Pf Pt1 - Mét. Para Levant. Do Potencial Energético Solar Em Campus Universitario

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARAN CURSO DE ENGENHARIA ELTRICA

LUIZA BEANA CHIPANSKY FREIRE

MTODO PARA LEVANTAMENTO DO POTENCIAL ENERGTICO SOLAR EM CAMPUS UNIVERSITRIO

CURITIBA 2013

LUIZA BEANA CHIPANSKY FREIRE

MTODO PARA LEVANTAMENTO DO POTENCIAL ENERGTICO SOLAR EM CAMPUS UNIVERSITRIO

Trabalho de Concluso de Curso apresentado ao Curso de Graduao em Engenharia Eltrica da Universidade Federal do Paran, como requisito parcial obteno do ttulo de Engenheira Eletricista.

Orientador: Prof. Dr. James Alexandre Baraniuk

CURITIBA 2013

RESUMO

A instalao de painis fotovoltaicos em sistemas de gerao distribuda apresentam vrios benefcios, principalmente se o pico de demanda da edificao encontra-se nos horrios de maior gerao desse sistema. Porm so vrios os fatores a se levar em conta para determinar a eficincia de um sistema distribudo, um destes o potencial de radiao solar da regio a serem instalados os painis. Neste trabalho apresenta-se um mtodo para o levantamento do potencial energtico solar dos telhados das edificaes do campus Centro Politcnico da Universidade Federal do Paran. Para o levantamento do potencial foram realizadas algumas consideraes quanto aos tipos de instalao e posicionamentos dos painis, a fim de se definir quais as reas propcias para as instalaes dos mesmos. Ao final foi catalogado um total de aproximadamente 44.000 m2 de reas de telhados com um potencial anual de mais de 8 GWh, suplantando com sobra o consumo do campus. Para melhor visualizao das informaes coletadas, as mesmas foram processadas e georeferenciadas. Na sequencia, os dados obtidos foram inseridos em um mapa do campus Centro Politcnico.

Palavras-chave: energia solar fotovoltaica, painis fixos, potencial energtico.

SUMRIO

1 INTRODUO ........................................................................................................ 8 1.1 PROBLEMATIZAO......................................................................................... 12 1.2 OBJETIVOS ........................................................................................................ 12 1.2.1 Objetivo Geral ............................................................................................... 12 1.2.2 Objetivos Especficos................................................................................... 13 1.3 PROCEDIMENTOS METODOLGICOS ........................................................... 13 1.4 ESTRUTURA DA MONOGRAFIA ....................................................................... 15 2 CONCEITOS INICIAIS .......................................................................................... 16 2.1 MTODOS PARA AVALIAO DO POTENCIAL DE TELHADOS .................... 16 2.1 IRRADINCIA SOLAR DIRETA, DIFUSA E GLOBAL ........................................ 17 2.2 POSICIONAMENTO DOS PAINIS SOLARES ................................................. 19 2.3 MOVIMENTOS DO SOL EM RELAO TERRA ............................................ 20 2.4 ORIENTAO E INCLINAO DO PAINEL FOTOVOLTAICO ......................... 22 2.5 EMISSO DE GS CARBNICO NA ATMOSFERA ......................................... 26 2.6 INSTALAO DE PAINIS SOLARES .............................................................. 27 2.7 CUSTOS E INCENTIVOS FISCAIS .................................................................... 31 2.7.1 Viabilidade de sistemas fotovoltaicos no Brasil ........................................ 31 2.7.2 Incentivos e estratgias para insero de fonte solar............................... 33 3 POTENCIAL SOLAR DO CAMPUS CENTRO POLITCNICO ............................ 36 3.1 CARACTERSTICAS DOS TELHADOS ............................................................. 36 3.1.1 rea til ......................................................................................................... 36 3.1.2 Potencial global horizontal e inclinado ....................................................... 37 3.1.3 Inclinao, direo e tipos de telhados ...................................................... 39 3.1.4 Emisso de Gases do efeito estufa ............................................................. 39 3.2 ESTACIONAMENTOS ........................................................................................ 40 3.2.1 rea til ......................................................................................................... 40 3.2.2 Potencial Solar .............................................................................................. 40 3.3 CONSUMO X GERAO DE ELETRICIDADE .................................................. 40 3.4 INFORMAES GEOPROCESSADAS ............................................................. 42 3.5 CONSIDERAES FINAIS ................................................................................ 43 4 CONCLUSES ..................................................................................................... 46 APENDICE I .............................................................................................................. 48

