrica por meio da criação de uma diferença de potencial, sobre uma célulaformada por um sanduíche de materiais semicondutores. Se a célula for conectada a doiseletrodos, haverá tensão elétrica sobre eles. Se houver um caminho elétrico entre os doiseletrodos, surgirá uma corrente elétrica (VILLALVA; GAZOLI, 2012).

2.3 Energia Solar

2.3.1 Irradiância

Uma grandeza empregada para qualificar a radiação solar é a irradiância, geralmentechamada de irradiação, expressa na unidade deW/m2 (watt por metro quadrado), trata-sede uma unidade de potência por área. A medida da irradiância emW/m2 é muito utilizadapara avaliar a eficiência dos dispositivos e sistemas fotovoltaicos. Com o valor padrãode 1000W/m2 as eficiências das células e módulos fotovoltaicos de diversos fabricantespodem ser especificadas e compradas com base em uma condição padrão de radiaçãosolar(VILLALVA; GAZOLI, 2012).

A Figura3 mostra a irradiância solar ao longo do dia, em cada instante de tempo érealizada uma medida, fazendo a integração dos valores de irradiância ao longo do tempo,


Figura 3 – Perfil de irradiância solar ao longo do dia

Fonte: (MELOS, 10 de Agosto, 2015.)

ou seja, calcula-se a área embaixo da curva, obtém-se o valor da energia recebida do soldurante o dia por unidade de área, denominada insolação (VILLALVA; GAZOLI, 2012).

2.3.2 Insolação

Insolação é a grandeza utilizada para expressar a energia solar que incide sobre umadeterminada área de superfície plana ao longo de um determinado intervalo de tempo,sua unidade é o Wh/m2 (watt-hora por meto quadrado). O watt-hora é uma unidadefísica de energia e o watt-hora por metro quadrado expressa a densidade de energia porárea(ABNT, 2012).

2.4 Células Fotovoltaicas

O efeito fotovoltaico é fenômeno físico que permite a conversão direta da luz em eletri-cidade, esse fenômeno ocorre quando a luz, ou a radiação eletromagnética do sol, incidesobre uma célula composta de materiais semicondutores com propriedades específicas.(VILLALVA; GAZOLI, 2012). Como pode ser observado na Figura4

2.4. Células Fotovoltaicas 31

Figura 4 – Módulo fotovoltaico

Fonte: (SOLAR, 9 de fevereiro, 2017.)

2.4.1 Tipos de células.

Existem atualmente diversas tecnologias para a fabricação de células e módulos foto-voltaicos, a seguir serão elencadas algumas características dessas diferentes tecnologias.

2.4.2 Silício monocristalino.

Os blocos de silício ultrapuro, são aquecidos em altas temperaturas e submetidos aum processo de formação de cristal, o lingote é de silício, constituído de uma estruturacristalina única e possui organização molecular homogênea, o que lhe oferece aspecto bri-lhante e uniforme. O lingote é serrado e fatiado para produzir os wafers, que não possuemas propriedades de uma célula fotovoltaica, para isso, recebem impurezas em ambas asfaces, formando camadas de silício P e N que constituem a base para o funcionamento dacélula fotovoltaica. Finalmente, a célula semiacabada recebe a película metálica em umadas faces, uma grade na outra face e uma camada de material antirreflexivo na face quevai receber a luz(LUQUE; HEGEDUS, 2011). Como pode ser observado na Figura 5.


Figura 5 – Silício Monocristalino

Fonte: (CEPEL, CRESESB.)

2.4.3 Silício policristalino.

O silício policristalino, além do silício monocristalino, representa a base da tecnologiafotovoltaica de hoje. Ele oferece vantagens em relação ao silício monocristalino em relaçãoaos custos de fabricação e tolerância à matéria-prima, no entanto, economias levemente re-duzidas. Outra vantagem inerente do silício policristalino é a forma de bolacha retangularou quadrada que proporciona uma melhor utilização da área do módulo em comparaçãocom as bolachas monocristalinas principalmente redonda.(LUQUE; HEGEDUS, 2011).Como pode ser verificado na Figura 6.

2.4. Células Fotovoltaicas 33

Figura 6 – Silício Policristalino

Fonte: (CEPEL, CRESESB.)

2.4.4 Filmes finos.

Os filmes finos são uma tecnologia mais recente, que surgiu após as tecnologias crista-linas já estarem bem desenvolvidas. Diferente das células cristalinas, que são produzidasa partir de fatias de lingote de silício, os dispositivos de filmes finos são fabricados atra-vés da deposição de finas camadas de materiais sobre uma base que pode ser rígida ouflexível(LUQUE; HEGEDUS, 2011). Como pode ser constatado na Figura 7.


Figura 7 – Filmes Finos

Fonte: (EKOHOME, 2009.)

2.5 Ângulo de Incidência dos Raios Solares.

O modo como os raios solares incidem sobre a superfície terrestre depende da posiçãodo sol no céu. Sabe-se que a posição do sol varia ao longo do dia e do ano, sendodeterminada pelos ângulos azimutal e zenital e pela altura solar. O módulo é instaladocom ângulo de inclinação α em relação ao solo e tem sua face voltada para o nortegeográfico, os raios solares incidem sobre a superfície sobre a superfície do módulo com oângulo de inclinação β, definindo em relação à reta perpendicular à superfície do módulo.Em cada dia do ano, conforme a altura solar γs varia, o módulo recebe os raios solarescom uma inclinação β diferente. A figura 8 mostra como incidem os raios solares em ummódulo solar, o módulo é instalado com o ângulo de inclinação α em relação ao solo etem sua face voltada para o norte geográfico (VILLALVA; GAZOLI, 2012).

Sendo:

• α ângulo de inclinação do painel

• β ângulo de incidência do raio solar

• γs ângulo da altura solar

2.5. Ângulo de Incidência dos Raios Solares. 35

Figura 8 – Incidência dos raios solares em um módulo solar

Fonte:(VILLALVA; GAZOLI, 2012)

2.5.1 Escolha do ângulo de inclinação do módulo solar.

A maioria dos sistemas fotovoltaicos possui ângulos fixos de inclinação, então deveser escolhido um ângulo por algum critério. A escolha incorreta da inclinação reduz acaptação dos raios e compromete a produção de energia elétrica pelo módulo fotovoltaico.

A Figura 9 mostra o que acontece quando o módulo solar é instalado em diferentesângulos de inclinação com relação ao solo (VILLALVA; GAZOLI, 2012).

Figura 9 – Diferentes ângulos de inclinação do modulo solar

Fonte:(VILLALVA; GAZOLI, 2012)


2.6 Iluminação Pública

De acordo com a NBR 5101 (2012), o serviço de iluminação pública tem por objetivoprover de luz, ou claridade artificial, nos logradouros públicos no período noturno ounos escurecimentos diurnos ocasionais, inclusive aqueles que necessitam de iluminaçãopermanente no período diurno.

2.7 Sistemas Fotovoltaico Autônomos

Os sistemas autônomos, isolados ou OFF-GRID, necessitam de algum tipo de armaze-namento, este pode ser realizado com o uso de baterias, quando se deseja utilizar aparelhoselétricos nos períodos em que não há geração fotovoltaica (PINHO; GALDINO, 2014). AFigura 10 mostra um sistema OFF-GRID básico.

Figura 10 – sistema OFF-GRID básico

Fonte: (PINHO; GALDINO, 2014)

Comparando a Figura OFF-GRID com o poste de iluminação fotovoltaico autônomo,pode-se definir o gerador fotovoltaico como sendo a placa fotovoltaico, esta placa convertea energia solar em energia elétrica, a unidade de controle e condicionamento de potênciaé o controlador de carga do poste solar, ele faz o controle de carga de todo o sistema,ou seja, ele conecta o painel fotovoltaico a bateria, fazendo o controle da energia quecarrega bateria. O acumulador do poste é a bateria estacionária, por fim, a carga quetransformará a energia elétrica do poste solar em iluminação é a luminária.

2.7.1 Aplicações dos sistemas fotovoltaico autônomos

Os sistemas fotovoltaicos autônomos, podem ser utilizados para fornecer eletricidadepara residências em zonas rurais, na praia e em qualquer lugar onde a energia elétrica não

2.8. Componentes de um Sistema Fotovoltaico Autônomo. 37

esteja disponível. Os sistemas autônomos também encontram aplicações na iluminaçãopública, sinalização de estradas e na alimentação de sistemas de telecomunicações, assim,um sistema fotovoltaico autônomo pode ser empregado para substituir geradores movidosa diesel, com a vantagem da redução dos ruídos e da poluição. Os sistemas fotovoltaicosexigem pouca manutenção, são silenciosos, ecológicos e não precisam de abastecimento decombustível (VILLALVA; GAZOLI, 2012).

2.8 Componentes de um Sistema Fotovoltaico Autô-

nomo.

Um sistema fotovoltaico autônomo é geralmente composto de uma placa ou um con-junto de placas fotovoltaicas, um controlador de carga, uma bateria e, conforme a apli-cação, um inversor de tensão contínua para tensão alternada. Os módulos fotovoltaicosproduzem energia na forma de corrente e tensão contínuas, e para algumas aplicaçõesé necessário converter essa energia em corrente alternada através de um inversor. Emaplicações que requerem baterias deve ser empregado um controlador de carga, que é umcarregador específico para aplicações fotovoltaicas. O controlador de carga é usado pararegular a carga da bateria e prolongar sua vida útil, protegendo-a de sobrecargas ou des-cargas excessivas. Alguns modelos de controladores ainda têm a função de maximizar aprodução de energia do painel fotovoltaico através do recurso denominado MPPT (Maxi-mum Power Point Traking - rastreamento do ponto de máxima potência). (VILLALVA;GAZOLI, 2012).

2.8.1 Baterias

Nos sistemas autônomos a geração e o consumo de energia nem sempre coincidem de-vido a característica intermitente e aleatória da radiação solar ao longo de horas, minutose segundos. A presença de uma bateria é necessária para aprimorar o fornecimento cons-tante de energia para o consumidor e para evitar desperdício da energia gerada quandoo consumo é baixo, permitindo seu armazenamento para o uso posterior, nos momentosem que houver pouca ou nenhuma radiação, no período da noite e nos dias nublados echuvosos. Na maior parte dos sistemas fotovoltaicos autônomos a presença de uma bate-ria ou de um banco de baterias também é necessária para estabilizar a tensão fornecidaaos equipamentos ou ao inversor eletrônico, uma vez que a tensão de saída do módulofotovoltaico não é constante e pode variar. Dessa forma, a bateria funciona como um


acoplador entre o módulo e o retante do sistema, impondo ao módulo fotovoltaico umatensão de trabalho constante (FOSTER; GHASSEMI; COTA, 2009).

2.8.1.1 Baterias de ciclo profundo.

As baterias de ciclo profundo são projetadas para suportar um número maior de ciclode carga e descarga, além de poderem descarregar-se mais do que as convencionais. Asbaterias de chumbo ácido estacionarias como pode ser observada na Figura 11, são consi-deradas de ciclo profundo, enquanto as baterias automotivas não podem sofrer mais do que20% de descarga, as estacionárias de ciclo profundo podem descarregar-se até 50% ou 80%sem perder sua capacidade de recarga. Os termos estacionária e ciclo profundo normal-mente se confundem quando nos referimos as baterias de chumbo ácido que possuem essascaracterísticas. Embora essas denominações tenham significados diferentes, uma bateriaestacionária de chumbo ácido quase sempre é também uma bateria que aceita descargasprofundas, recebendo classificação de bateria de ciclo profundo (FOSTER; GHASSEMI;COTA, 2009).

Figura 11 – Bateria Estacionária

Fonte: (JOHNSON CONTROLS, 2017)

2.9. Controlador de carga. 39

2.8.1.2 Vida útil da bateria.

Segundo Foster, Ghassemi e Cota (2009), a vida útil da bateria é determinada pelonúmero de ciclos de carga e descarga que ela pode realizar. O número máximo de ciclosdepende da profundidade da descarga realizada, que corresponde a porcentagem da cargamáxima da bateria no final de um período de utilização ou um ciclo completo de carga edescarga. Em cada ciclo de carga e descarga de uma bateia o material das placas metálicasé transferido para os seus terminais. Uma vez que esse terminal se desprende do eletrodo,não pode ser utilizado novamente e a bateria vai ser desgastando conforme é utilizada.

A vida útil de uma bateria também é permanentemente reduzida pelo seu envelhe-cimento, que está diretamente relacionada com a temperatura de operação ou de arma-zenamento. O precedimento que contribui para o aumento da vida útil da bateria é amanutenção do estado de carga em baterias de chumbo ácido através do procedimentoda flutuação (manutenção da carga quando não está em uso), a operação em ambien-tes de temperatura controlada e o uso de controlador de carga para evitar sobrecargas edescargas muito profundas (FOSTER; GHASSEMI; COTA, 2009).

A vida útil de uma bateria estacionária de chumbo ácido com eletrólitos líquido tam-bém está está relacionada a profundidade de descarga da seguinte forma:

• 2500 ciclos: descarga de 10%



No gráfico da Figura 12 é representado a curva característica da bateria estacionária,no eixo horizontal estão representados os valores em porcentagem da profundidade dedescarga da bateria, no eixo vertical o número de ciclos que a bateria pode ter em funçãoda profundidade de descarga A profundidade de descarga representa a porcentagem dacarga que é retirada da bateria ao longo de um ciclo de uso. Por exemplo, uma bateriaque é carregada durante o dia, a noite é utilizada até perder metade da sua carga, paradepois ser carregada no dia seguinte, assim, tem uma profundidade de descarga diária de50% (FOSTER; GHASSEMI; COTA, 2009).

2.9 Controlador de carga.

Os sistemas fotovoltaicos com baterias devem obrigatoriamente empregar um controla-dor de carga como pode ser verificado na Figura 13. O controlador de carga é o dispositivoque faz com que a correta conexão entre o painel fotovoltaico e a bateria, evitando que a


Figura 12 – Ciclos de vida da bateria estacionária

Fonte: (JOHNSON CONTROLS, 2017)

bateria seja sobrecarregada ou descarregada excessivamente. Alguns controladores reali-zam o carregamento da bateria respeitando seu perfil de carga, o que tende a aumentarsua vida útil e maximizar a utilização (VILLALVA; GAZOLI, 2012).

Figura 13 – Controlador de Carga MPPT

Fonte: (SmartHarvest,2017)

2.10. Cálculo da energia produzida pelos módulos fotovoltaicos. 41

2.9.1 Funções do controlador de carga.

De acordo com Villalva e Gazoli (2012), uma importante função do controlador decarga é impedir que a bateria seja sobrecarregada. Nas baterias de chumbo ácido estaci-onárias verifica-se a situação de carga completa quando a bateria atinge tensão de 14, 4Ve 15, 5V . O controlador de carga é responsável por monitorar o valor da tensão nos ter-minais da bateria e impedir que continue sendo carregada quando a tensão de carga éatingida. Para evitar a sobrecarga, o controlador de carga desconecta o painel solar dosistema quando a bateria atinge seu nível máximo.

A proteção de descarga excessiva, também chamada de função de desconexão combaixa tensão, é o recurso do controlador de carga que faz com que o consumo de energiado sistema fotovoltaico seja interrompido quando a bateria atinge um nível crítico decarga. Esse nível tipicamente ocorre quando a tensão da bateria está próxima de 10, 5Vna bateria de chumbo ácido estacionária. Se a bateria continuar sendo descarregada abaixodessa tensão, sua vida útil pode ser severamente comprometida (VILLALVA; GAZOLI,2012).

2.10 Cálculo da energia produzida pelos módulos fo-

tovoltaicos.

No dimensionamento de sistemas fotovoltaico é muito importante saber determinarquanta energia é produzida diariamente por um módulo fotovoltaico. A seguir, são apre-sentados dois métodos muito simples que podem ser empregados no projeto de sistemasfotovoltaicos, para realizar o cálculo é necessário conhecer as condições de insolação dolocal e as características do módulo utilizado (VILLALVA; GAZOLI, 2012).

2.10.1 Método da insolação.

Segundo Villalva e Gazoli (2012) o método da insolação pode ser empregado no cálculoda energia produzida pelo módulo fotovoltaico quando se tem a informação sobre a energiado sol disponível diariamente no local da instalação, a informação sobre a energia solardiária é encontrada na forma da insolação, expressa em watt-hora por metro quadradopor dia (Wh/m2/dia).

Os autores afirmam que o método de insolação para o cálculo da energia produzidapelo método fotovoltaico é válido quando se considera o uso de controladores de cargacom o recurso do MPPT. Ao considerar o valor da energia do sol disponível diariamente


como base para o cálculo, espera-se extrair o máximo possível dessa energia. Nesse caso,a energia produzida é limitada apenas pela eficiência do módulo.

O dimensionamento de um sistema fotovoltaico com base na insolação média anualpode levar a falha do sistema por falta de energia nos meses de inverno e excesso deenergia nos messes de verão. O excesso de energia torna o sistema extremamente caro, mastecnicamente não existe nenhum problema nisso. A questão principal é como dimensionaro sistema correto para entender á demanda de energia elétrica em todos os dias do ano.