APENDICE II ............................................................................................................. 64 APENDICE III ............................................................................................................ 65 5 BIBLIOGRAFIA .................................................................................................... 66

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NDICE DE FIGURAS

Figura 1- Capacidade instalada acumulada global 2011 (MW;%). .............................. 8 Figura 2 - Radiao solar global diria - mdia anual tpica na Alemanha. ................. 9 Figura 3 - Radiao solar global diria - mdia anual tpica no Brasil. ........................ 9 Figura 4 Escaneamento de reas por processos LIDAR. ...................................... 16 Figura 5 Parcelas da radiao global: radiao direta, radiao difusa e radiao refletida das superfcies do entorno. ......................................................................... 18 Figura 6 - O sol se posiciona em uma altura maior no vero e menor no inverno devido inclinao do eixo da Terra. ........................................................................ 20 Figura 7 Variao do ngulo durante o movimento de translao da Terra. ngulos ao norte do equador so considerados positivos e ngulos ao sul negativos. .......... 21 Figura 8 rbita da Terra em volta do Sol com os planos do equador, o plano eclptico e o ngulo formado por eles, a declinao solar, . .................................... 22 Figura 9 Comparao das variaes do fluxo de radiao solar anual mdio mensal com diferentes ngulos de inclinao ........................................................... 23 Figura 10 Comparao da diferena do fluxo de radiao solar mensal para diferentes ngulos de inclinao ............................................................................... 23 Figura 11 Comparao dos valores de fluxo de radiao anual mdio mensal para diferentes orientaes ............................................................................................... 24 Figura 12 - Nesta tela do programa Radiasol2 escolhemos a cidade de Curitiba para fazermos a anlise e pedimos ao programa para sugerir uma inclinao, 38. ........ 25 Figura 13 Tela do Radiasol2 com o grfico das radiaes na latitude de Curitiba e inclinao de 38 em direo ao norte verdadeiro. Pode-se escolher mostrar dados anuais ou mensais. ................................................................................................... 25 Figura 14 - Exemplo de instalao de painis em telhados angulares e planos ....... 27 Figura 15 - Painis solares utilizados em estruturas de sombreamento para estacionamentos. ...................................................................................................... 28 Figura 16 - Exemplo de instalao como marquises de prdios. .............................. 28 Figura 17 - Telhados irregulares. .............................................................................. 29 Figura 18 - Iluminao pblica. ................................................................................. 29 Figura 19 - Sistema fotovoltaico integrado ao envoltrio da edificao do Departamento de Engenharia Mecnica da UFSC. .................................................. 30 Figura 20 Sistema fotovoltaico como cobertura de estacionamento no IEE/USP. . 30

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Figura 21 Indicadores de viabilidade sistemas de baixa tenso............................. 32 Figura 22 - Indicadores de viabilidade de sistemas de alta tenso ........................... 33 Figura 23 - Alguns obstculos considerados para calcular a rea til dos telhados . 37 Figura 24 Perfis de telhado com formas peculiares considerados para instalaes de painis diretamente norte. ................................................................................. 39 Figura 25 Grfico do potencial gerado pelos painis considerando as condies 1,2 e 3 de incidncia dos raios nos painis. .............................................................. 41 Figura 26 Grfico do consumo de eletricidade do Campus Centro Politcnico da Universidade Federal do Paran. .............................................................................. 41 Figura 27 Diagrama dos Processos de Avaliao do Potencial Solar do Campus Universitrio .............................................................................................................. 44