Nesse caso deve-se utilizar para o cálculo o valor da insolação referente ao pior mês doano para garantir o abastecimento de energia elétrica nos messes de menor insolação. Ascaracterísticas do módulo fotovoltaico necessária para o cálculo da energia produzida combase na insolação são as suas dimensões físicas e sua eficiência. A energia produzida pelomódulo fotovoltaico é calculada pela seguinte equação (VILLALVA; GAZOLI, 2012):

EP = (ES)(AM)(ηM) (2.3)

Onde:

• EP , energia produzida pelo módulo diariamente [Wh]

• ES, insolação diária [Wh/m2/dia]

• AM , área da superfície do módulo [m2]

• ηM , eficiência do módulo

2.10.2 Método da corrente máxima do módulo.

Nesse método considera-se que não é possível ter o aproveitamento máximo da energiasolar, pois o sistema fotovoltaico não está equipado com o recurso MPPT (rastreamentodo ponto de máxima potência do módulo). O primeiro passo no cálculo da energia pro-duzida pelo método através desse módulo em sua folha de dados, podem ser usadas ascaracterísticas em STC (condição padrão de teste do módulo) ou NOCT (condições nor-mais de operação do módulo). As condições em NOCT são mais apropriadas para essecaso, pois refletem com mais proximidade as características reais de operação, o cálculofeito com as codições STC poderia resultar um valor de energia produzido muito grande,acima do valor que vai realmente ser obtido na prática (VILLALVA; GAZOLI, 2012).

O cálculo da energia produzida pelo módulo nesse método é feita pela seguinte equação:

EP = (PM)(HS) (2.4)

Onde:

• EP , energia produzida pelo módulo diariamente [Wh]

2.11. Tarifas de Energia Elétrica 43

• PM , potência do módulo [W]

• HS, horas diárias de insolação [horas]

a potência do módulo é calculada por:

PM = (ISC)(VBAT ) (2.5)

Onde:

• PM , potência do módulo [W]

• HS, corrente de curto-circuito do módulo [A]

• VBAT tensão da bateria ou do banco de baterias [V]

A quantidade de horas diárias de insolação de uma localidade é um número práticoque pode variar ao longo do ano e é diferente para cada região geográfica. Os valores quepossibilitam bons resultados para o cálculo da energia nesse método estão entre quatro aseis horas (VILLALVA; GAZOLI, 2012).

2.11 Tarifas de Energia Elétrica

De acordo com a Agencia Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), a tarifa referentea energia elétrica é um valor unitário , medido em reais por quilowatt-hora (R$/KWh),multiplicado pela quantidade de energia elétrica consumida no mês, que os consumidorespagam por meio de conta recebida de sua empresa distribuidora de energia elétrica. Essevalor corresponde a 1 quilowatt consumido em uma hora (ANEEL, 2005).

2.11.1 Calasses e subclasses de consumo

Os consumidores são divididos em classes e subclasses de consumo:

• Residencial

• Industrial

• Comercial, Serviços e Outras atividades

• Rural

• Poder Público

• Iluminação Pública


• Serviço Público

• Consumo Próprio

• Estrutura Tarifária

No Brasil, há a divisão entre grupo A e grupo B, cada um com tarifas de energiaelétrica diferentes (ANEEL, 2005).

2.11.1.1 Tarifas grupo A

São as tarifas para consumidores atendidos pela rede de alta tensão, variando entre2, 3KV a 230KV . São seguidos de um número ou letra depois da A, indicando a tensãode fornecimento.

• A1 – tensão de 230kV ou mais

• A2 – tensão de 88 a 138kV

• A3 – tensão de 69kV

• A3a – tensão de 30 a 44kV

• A4 – tensão de 2,3 a 25kV

• AS – sistema subterrâneo

Dentro das tarifas do grupo A, há a divisão de acordo com o fornecimento: conven-cional, horo-sazonal azul e horo-sazonal verde. Convencional – essa estrutura tarifária écaracterizada pela aplicação de tarifas independentemente das horas de utilização do diae dos períodos do ano. Horo-sazonal - estrutura tarifária caracterizada pela aplicação detarifas de acordo com as horas de utilização dos dia e dos períodos do ano. O intuitodessa modalidade é motivar o consumidor a não consumir energia nos horários de ponta(18 e 21h), mas sim nos períodos chamados úmidos do ano. Obviamente, nos períodosúmidos a tarifa da energia elétrica e menor que no período seco. Divide-se em azul e verde.Horo-sazonal azul – Obrigatoriamente essa tarifa é aplicável aos consumidores atendidospelo sistema elétrico interligado e com tensão de fornecimento igual ou superior a 69kV(ANEEL, 2005).

A estrutura da tarifa horo-sazonal azul referente a demanda de potência em (R$/kW )é apresentada a seguir:

• Um valor para o horário de ponta (P)

• Um valor para o horário fora de ponta (FP)

2.11. Tarifas de Energia Elétrica 45

Consumo de energia (R$/MWh):

• um valor para o horário de ponta em período úmido (PU)

• um valor para o horário fora de ponta em período úmido (FPU)

• um valor para o horário de ponta em período seco (PS)

• um valor para o horário fora de ponta em período seco (FPS)

Horo-Sazonal Verde – Obrigatoriamente, essa tarifa é aplicável aos consumidores aten-didos pelo sistema elétrico interligado com tensão de fornecimento inferior a 69kV e de-manda contratada igual ou superior a 300KW (ANEEL, 2005).

A estrutura da tarifa horo-sazonal verde é apresentada a seguir onde a demanda depotência (R$/kW ) tem valor único.

Consumo de energia (R$/MWh):

• Um valor para o horário de ponta em período úmido (PU).

• Um valor para o horário fora de ponta em período úmido (FPU).

• Um valor para o horário de ponta em período seco (PS).

• Um valor para o horário fora de ponta em período seco (FPS).

2.11.1.2 Tarifas grupo B

Tarifas destinadas aos consumidores atendidos em tensão inferior a 2.3kV e suas res-pectivas classes e subclasses do grupo B:

• B1- referente ao consumidor residencial e residencial baixa renda;

• B2 – referente ao consumidor de área rural, abrangendo diversas subclasses comoagropecuária, indústria rural;

• B3 – Classes comercial, industrial, poder público, serviço público e consumo próprio;

• B4 – Classe iluminação pública. A classe B4 divide-se em dois subgrupos: B4ae B4b. O B4a é utilizada quando a manutenção do sistema ocorre a cargo dasprefeituras. E o B4b quando a responsabilidade pela manutenção do sistema deiluminação pública cabe a distribuidora. (ANEEL, 2005)

O presente trabalho utilizará como referência a tarifa B4. Mais precisamente subgrupoB4a.


2.12 Termos Luminotécnicos

2.12.1 Fluxo luminoso (lm)

O fluxo luminoso pode ser entendido como a quantidade de energia radiante em todasas direções, emitida por unidade de tempo, e avaliada de acordo com a sensação luminosaproduzida. A unidade de medida é o lúmen (lm) (ENERGIA, 2012).

2.12.2 Eficiência luminosa (lm/W)

A eficiência luminosa é a relação entre o fluxo luminoso emitido pela potência elétricaabsorvida, sendo a unidade de medida o lúmen por Watt (lm/W). Este conceito é utilizadopara comparar a diferentes fontes luminosas (ENERGIA, 2012).

2.12.3 Iluminamento ou iluminância (lux)

Iluminância é a densidade de fluxo luminoso recebido por uma superfície. Por definiçãoa unidade de medida é o lúmen por metro ao quadrado (lm/m2), que pode ser denominadatambém de lux. A verificação deste parâmetro é fundamental para comprovar a qualidadeda iluminação de um determinado local (ENERGIA, 2012).

2.12.4 Fator de uniformidade

O fator de uniformidade é uma relação entre a iluminância mínima e a média de umadeterminada área. Resulta em um valor adimensional variando entre zero e a unidade,que indica como está a distribuição da luminosidade na superfície aferida (ENERGIA,2012).

2.12.5 Linha isocandela

A linha isocandela é a linha traçada em uma esfera imaginária, com a fonte de luzocupando o seu centro. Esta linha liga todos os pontos correspondentes aquelas direçõesnas quais as intensidades luminosas são iguais. Usualmente a representação é feita em umplano (ABNT, 2012).

2.13. Viabilidade Econômica e Financeira 47

2.12.6 Linha isolux

A linha isolux é o lugar geométrico dos pontos de uma superfície onde a iluminânciatem o mesmo valor (ABNT, 2012).

2.13 Viabilidade Econômica e Financeira

A escolha dentre as opções disponíveis que deve-se fazer para se investir dependesomente da análise dos recursos: entrada e de saída. Se houve lucro trata-se então deviabilidade (SETOR, ).

A análise de investimentos busca por meio de técnicas avançadas, com o auxílio daestatística e da matemática financeira, uma solução eficiente para uma determinada si-tuação problema. Para isso, é necessário dominar o conceito e a aplicação de diversosindicadores para modelar uma estrutura que forneça os dados otimizados. O conceito e aaplicabilidade dos vários indicadores existentes na análise econômica e financeira, como oTIR (taxa interna de retorno), VPL (valor presente líquido), payback (período de retorno)e entre outros (MOTTA et al., 2009).

2.13.1 Payback

Também chamado de payout, ou tempo de recuperação do investimento este indicadoré utilizado como referência para julgar o nível de atratividade relativa das opções de inves-timento. Quanto maior o prazo de repagamento do empréstimo, menos interessante ele setorna ao empreendedor. Obviamente que esse prazo de payback é relativo. Investimentosde grande porte como aqueles ligados a infra-estrutura, como hidrelétricas e mineraçãopodem apresentar o intervalo de payback bem alongado. Este indicador não considerao valor do dinheiro e nem os fluxos líquidos após o período de recuperação. Analisa-seseparadamente a liquidez do investimento e ignora o valor dos recursos destinados a ma-nutenção. Pode ser calculado de forma simples, pela razão entre investimento e receitas(COSTA et al., 2003)

Payback = investimentoinicial/fluxodecaixa (2.6)

2.13.2 Fluxo de caixa

O fluxo de caixa refere-se as atividades operacionais e financeiras. É a apreciaçãodas contribuições monetárias ao longo do tempo. De maneira simplificada, contemplatodas as entradas e saídas de caixa dos negócios. Pode ser complexo, podendo gerar


uma matriz do fluxo de caixa, onde nela será representado os fluxos de dinheiro ao longode um tempo estipulado, na maioria das vezes a linha horizontal diz respeito ao tempo,com vetores identificando os movimentos monetários. Convencionalmente, dividendos,receitas e economias da empresa são os fluxos positivos, e os gastos e aplicações, os fluxosnegativos. Costuma-se representar os fluxos positivos com vetores para cima e os fluxosnegativos com vetores para baixo (ROSS; WESTERFIELD; JAFFE, 2002).

2.13.3 Valor presente líquido

O valor presente líquido indica se o projeto em questão irá gerar valor aos empreen-dedores, caso haja valor positivo, é viável. Para se calcular o VPL de um projeto faz-se adiferença entre o saldo dos valores das entradas aos das saídas líquidas com desconto dosfluxos de caixa feito a uma taxa k determinada pelo TMA. Em caso de escolha dentrevários projetos disponíveis, aquele que apresentar maior valor de VPL é o mais indicadopara ser introduzido. (GALESNE; FENSTERSEIFER; LAMB, 1999).

49

3 Desenvolvimento

3.1 Descrição do Projeto de Iluminação com Sistema

OFF-GRIDComo foi comentado na introdução e na fundamentação teórica, o projeto de ilumina-

ção faz uso de um poste de iluminação com sistema fotovoltaica isolado da rede, ou seja,toda a demanda de energia elétrica consumida pelo sistema de iluminação será supridapela bateria que compõe o sistema, sendo que a bateria é carregada através do sistemafotovoltaico que integra o poste de iluminação.

Deste modo, o estudo do local em relação a insolação miníma para a viabilidade doprojeto será apresentado, em forma de gráfico de insolação e fotos do provavél local daimplantação do sistema de iluminação. O projeto tem como principal foco a iluminação delocalidades dentro do campus da Universidade Estadual de Londrina onde a iluminaçãopara os pedestres é precária ou inexistente. Sendo assim, utilizando a NBR 5101, cuja otema é iluminação pública, foi definido o tipo de via que o projeto atenderá e o respectivosistema de iluminação que poderá vir a ser instalado.

3.2 Irradiação solar em Londrina

Em sua grande totalidade, para o dimensionamento de sistemas fotovoltaicos de pe-quenos porte, como é o caso do sistema autônomo abordado nesse projeto, é aceitávelconfiar em dados solarimétricas já existentes. Encontram-se sites que esses dados podemser acessados gratuitamente. Sendo assim, o site utilizado para fornecer os dados foi oCentro de Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio Brito (CREESEB), dentro dosite o programa utilizado para obter a informação de é o Sundata.

Segundo Villalva e Gazoli (2012), o programa é fundamentado em um banco de dadosde valores de irradiação solar medidos por estações solarimétricas em cerca de 350 pontospelo Brasil e países vizinhos.

3.2.1 Interface de utilização do Sundata

Para a utilização da interface o usuário precisa ter conhecimento das coordenadasgeográficas do local desejado. A figura 14 representa a entrada de dados do Sundata para

50 Capítulo 3. Desenvolvimento

conseguir as médias mensais e anuais das irradiações solares diárias na cidade de Londrina.Para tal fim, utiliza-se a ferramenta Google Maps, com o propósito de obter as coordenadasda cidade de Londrina, ou seja, a latitude 23o19,18.0,,S e longitude 51o12,02.5,,O, emseguida, as respectivas coordenadas serão inseridas na tela de entrada de coordenadasgeográficas do Sundata.

Figura 14 – Tela de entrada de coordenadas geográficas do Sundata

Fonte: (CRESESB, 2017.)

A partir dos dados de latitude e longitude inseridos no programa Sundata, obteve-seo valor de insolação média mensal no plano inclinado, ou irradiação solar diária médiamensal no plano inclinado, a Figura 15 mostra os dados obtidos através do Sundata.

Figura 15 – Irradiação Solar no Plano Inclinado

Fonte: (CRESESB, 2017.)

3.3 Iluminação Pública

Segundo a NBR 5101 (2012) a iluminação pública tem como principal objetivo propor-cionar visibilidade para a segurança do tráfego de veículos e pedestres, de forma rápida,precisa e confortável. Os projetos de iluminação pública devem atender aos requisitosespecíficos do usuário, provendo benefícios econômicos e sociais para os cidadãos (ABNT,2012). Incluindo:

• redução de acidentes noturnos;

• melhoria das condições de vida, principalmente nas comunidades carentes;

• auxílio à proteção policial, com ênfase na segurança dos indivíduos e propriedades;

3.3. Iluminação Pública 51

• facilidade do fluxo do tráfego;

• destaque a edifícios e obras públicas durante à noite;

• eficiência energética.

3.3.1 Classificação das vias públicas

Por definição da NBR 5101 (2012), a via é uma superfície por onde transitam veículos,pessoas e animais, compreendendo pista, calçada, acostamento, ilha e canteiro central. Aclassificação de vias deve seguir as disposições previstas no Código de Trânsito Brasileiro,são intituladas como:

• Arterial;

• Coletora;

• Local;

• De ligação;

• Urbana;

• Especial.

A Figura 16, demonstra por meio de uma planta baixa, as respectivas classificaçõesdos tipos de vias. Sendo que o tipo que o projeto atenderá é classificado como uma viaespecial, ou seja, acessos para vias exclusivas de pedestres a jardins, praças, calçadões.


Figura 16 – Classificação das vias públicas

Fonte: (ABNT, 2012)

3.3.2 Classificação das vias para tráfego de pedestres

De acordo com a (ABNT, 2012), define-se a classe de iluminação para cada tipo de viapara tráfego de pedestres, iluminância média e fator de uniformidade mínimo para cadaclasse de iluminação.

Tabela 1 – Classes de iluminação para cada tipo de via

Descrição da via Classe de iluminaçãoVias de uso noturno intenso por pedestres

(por exemplo, calçadões, passeios de zonas comerciais) P1Vias de grande tráfego noturno de pedestres

(por exemplo, passeios de avenidas, praças, áreas de lazer) P2Vias de uso noturno moderado por pedestres

(por exemplo, passeios, acostamentos) P3Vias de pouco uso por pedestres

(por exemplo, passeios de bairros residenciais) P4Fonte: (ABNT, 2012)

Conforme analisado no local do projeto a via pode ser classificada como sendo a deuso noturno moderado por pedestres (por exemplo, passeios, acostamentos), diante disso,a classe de iluminação é a P4.

3.4. Local de Instalação do Projeto 53

3.4 Local de Instalação do Projeto

Após a classificação das vias públicas é apresentado o local escolhido para a provávelinstalação do poste solar como pode ser observado na Figura 17. O respectivo local estasituado ao lado do Centro de Tecnologia e Arquitetura (CTU), esta passagem é classificadasegundo a NBR5101 como uma via especial, que liga o estacionamento do CTU a umacasa que serve como um laboratório do curso de Arquitetura e Urbanismo.

Figura 17 – Local de Instalação do Projeto

Fonte: (Próprio Autor)

3.5 Cálculo da Iluminância e Fator de Uniformidade

Para o dimensionamento do equipamento de iluminação utiliza-se o fator de unifor-midade de iluminância, que é definido como a razão entre a iluminância mínima e ailuminância média em um plano especificado:

U = Emin

Emed

(3.1)

Sendo:Emin a iluminância mínima, e Emed a iluminância média.