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NDICE DE TABELAS

Tabela 1 Custos que compe a instalao fotovoltaica no Brasil ........................... 31 Tabela 2 Simulao de faturamento mensal residencial com e sem GD. .............. 35 Tabela 3 Tabela da relao consumo versus gerao de energia eltrica mensal considerando caso ideal. ........................................................................................... 42

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1 INTRODUO

A histria da utilizao de fonte luminosa para gerao de energia eltrica remonta de 1839, quando o jovem fsico francs Alexandre Edmond Becquerel acidentalmente descobriu o efeito fotovoltaico. Desde ento incansavelmente foram feitas pesquisas para desenvolver tecnologias que utilizassem essa fonte de gerao de energia tendo hoje uma crescente participao na matriz energtica mundial, j com 69 GW de capacidade instalada. Vemos na Figura 1 que os pases que mais fazem uso da gerao de energia por fonte solar so Alemanha, Itlia e Japo.

Figura 1- Capacidade instalada acumulada global 2011 (MW;%). Fonte: (UMME e WHEELER, 2008)

Tomando o exemplo da Alemanha, o lder mundial em gerao de energia por fonte solar, podemos dizer que o uso dessa energia bem atrativo em comparao a outras fontes de energia. Hoje suas plantas solares produzem diariamente energia equivalente a 20 plantas nucleares, em outras palavras podemos trocar uma fonte de energia que demanda um alto investimento de instalao e manuteno por uma fonte alternativa de energia com baixo nvel de poluentes no meio ambiente e nesse caso com custos menores.

Apesar de o Brasil ainda ter uma baixa participao na gerao de energia eltrica por fonte solar h previso de um aumento do uso dessa tecnologia em sua matriz energtica, pois possui caractersticas naturais favorveis, tais como, altos nveis de insolao e no possui a caracterstica de invernos com neve, que requerem maiores investimentos em manuteno.

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Figura 2 - Radiao solar global diria - mdia anual tpica na Alemanha. Fonte:(EPIA - Europian Photovoltaic Industry Association)

Figura 3 - Radiao solar global diria - mdia anual tpica no Brasil. Fonte:(ANEEL, 2005)

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Observando as Figura 2 e Figura 3 podemos fazer um comparativo do potencial energtico entre a Alemanha e o Brasil, vemos que a rea com menor potencial solar no Brasil 4,5 kWh/m2.dia enquanto que a Alemanha possui apenas um mximo de 1,3 kWh/m2.dia. Conclumos que o Brasil possui em todas as suas regies potencial solar energtico suficiente para gerao de energia eltrica por fonte solar.

H duas formas de realizar a gerao de energia eltrica por fonte solar: gerao concentrada e gerao distribuda, a previso [no Brasil] adotar o modelo de gerao distribuda De acordo com Roberto Meira Junior, coordenador-geral de Fontes Alternativas e Renovveis do Ministrio das Minas e Energia (MME)(EPE- EMPRESA DE PESQUISA ENERGTICA, 2012).

Isso se explica pelo fato de que a gerao solar centralizada ainda se mostra cara demais para a realidade brasileira, com um custo estimado de R$ 300 a R$ 400 por megawatt-hora ante cerca R$ 100 cobrados, hoje, pela energia elica a gerao distribuda j pode ser economicamente compensadora em algumas partes do Brasil (EPE- EMPRESA DE PESQUISA ENERGTICA, 2012).

Pode-se definir a Gerao Distribuda (GD) como a gerao eltrica realizada junto ou prxima do(s) consumidor(es) independente da potncia, tecnologia e fonte de energia. As tecnologias de GD tm evoludo para incluir potncias cada vez menores.

A instalao de sistemas de gerao distribuda ainda no vivel em todo o territrio brasileiro, porm h vrios esforos em prol de promover a eficincia energtica no Brasil.

A fim de analisar as possveis contribuies da gerao distribuda para o pas o INEE (Instituto Nacional de Eficincia Energtica), atravs do FRUM de COGERAO e GERAO DISTRIBUDA levantou as vantagens para realizar a sua conexo ao sistema de distribuio.

Um resumo das concluses dos benefcios da gerao distribuda: a) Atendimento mais rpido ao crescimento da demanda (ou demanda

reprimida) por ter um tempo de implantao inferior ao de acrscimos gerao centralizada e reforos das respectivas redes de transmisso e distribuio;

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b) Aumento da confiabilidade do suprimento aos consumidores prximos gerao local, por adicionar fonte no sujeita a falhas na transmisso e distribuio;

c) Reduo das perdas na transmisso e dos respectivos custos, e adiamento no investimento para reforar o sistema de transmisso;

d) Reduo dos investimentos: - para implantao, inclusive os das concessionrias para o suprimento de

ponta, dado que este pode passar a ser compartilhado (peak sharing); - em certos casos, tambm para reservas de gerao, quando estas puderem

ser alocadas em comum; e) Reduo dos riscos de planejamento do sistema; f) Reduo de impactos ambientais da gerao, pelo uso de energia elica

ou solar e - na gerao trmica - quando forem usados combustveis menos poluentes (como o gs natural), quando houver melhor utilizao dos combustveis tradicionais e, em certos tipos de cogerao, com a eliminao de resduos industriais poluidores;

g) Benefcios gerais decorrentes da maior eficincia energtica obtida pela conjugao bem coordenada da gerao distribuda com a gerao centralizada, e das economias resultantes.

Mais recentemente a ANEEL (Agncia Nacional de Energia Eltrica) aprovou no dia 17 de abril de 2012 as resolues normativas 481 e 482, que inserem medidas no sentido de reduzir barreiras econmicas e burocrticas para o desenvolvimento dessa fonte de energia.

Porm ainda faltam incentivos em mbito nacional para que a gerao distribuda, utilizando a energia solar, seja vivel em todo o territrio brasileiro. No Brasil apenas em 15% de seu territrio vivel a implantao de sistemas de gerao distribuda para casas e pequenos usurios, isso porque o alto custo da energia eltrica nesses lugares possibilita que a construo desse sistema tenha um custo atrativo (UCHA, 2012).

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1.1 PROBLEMATIZAO

Uma das primeiras aes a serem realizadas antes da instalao de um sistema de GD com painis fotovoltaicos deve ser medir a quantidade de radiao incidente e verificar a rea de instalao do painel. Com essas informaes pode-se tanto aumentar a eficincia de um sistema GD, para determinada regio e perfil de carga, como tambm predizer a sua viabilidade em casos que h uma direo e angulao pr-definidas, como em telhado de casas. No se considera agora os painis seguidores solar e sim apenas os painis fixos, pois o custo inicial e o de manuteno do sistema, deve compensar o aumento de capacidade de captao para sistemas de baixa potncia, e esse estudo no objetivo deste trabalho.

Existem poucos estudos para orientar a instalao dos painis de acordo com a irradiao disponvel e com o perfil do consumidor. Outra questo a falta de manuais e referncias de montagem e instalao para que o painel seja o mais eficiente.

Quanto aos estudos existentes, ainda em sua maioria no consideram a realidade brasileira a qual se difere bastante, por exemplo, em alguns aspectos relativos ao clima, s arquiteturas de construes e ao posicionando meridional, pois os pases onde mais amplamente estudado o posicionamento do sol e a incidncia dos raios solares na superfcie terrestre so os pases localizados a norte da linha do equador.

1.2 OBJETIVOS

1.2.1 Objetivo Geral

Este trabalho visa propor uma metodologia de levantamento do potencial energtico para a instalao de painis solares em telhados do Centro Politcnico da Universidade Federal do Paran. A metodologia servir de base para a realizao de projetos relacionados implantao de sistemas de Gerao Distribuda em campi universitrios.