O fator de uniformidade é definido como uma relação entre a iluminância mínima e amédia de uma determinada área. Resulta em um valor adimensional variando entre zeroe a unidade, que indica como está a distribuição da luminosidade na superfície aferida. Aequação que define o fator de uniformidade é:

Uo = Lmin

Lmed

(3.2)

Sendo:Lmin a luminância mínima e Lmed a luminância média.


Com isso, após a definição da classe de iluminação utilizando como referência a Tabela1, estabelecido a iluminância horizontal média e por consequência o fator de uniformidademínimo, como é mostrado na Tabela 2.

Tabela 2 – Iluminância média e fator de uniformidade mínimo para cada classe de ilumi-nação

Classe de iluminação Iluminância horizontal média Fator de uniformidade mínimoP1 20 0,3P2 10 0,25P3 5 0,2P4 3 0,2

Fonte: (ABNT, 2012)

Portanto, tendo como referência a (ABNT, 2012), sendo a via de instalação do projetodefinida como especial, obtém-se os valores de Emed.min = 10 lux e Umin = 0, 2.

3.6 Equações para o Dimensionamento das Baterias

Para realizar o dimensionamento do sistema fotovoltaico foi utilizado o método quea Universidade Federal de Lavras utiliza em seus curso de pós-graduação Assim, o di-mensionamento da bateria estacionária faz uso das equações descritas logo em seguida(CECHINEL DOUGLAS IHA YOSHIDA, ).

Ah = ConsumoTotal · AutonomiaTensaodaBateria · ProfundidadedeDescarga

(3.3)

Ah = ConsumoTotal

TensaodaBateria · ProfundidadedeDescargaNoite(3.4)

Onde:

• Capacidade (Ah)

• Consumo total (Wh/dia)

• Autonomia = Medida em dias, prevê um período sem insolação, normalmente variaentre 3 a 5 dias.

• Tensão da bateria utiliza-se 12V para sistemas pequenos.

• Profundidade de descarga no final da autonomia, geralmente adotado o valor 0,6para as baterias estacionárias.

• Profundidade da descarga no final de cada noite, quanto menor o valor maior a vidaútil da bateria. Adota-se 0,2 para uma vida útil estimada de 4 anos.

3.7. Cálculo para o Dimensionamento do Painel Solar 55

3.7 Cálculo para o Dimensionamento do Painel Solar

Para o dimensionamento do painel fotovoltaico utiliza-se a seguinte equação (CECHI-NEL DOUGLAS IHA YOSHIDA, ):

Wp = ConsumoTotal

HorasEquivalentesdeSolP leno · Fpp · Fps(3.5)

Onde:

• Wp potência mínima do gerador, ou seja, potência mínima necessária total dosmódulos fotovoltaicos para se gerar a energia demandada pelas cargas;

• Consumo Total (Wh/dia);

• Horas equivalentes de sol pleno, medido em horas/dia, valor retirado da Figura ??.Corresponde ao valor médio diário de insolação medido em horas de uma determi-nada região;

• Fpp, fator de perda de potência, ou seja, perdas devido ao fato da tensão da bateriaser inferior a tensão máxima de potência do módulo fotovoltaico;

• Fps, fator de perdas e segurança, refere-se as perdas do sistema devido a fatores comotemperatura de trabalho, tolerância na fabricação, poeira, degradação, sombrasocasionais ao longo do dia, desalinhamentos e etc. Geralmente adota-se 0.8 maspode variar entre 0 e 1 .

3.8 Dimensionamento do Controlador de Carga

Para dimensionar o controlador de carga é feito o cálculo das correntes dos painéis ea que será consumida e decidir pela mais alta, ou seja, o controlador deve ser definidopela corrente mais elevada. Caso a corrente supere a capacidade de um controladorpode-se dividir a instalação em duas ou mais linhas de energia (CECHINEL DOUGLASIHA YOSHIDA, ).

3.9 Compatibilidade com a Arborização

Para permitir uma melhor convivência entre a iluminação pública e a arborização, éapresentada uma equação que pode ser utilizada para desobstruir a iluminação na via.A equação considera os ângulos de máxima incidência de luz das luminárias nos sentidos


longitudinal e transversal da via, a sua altura de montagem e a distância da árvore (ABNT,2012).

A equação apresentada deve ser utilizada para auxiliar os planejadores municipais, asempresas de iluminação pública e os órgãos gestores da arborização urbana nas seguintessituações:

• na adequação dos sistemas existentes onde a posteação e as árvores já existam,permitindo definir a linha de poda dos ramos que comprometam a iluminação;

• na implantação de novos sistemas de iluminação em praças, vias e calçadões, auxi-liando na definição da posição dos postes e sua distância às árvores existentes;

• na implantação de novas árvores em praças, vias e calçadões, auxiliando na definiçãodas árvores em relação aos postes existentes.

Sendo assim, o cálculo para a desobstrução da iluminação em árvores no sentido lon-gitudinal e transversal da via, pode ser observado na figura 18.

Figura 18 – Método de cálculo de compatibilidade com a arborização

Fonte: (ABNT, 2012)

Em vista disso, a equação de desobstrução da iluminação em árvores no sentido lon-gitudinal e transversal é dado por:

Z = H − (A ·D) (3.6)

Onde:

3.10. Consumo de Iluminação Pública por Subsistema 57

• Z é a altura mínima de um galho;

• H é a altura de montagem da luminária;

• AL é igual a cotangente 75o, igual a 0,26 (ângulo de máxima incidência de luz parao sentido longitudinal);

• AT é igual a cotangente 60o, igual a 0,57 (ângulo de máxima incidência de luz parao sentido transversal);

• D é a distância mínima do galho de menor altura.

3.10 Consumo de Iluminação Pública por Subsistema

Segundo o anuário de estatístico de energia de 2017, a participação percentual noconsumo de energia na região sul do Brasil foi de 16,3%. Como pode ser observado naTabela 3:

Tabela 3 – Consumo iluminação pública por subsistema, região e UFs (GWh)

2012 2013 2014 2015 2016 ∆%(2016/2015) Part.% (2016)Brasil 12.916 13.512 14.043 15.334 15.035 -1,9 100

Sistemas Isolados 244 233 174 157 152 -3,2 1,0Norte 703 812 957 1097 1203 9,7 8,0

Nordeste 2469 2689 2821 2910 3035 4,3 20,2Sudeste/C.Oeste 7354 7555 7778 8810 8198 -6,9 54,5

Sul 2146 2224 2313 2359 2446 3,7 16,3Fonte: (EPE, 2017.)

Sendo assim, conforme o anuário o consumo de energia destinada para a iluminaçãopública no estado do Paraná no mês de dezembro foi de 12187GW/h, portanto, existeuma ligeira alta do consumo de energia elétrica destinada à iluminação pública.

3.11 Viabilidade Econômica e Financeira do Projeto

Para a análise de viabilidade econômica e financeira do projeto de implementação doposte solar, utilizou-se a ferramenta contida no pacote Office, o Excel. Dentro do Excelexiste a possibilidade de trabalhar com indicadores financeiros. Assim, utilizando asfunções de cunho financeiro para calcular o VPL do projeto. Para o respectivo trabalho,foi utilizado a função pronta da ferramenta excel para calcular o índice VPL. Conformedescrito na função do valor presente líquido, caso exista um fluxo de caixa (investimentoinicial) no princípio do primeiro período, como aconteceu neste projeto, este valor deveser adicionado ao valor retornado pela função VPL.

59

4 Resultados

4.1 Sistema de iluminação pública OFF-GRIDO foco desta pesquisa é o projeto de viabilidade da implantação do sistema de ilumi-

nação pública utilizando o sistema OFF-GRID, sendo que o resultado obteve-se com odimensionamento do sistema de iluminação pública de acordo com as normas da NBR5101.

Inicialmente, foi definido o provável local do sistema de iluminação OFF-GRID, eem seguida, foi elaborado o projeto de dimensionamento para suprir a necessidade deiluminação do respectivo local.

Por fim, foi feito o cálculo do tempo para que todo o sistema seja pago, ou melhor, ocálculo de paybeck do projeto.

4.1.1 Dimensionamento do poste solar

Segundo a classificação da NBR5101 a via escolhida que receberá o sistema de ilumi-nação é intitulada como via especial. A via especial como foi mostrado na figura 16 é umavia exclusiva para locomoção de pedestres em jardins, praças e calçadões. Com relação ascondições previamente levantadas, pôde-se escolher o poste solar que atende as definidaspela norma NBR 5101. Para convir com a norma deseja-se um equipamento que obedeçaos seguintes dados, Emed.min = 10 lux e Umin = 0, 2, deste modo, decidiu-se por utilizar oposte de iluminação solar da empresa Jovic Engenharia, como mostra a figura 19

60 Capítulo 4. Resultados

Figura 19 – Poste solar

Fonte: (JOVIC ENGEHARIA, 2016)

4.2 Componentes do poste solar

Com o poste solar escolhido, agora será apresentado o detalhamento dos componentesdo equipamento de iluminação OFF-GRID.