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1.2.2 Objetivos Especficos

Os objetivos especficos do trabalho so:

a) Propor um mtodo para o levantamento do potencial energtico de telhados de um campus universitrio, a partir dos dados de entrada como posicionamento do painel e a radiao global horizontal mdia mensal;

b) Apresentar recomendaes para a instalao de painis solares em telhados visando o melhor aproveitamento do potencial incidente no local;

c) Disponibilizar o potencial energtico do Centro Politcnico em plataforma de georeferenciamento, utilizando o ARCGIS;

d) Realizar a simulao do potencial energtico mensal utilizando bases de dados com histrico de irradiao solar;

e) Realizar o levantamento terico das metodologias e dos estudos de avaliao de potencial energtico no uso de painis fotovoltaicos em telhados.

1.3 PROCEDIMENTOS METODOLGICOS

Inicialmente pesquisaram-se os mtodos existentes de avaliao do potencial solar de telhados e tambm quais os parmetros que influenciavam na eficincia de um sistema GD fotovoltaico.

Pode-se definir assim, os critrios iniciais de viabilidade da instalao dos painis solares: condio dos telhados (se deteriorado ou em boas condies), angulao e direo e tambm o tipo e a estrutura dos mesmos. Tambm foram pesquisados os tipos de instalaes de painis passiveis de se utilizar, pois muitos prdios no campus possuem telhados com superfcies no regulares, com vrias inclinaes, o que dificultaria a instalao dos painis fotovoltaicos.

Constatado que a quantidade de radiao recebida por um painel varia de acordo com sua inclinao e direo, foram pesquisados modelos matemticos ou programas que pudessem gerar dados de radiao em uma superfcie inclanada a partir de dados de medies de radiao horizontal. Pode-se tambm analisar de

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que forma ocorre a variao de recepo de radiao solar e qual o seu impacto na eficincia de um sistema GD fotovoltaico.

Para tal finalidade optou-se por utilizar o programa Radiasol2, idealizado pelo LABSOL (Laboratrio de Energia Solar da UFRGS) (LABSOL). Ele tem a finalidade de processar dados meteorolgicos que podem ser inseridos em programas de simulao e dimensionamento de projetos. Entrando com os valores de inclinao, direo e radiao mdia mensal, alm da temperatura e umidade, podem ser obtidos os dados de radiao global horizontal, inclinada, difusa inclinada e difusa direta dirias ou mensais. O programa fornece ainda uma sugesto de melhor ngulo de inclinao para a regio. Dessa forma avaliou-se o potencial de um telhado, por exemplo, com uma rea de angulao e direo fixa.

Para resultados mais exatos utilizaram-se as informaes de incidncia solar do banco de dados do INMET (Instituto Nacional de Meteorologia) da estao automtica de Curitiba. Pela falta de dados j processados, foram utilizados os dados brutos, direto da medio da estao, e modificadas as incoerncias nos que interferiam no resultado final.

Da mesma forma procurou-se por programas de georreferenciamento a fim de gerar e processar os dados das caractersticas dos telhados e apresent-los em um mapa, atravs do qual podemos facilmente visualizar o potencial solar de cada edificao. O programa utilizado foi o ArcMap (Esri), que utiliza o mapa do Bing Maps, atravs do qual pode ser feita a marcao das reas dos telhados. O ArcMap o componente principal do ArcGis, sute de programas para geoprocessamento de dados, possibilitando visualizar, criar, editar e analisar dados georeferenciados.

Para definir a angulao e inclinao dos telhados foram utilizadas as plantas baixas do campus e de algumas edificaes, as quais foram concedidas pela prefeitura do centro universitrio (PCU). Outra informao que foi disponibilizada pela PCU foi o consumo de energia, o que permitiu calcular quanto de energia eltrica consumida pelo campus poderia ser suprida pelo sistema GD.