4.2.1 Luminária LED

Um dos principais elementos do poste solar, que define o dimensionamento, segundoas normas brasileiras regulamentares para iluminação pública, é a luminária. As especi-ficações deste componente encontra-se na Figura 20.

Figura 20 – Especificação da luminária de LED


4.2. Componentes do poste solar 61

Diante das características elencadas da luminária LED, pode-se descrever com maisafinco as seguintes especificações.

4.2.1.1 LED COB

A tecnologia de fabricação do LED que compõe esta luminária é o COB (chips onboard), uma nova tecnologia de encapsulamento que utiliza múltiplos chips de LED en-capsuladas em conjunto, formando um módulo de iluminação, que tem suas principaiscaracterísticas pautadas em:

• aperfeiçoamento da eficiência do LED;

• promove iluminação uniforme;

• as lâmpadas LED COB possuem um apelo estético forte.

4.2.1.2 Ângulo de irradiação

O ângulo de irradiação da luminária é uma particularidade em lâmpadas refletoras,em luminárias e projetores que se utilizam de material reflexivo para projetar a luz. Sendoos ângulos de irradiação definidos como 80o longitudinal em relação ao posicionamentoda luminária por 120o ou 140o transversal, consequentemente esses respectivos ângulosfornecem os gráficos referentes a potência luminosa e a luminância da luminária.

4.2.1.3 Fator de proteção do conjunto ótico

O fator de proteção do conjunto ótico é a proteção contra resíduos sólidos e líquidos,representados por dois números que acompanham a sigla. O primeiro dígito indica aproteção contra sólidos, e seu número máximo é 6. O segundo dígito mostra a proteçãocontra líquidos, e o número máximo é 8. O índice de proteção (IP) da luminária é oIP-66, ou seja, este número indica que a luminária é totalmente protegida contra poeirae contatos nas partes internas do involucro e protegida contra ondas do mar.

4.2.1.4 Índice de reprodução de cor (IRC)

O Índice de reprodução de cor (IRC), é a escala (de 0 a 100) utilizada para medir afidelidade de cor que a iluminação reproduz nos objetos. As lâmpadas com IRC na escalaentre 80 a 100 são as que reproduzem mais fielmente as cores vistas na decoração ou nosprodutos, independente da sua temperatura de cor (K).


4.3 Gráficos Apresentando a Potência Luminosa e

Luminância

A potência luminosa e luminância da luminária escolhida para o projeto, pode serobservada no respectivo gráficos da Figura 21, que é refrente a luminária, o qual condizcom os valores correspondentes ao tipo de via em que o projeto será implementado, nestecaso, já foi definido que a via é classificada como especial.

Figura 21 – Gráficos referentes a potência luminosa e luminância


4.4. Dimensionamento dos Equipamentos do Poste Solar 63

4.4 Dimensionamento dos Equipamentos do Poste So-

lar

Para o dimensionamento dos equipamentos que compõem o poste de iluminação foto-voltaico foi utilizado como base principal de cálculo a potência da luminária, sendo estapotência igual a 30W .

4.4.1 Bateria estacionária

Como foi apresentado, utilizando a potência da luminária e estimando o tempo deuso em 10h (dez horas), calcula-se o valor de Ah por meio da equação 3.4. Utiliza-se aprofundidade de descarga da bateria igual a 0, 2 do valor total da carga da bateria, a tensãode alimentação da luminária é 12V e o consumo total do equipamento durante o períodode tempo estimado é de 300Wh, assim a capacidade da bateria é 125Ah. Portanto, abateria estacionária escolhida que atende e supri o projeto é a Freedom DF500.

4.4.2 Módulo fotovoltaico

Para o dimensionamento do módulo fotovoltaico utiliza-se a equação 3.5, assim osdados para o dimensionamento são: o consumo total de 300Wh, as horas equivalentes desol pleno 6h, o Fpp = 0, 9 e o Fps = 0, 8. Portanto, o valor em watts pico (Wp) é de69,44, e deste modo, o equipamento escolhido para equipar o poste solar é um módulo de85Wp, da fabricante Komaes modelo KM(P)85.

4.4.3 Controlador de carga MPPT

Para o dimensionamento do controlador de carga utiliza-se a corrente de curto circuitodo módulo fotovoltaico, sendo esta corrente fornecida no manual do mesmo. Desta ma-neira, multiplica-se a Icc = 5, 1A (corrente de curto circuito) por um fator de segurançade 30%, logo a corrente é ICC30% = 6.63A. Portanto, o controlador de carga MPPT foiSCCM10-100 que suporta até 10A/100V .

4.5 Valor do Sistema OFF-Grid ao Longo de 20 Anos

O valor do sistema OFF-GRID foi analisado para um período de 20 anos porquetrata-se do tempo estimado de vida útil do módulo fotovoltaico. Nos demais componen-


tes principais do poste solar, será preciso efetuar a troca da bateria a cada 4 anos, ocontrolador a cada 10 anos e a luminária a cada 10 anos. A Tabela 4 mostra o valor a serdesembolsado para a substituição de cada equipamento em um período de 20 anos, assimcomo o custo total.

Tabela 4 – Custo de Substituição dos Equipamentos.

Componente Quantidade Preço Unitário (R$) Custo Total (R$)Painel Fotovoltaico 1 350,00 350,00Bateria Estacionária 5 240,00 1200,00

Controlador 2 500,00 1000,00Luminária 2 250,00 500,00

Custo Total(R$) 3050,00Fonte: (Próprio Autor)

Portanto, o valor calculado para a substituição dos equipamentos do poste solar giraem torno de R$3050, 00. Agora, adicionando o valor de R$4900, 00 referente a aquisiçãodo poste solar ao custo total no período de 20 anos tem-se o montante de R$7950, 00.

4.6 Cálculo do Custo em reais para uma Luminária

de 30W

Para o cálculo do custo em reais da luminária de 30w, utiliza-se o valor do KW/h forne-cido pela Companhia Paranaense de Eletricidade (COPEL), este valor pode ser observadona Tabela 5.

Tabela 5 – Tarifa da Iluminação Pública.

Convencional Resolução ANEEL No 2.255,de 20 de junho de 2017Tarifa em R/kWh Resolução ANEEL com Impostos:ICMS PIS/COFINS

B4b - Bulbo da Lâmpada 0,26433 0,41470Fonte: (COPEL, 2017.)

O consumo de energia da luminária com um tempo estimado de 10h por dia e 30dias por mês é de 9KWh ao mês. O valor do custo por mês de uma luminária de 30W,utilizando o valor do KWh sem impostos, é de R$2, 3789 por mês. Contabilizando osimpostos o valor foi de R$3, 7323. Ou seja, um aumento de 63, 73% no valor referenteao consumo de energia da luminária de 30W comparando os valores com imposto e semimposto.

4.7. Cálculo do VPL 65

4.7 Cálculo do VPL

Utilizando a taxa SELIC (Sistema Especial de Liquidação e Custódia) de 7% fornecidapelo Banco Central para efetuar o cálculo do VPL, tem-se um valor de −R$5.752, 76 comopode ser observado na Tabela 6.

Tabela 6 – VPL do Sistema OFF-GRID

Fonte: Próprio Autor

Conforme foi apresentado no trabalho, o resultado do VPL com um valor negativoinviabiliza o projeto pensando somente em retorno financeiro do mesmo.


4.8 Cálculo do Payback

Utilizando a equação 2.6, no período de 20 anos o gasto total com a iluminação conec-tada a rede elétrica será de R$895, 60, não sendo suficiente para quitar nem o valor dasbaterias que devem ser substituídas por volta de quatro anos. Portanto, não será possí-vel equiparar o valor do investimento, ou seja, ter um paybeck do sistema de iluminaçãoOFF-GRID.

4.9 Cálculo da compatibilidade com a arborização

Utilizando a equação 3.6 calculou-se a altura máxima em relação ao solo dos galhosdas árvores, para que estes galhos não interfiram na iluminação do poste solar. A alturada luminária em relação ao solo é de 5m, logo o valor da altura miníma do galho (Z) nosentido horizontal e transversal são de Zhorizontal = 9, 74m e Ztransversal = 7, 43m.

67

5 Discussões e Conclusões

Conforme foi apresentado, um sistema de iluminação pública utilizando um poste solarpara suprir a falta de iluminação no campus da Universidade Estadual de Londrina, temum custo inicial de R$4.900, 00. Todo esse valor inicial de investimento é destinado aaquisição do poste solar da empresa JOVIC Engenharia, já que este equipamento é o quemais se adequou a NBR5101, norma que regulamenta a iluminação pública.

Estimado um período de 20 anos e partindo da potência da luminária (30W), fez-se odimensionamento do painel fotovoltaico, da bateria estacionária e do controlador de carga.Para o painel fotovoltaico o dimensionamento apontou um valor de 85Wp que atende ademanda do sistema, já a bateria estacionária que atende o projeto é de 40Ah, por fim, ocontrolador de carga que gerencia a carga da bateria foi dimensionado para suportar umacorrente elétrica máxima de 10A.

O tempo de payback para esse formato de instalação, é alto, para isso, foi calculadoo VPL, que é um indicativo utilizado para apontar a viabilidade financeira do projeto.Assim, analisando o resultado do valor do presente líquido observou-se a inviabilidade doprojeto, levando em consideração somente o aspecto financeiro.

Agora verificando a viabilidade do projeto tendo como principal argumento a segu-rança que a iluminação irá trazer para o local e a conformidade com o ambiente deinstalação, torna-se o respectivo projeto viável, pois os postes solares por não precisaremde cabeamento para a conexão com a rede de energia elétrica, tem uma maior agilidadeno processo de instalação do mesmo. Sem a conexão com a rede elétrica o sistema nãotrará sobrecarga a rede existente perto do local do projeto.

A instalação do equipamento, contribuirá também para ser utilizado nos estudos dasáreas que fizeram parte do projeto, como luminotecnia, energia fotovoltaica aplicada àiluminação e sistemas fotovoltaicos autônomos.

Assim, pode-se concluir que a geração fotovoltaica autônoma pode ter um custo maiselevado, mas com o não consumo de energia da rede elétrica torna-se um atrativo para osprojetos de instalação dos poste solares.

5.1 Trabalhos Futuros

Esta pesquisa levou em consideração a aquisição do poste solar de uma empresa queo valor do mesmo está incluso no lucro da respectiva empresa. Assim, poderia ser consi-derado a montagem total de um poste solar utilizando materiais alternativos ou mesmoreutilizando materiais que não estejam sendo aproveitados dentro da Universidade Esta-

68 Capítulo 5. Discussões e Conclusões

dual de Londrina, fazendo com que o valor final do poste solar possa se tornar menor emais acessível.

69

Referências

ABNT, N. 5101. Iluminação Pública, 2012. 30, 46, 47, 50, 52, 54, 56

ANEEL, C. T. Tarifas de fornecimentos de energia eletrica. Agência Nacional de EnergiaElétrica–Brasília, 2005. 43, 44, 45

CARMINATO, L. P.; LEITE, G. T. D.; PAMBOUKIAN, S. V. D. Utilização de imagensde sensoriamento remoto em projetos de geoprocessamento. In: CONGRESSO ALICEBRASIL. [S.l.: s.n.], 2015. v. 5. 28

CECHINEL DOUGLAS IHA YOSHIDA, J. D. S. A. Aurélio cechinel douglas ihayoshida. 54, 55

CEPEL. Tutorial de Energia Solar Fotovoltaica. Companhia Paranaense de Energia,CRESESB. Disponível em: <http://www.cresesb.cepel.br/index.php?section=com_content&lang=pt&cid=321>. 32, 33

COPEL. Tarifa Convencional - subgrupo B4b. Companhia Paranaense de Energia,2017. Disponível em: <http://www.copel.com/hpcopel/root/nivel2.jsp?endereco=%2Fhpcopel%2Froot%2Fpagcopel2.nsf%2F5d546c6fdeabc9a1032571000064b22e%2Fc88b3866720272b90325768f005e60f4>. 64

COSTA, N. et al. Estudo de um modelo para análise prévia de viabilidade econômico-financeira de empreendimentos imobiliários em salvador. Monografia apresentada aoCurso de Especialização em Gerenciamento de Obras da Universidade Federal da Bahia,Salvador, 2003. 47

CRESESB. Potencial Solar - SunData. Cresesb, 2017. Disponível em: <http://www.cresesb.cepel.br/index.php?section=sundata>. 50

DEMOGRÁFICO, I. C. Instituto brasileiro de geografia e estatística. Acesso em, v. 4,n. 01, p. 2011, 2010. 25

EKOHOME. Tutorial de Energia Solar Fotovoltaica. Newhome, 2009. Disponívelem: <http://www.newhome.com.br/htmls/ekohome/Solar/Fotovoltaico/Cristalino/primeiros_passos_ger_fotovolt.htm1>. 34

ENERGIA, C.-C. P. de. Manual de iluminação pública. Paraná: COPEL Distribuição,2012. 46

EPE. Anuário Estatístico de Energia Elétrica. Empresa de Pesquisa Energética, 2017.Disponível em: <http://antigo.epe.gov.br//AnuarioEstatisticodeEnergiaEletrica/Forms/Anurio.aspx>. 57

EPE, E. d. P. E. Nota técnica dea 13/14: Demanda de energia 2050. Empresa PesquisaEnergética. Rio de Janeiro: EPE, 2014. 25

FOSTER, R.; GHASSEMI, M.; COTA, A. Solar energy: renewable energy and theenvironment. [S.l.]: CRC Press, 2009. 38, 39

http://www.cresesb.cepel.br/index.php?section=com_content&lang=pt&cid=321

http://www.cresesb.cepel.br/index.php?section=com_content&lang=pt&cid=321

http://www.copel.com/hpcopel/root/nivel2.jsp?endereco=%2Fhpcopel%2Froot%2Fpagcopel2.nsf%2F5d546c6fdeabc9a1032571000064b22e%2Fc88b3866720272b90325768f005e60f4



http://www.cresesb.cepel.br/index.php?section=sundata

http://www.cresesb.cepel.br/index.php?section=sundata

http://www.newhome.com.br/htmls/ekohome/Solar/Fotovoltaico/Cristalino/primeiros_passos_ger_fotovolt.htm1

http://www.newhome.com.br/htmls/ekohome/Solar/Fotovoltaico/Cristalino/primeiros_passos_ger_fotovolt.htm1

http://antigo.epe.gov.br//AnuarioEstatisticodeEnergiaEletrica/Forms/Anurio.aspx

http://antigo.epe.gov.br//AnuarioEstatisticodeEnergiaEletrica/Forms/Anurio.aspx

70 Referências

GALESNE, A.; FENSTERSEIFER, J. E.; LAMB, R. Decisões de investimentos daempresa. [S.l.]: Atlas, 1999. 48

JOHNSON CONTROLS. Catalogo técnico de baterias estacionárias Freedom.Bateria estacionária Freedom, 2017. Acesso em janeiro de 2018. Disponívelem: <https://www.neosolar.com.br/media/pdf/manuais/Freedom_Baterias_Estacionarias_especificacoes_tecnicas_pt.pdf>. 38, 40

JOVIC ENGEHARIA. Poste solar JPV-30 Especificações. Jovic, 2016. Acesso emoutubro de 2017. Disponível em: <https://www.jovic.eco.br/postesolarf>. 60, 62

LUQUE, A.; HEGEDUS, S. Handbook of photovoltaic science and engineering. [S.l.]:John Wiley & Sons, 2011. 31, 32, 33

MELOS, A. EFEITO FOTOVOLTAICO X PAINEL FOTOVOL-TAICO. Enova energia, 10 de Agosto, 2015. Acesso em: outubrode 2017. Disponível em: <http://www.enovaenergia.com.br/blog/post/entenda-o-que-influencia-a-geracao-do-seu-sistema-solar>. 30

MOTTA, R. D. R. et al. Engenharia econômica e finanças. [S.l.]: Elsevier Brasil, 2009.47

PINHO, J. T.; GALDINO, M. A. Manual de engenharia para sistemas fotovoltaicos. Riode Janeiro: CEPEL, 2014. 36

ROSS, S. A.; WESTERFIELD, R. W.; JAFFE, J. F. Corporate Finance. [S.l.]: theMcGraw-Hill Companies, 2002. 48

SETOR, M. P. F. para o. da construção civil. Texto Técnico, v. 11. 47

SIMõES, F. entenda o que influencia a geração do seu sitema solar. Paraíba solar,9 de fevereiro, 2017. Disponível em: <http://www.paraibasolar.com.br/2017/02/09/efeito-fotovoltaicopainel-fotovoltaico/>. 29

SOLAR, P. Processo de Fabricação de Painéis Fotovoltaicos. Postal So-lar, 9 de fevereiro, 2017. Disponível em: <https://www.portalsolar.com.br/passo-a-passo-da-fabricacao-do-painel-solar.html>. 31

VILLALVA, M. G.; GAZOLI, J. R. Energia solar fotovoltaica: conceitos e aplicações.São Paulo: Érica, 2012. 27, 28, 29, 30, 34, 35, 37, 40, 41, 42, 43

https://www.neosolar.com.br/media/pdf/manuais/Freedom_Baterias_Estacionarias_especificacoes_tecnicas_pt.pdf

https://www.neosolar.com.br/media/pdf/manuais/Freedom_Baterias_Estacionarias_especificacoes_tecnicas_pt.pdf

https://www.jovic.eco.br/postesolarf

http://www.enovaenergia.com.br/blog/post/entenda-o-que-influencia-a-geracao-do-seu-sistema-solar

http://www.enovaenergia.com.br/blog/post/entenda-o-que-influencia-a-geracao-do-seu-sistema-solar

http://www.paraibasolar.com.br/2017/02/09/efeito-fotovoltaicopainel-fotovoltaico/

http://www.paraibasolar.com.br/2017/02/09/efeito-fotovoltaicopainel-fotovoltaico/

https://www.portalsolar.com.br/passo-a-passo-da-fabricacao-do-painel-solar.html

https://www.portalsolar.com.br/passo-a-passo-da-fabricacao-do-painel-solar.html

71

ANEXO A – Poste Solar

Poste solar JPV-30

Especificações

Luminária LED

Fonte de Luz: LED COB (chip on board) Tensão de alimentação: 12VCC

Ângulo de irradiação: 80o x 140o ou 120o Fator de potência: > 0,98

Fluxo luminoso efetivo (lm): 2.924 Fator de proteção conj ótico: IP-66

Potencia nominal: 30W IRC (Índice Reprodução Cor): 80

Temperatura de cor: 6.500K ou 5.000K Proteção do LED: vidro borossilicato

Temperatura de operação: -30 a 50oC Peso aproximado: 5,2 kg

Características gerais

Dimensionados para 8h ou 12h de operação, com autonomia de 3 dias.

Eficiência energética – Lâmpadas LED de alta eficiência. As lâmpadas são de fabricação nacional, garantindo desta maneira assistência técnica adequada e suporte do fabrican-te.

Economia na operação – A energia para a iluminação é apenas a luz do sol.

Economia na instalação – Não há necessidade de ligação à rede elétrica, diminuindo os custos de instalação.

Baixo custo de manutenção – As lâmpadas LED possuem vida útil de 50.000 horas e os painéis vida útil superior a 25 anos. Não há componentes móveis e os demais componen-tes, por serem eletrônicos, apresentam baixa manutenção.

Bateria – Utilizamos baterias estacionárias de grande durabilidade.

Controle de luminosidade (opcional) – Um exclusivo sistema com sensores de presença aumenta a luminosidade do poste sempre que há presença humana ou de veículos, per-mitindo desta maneira economia da bateria.

foto meramente ilustriativa

Características Luminotécnicas (Ângulo irradiação 80o x 140o, temperatura de cor 6.500K)

H=5m H=6m H=7m

Sujeito a alteração sem aviso prévio.

Consulte nossa engenharia de aplicação para outras alternativas

Desenho ilustrativo. Há outras alter-

nativas de instalação disponíveis

73

ANEXO B – Módulo Solar

SPECIFICATION SHEET

NINGBO KOMAES SOLAR TECHNOLOGY CO., LTD.Add: Jifeng Road, Jishigang Industrial Zone, Yinzhou District, Ningbo, ChinaTel: 0086-574-8802 0999 Fax: 0086-574-8803 6555E-mail: [email protected] Http:// www.komaes-solar.com

SOLAR MODULE – KM(P)85

ELECTRICALELECTRICALELECTRICALELECTRICALCHARACTERISTICSCHARACTERISTICSCHARACTERISTICSCHARACTERISTICS

Model Number KM(P)85

Maximum Power Pmax(W) 85

Power Tolerance % ±5%

Maximum Power Voltage Vm(V) 18.1V

Maximum Power Current Im(A) 4.7A

Open Circuit Voltage Voc(V) 21.63V

Short Circuit Current Isc(A) 5.1A

Maximum System Voltage VDC 750V

Cell Efficiency % 15.20

Module Efficiency % 12.76

Cells per Module Pcs 36

Cell Type Polycrystalline silicon

Cell Size mm 156 x 94

Temperature coefficient of Isc %/℃ +0.05

Temperature coefficient of Voc %/℃ -0.35

Temperature coefficient of power %/℃ -0.47

NOCT (Nominal operating cell temperature) ℃ 47 ± 2

Operating Temperature ℃ -40 ～ +85

MECHANICALMECHANICALMECHANICALMECHANICALCHARACTERISTICSCHARACTERISTICSCHARACTERISTICSCHARACTERISTICS

Dimensions mm 940 x 680 x 35

Weight Kg 7.9

Type of Junction Box TUV certified, IP65

Cable Type, Diameter Without

Connector Without

Tempered Glass 3.2 mm, high transmission, low iron

*STC*STC*STC*STC Conditions:Conditions:Conditions:Conditions: Radiation of 1000W/m2, AM1.5 spectrum , cell temperature of 25℃.

75

ANEXO C – Bateria Estacionária

76 ANEXO C. Bateria Estacionária

81

ANEXO D – Controlador de

Carga

1OutBack reserves the right to make changes to the products and information contained in this document without notice. Copyright © 2017 OutBack Power. All Rights Reserved. OutBack is a registered trademark of The Alpha Group.

SmartHarvest by OutBack products are aimed at meeting the growing global demand for value-orientated, low power-range renewable energy system components.

www.smartharvestbyoutback.com03/2017

SCCM10-10010 A /100 V M P P T C H A R G E CO N T R O L L E R

Product Description

The most economical means of integrating Maximum Power Point Tracking (MPPT) technology into any PV system.

SmartHarvest’s mission is to make the advanced technologies usually associated with premium PV energy systems available to users regardless of their system sizes or budgets. The SCCM10-100 accomplishes this goal by placing MPPT charge controller capability within the reach of a much wider application base, ensuring higher system yeilds at the power and size levels where that advantage can make the most difference.

By maxmizing solar energy harvesting under a wider variety of environmental conditions, MPPT technology helps the system extract as much electricity as possible for more effective energy storage—making the innovative SCCM10-100 ideal for use in efficiency-driven applications that can benefit from improved advanced charger technology.

Product Highlights

• 10A/100V MPPT charge controller for off-grid and grid-connected PV systems with energy storage

• MPPT charge controller ensures maximum yield from available solar energy

• Integrated LED display

• Backed by OutBack Power’s global sales and support network

Models: SCCM10-100Maximum Output Current (I) 10

Minimum Load Current 0.25A

Nominal Battery Voltages 12 / 24

Input Panel Power (Wp) 150 / 300

Panel Intelligence MPPT

Maximum Input Voltage 100VOC

Charging Regulation Four stages: bulk, absorb, float and equalize

Bulk Voltage* Flooded: 14.8VDC / 29.6VDC VRLA: 14.6VDC / 29.2VDC

Absorb Voltage* Flooded: 14.8VDC / 29.6VDC VRLA: 14.4VDC / 28.8VDC

Absorb Time* 2 hours

Float Voltage* Flooded: 13.2 VDC / 26.4 VDC VRLA: 13.5 VDC / 27.0 VDC

Equalization Voltage (Flooded Batteries Only)* Flooded: 15.5 VDC / 31.0 VDC

Equalization Time* 1 hour

State of Charge Low Voltage Disconnect* 11.4V / 22.8V

Low Battery Load Reconnect* 12.4VCD / 24.8VCD

High Battery Load Disconnect 15.3VCD / 30.3VCD for 12V / 24V battery banks

Temperature Compensation -25mV / 5°C / Cell

Battery Type Selection VRLA/flooded selectable via jumper, factory default VRLA (jumper inserted)

Data Logging Internal data logging up to one week, longer data logging available with monitoring software

Self-Consumption (Asleep/Awake) 14mA / 80mA

Peak Efficiency 97%

Display 3 LEDs

IP Class IP20

Operating Temperature Range (°C) -40 to 60

Humidity 0-95% RH non-condensing

Dimensions H x W x D (in/cm) 4.3 x 7.8 x 1.8 / 11.0 x 19.7 x 4.5

Weight (lb/kg) 1.10 / 0.50

Certifications CE, IEC/EN 62109-1

Warranty Standard 2 year

* Item is settable with communication interface. Consult battery manufacturer for specific charger settings.

EstudodeViabilidadeparaInstalaçãode ... · Engenharia Elétrica da Universidade Estadual ......

Documents

Transcript of EstudodeViabilidadeparaInstalaçãode ... · Engenharia Elétrica da Universidade Estadual ......