Sendo um dos atrativos do sistema de GD fotovoltaico a reduzida emisso de gases do efeito estufa na atmosfera, levaram-se em considerao os dados da quantidade desses gases que no seriam emitidos se fosse optado utilizar a fonte solar para a gerao de energia eltrica.

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Outra anlise que pode ser feita a anlise financeira. Esta ltima anlise, no sendo o foco do trabalho, no foi realizado especificamente para o campus sendo exposto, apenas, um panorama geral no Brasil.

Assim todos os telhados dos prdios do campus foram avaliados e pode-se calcular as reas possveis de instalao de painis fotovoltaicos e seus respectivos potenciais solares. E ao final todos os dados analisados foram compilados no ArcMap e disponibilizados para visualizao em extenso KML, para visualizao no Google Earth.

1.4 ESTRUTURA DA MONOGRAFIA

O presente trabalho composto por quatro captulos. No primeiro captulo feita a contextualizao do trabalho, fornecendo um panorama geral e a base da justificativa do estudo, so apresentados ainda os objetivos que se pretendem alcanar ao final do trabalho e os procedimentos para alcan-los. No segundo captulo so explorados os conceitos iniciais que foram estudados a fim de se realizar o estudo, a subdiviso do captulo em sete subcaptulos segue a orientao dos procedimentos metodolgicos apresentados no captulo 1. O captulo 3 apresenta os resultados do estudo do potencial do campus Centro Politcnico e a listagem de informaes coletadas mencionando as consideraes que levaram ao resultado obtido. apresentado ainda um diagrama contendo os passos do mtodo proposto de avaliao do potencial solar e as consideraes finais sobre o mesmo. No captulo 4 so expostas as concluses e sugestes de trabalhos futuros.

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2 CONCEITOS INICIAIS

Antes de formular o mtodo e realizar o estudo do potencial solar no campus foram estudados outros mtodos de avaliao de potencial solar de telhados sendo necessrio tambm entender os parmetros que interferem na quantidade de radiao solar captada por um painel fotovoltaico fixo. Esses estudos so apresentados no presente captulo.

2.1 MTODOS PARA AVALIAO DO POTENCIAL DE TELHADOS

Os mtodos de avaliao do potencial de telhados no variam muito de um para outro, o diferencial de cada um est na forma de aquisio das informaes.

Um mtodo bastante utilizado mundo afora e que possibilita cobrir extensas reas o LIDAR (Light Detection and Ranging). O LIDAR um conjunto de processos para coletar dados geogrficos utilizando uma srie de pulsos de laser e seu subsequente retorno da reflexo na superfcie atingida. Utiliza variadas tecnologias de scanners que comparam os retornos dos pulsos com os originais criando uma nuvem de pontos com o contorno e elevao dos prdios e outros objetos da rea. Esses dados so processados em Sistemas de Informao Geogrficos (GIS- Geographic Information System) e existem diversos estudos de mtodos de como realiza-lo. Na Figura 4 pode-se visualizar a forma como realizada a captura de informaes atravs do sistema LIDAR.

Figura 4 Escaneamento de reas por processos LIDAR. Fonte: (HIPPENSTIE, 2010)

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Esse processo uma tecnologia nova e os custos no Brasil so altos, sendo til para prever o potencial de grandes reas, como bairros ou cidades. Exemplos de estudo utilizando esse mtodo podem ser encontrados em (HIPPENSTIE, 2010); (LUDWIG, 2010) e vrios outros.

Outra forma de aquisio de dados manualmente, definindo as caractersticas e o potencial telhado a telhado. O presente trabalho se utilizar deste ltimo mtodo, pois pode ser aplicado a projetos de pequeno e mdio porte e possibilita maior detalhamento do potencial, pois faz uso de vistorias presenciais e permite melhor avaliao das peculiaridades de cada local.

Os dados colhidos desta forma tambm podem ser inseridos em plataformas GIS ou outro programa para dimensionamento de sistemas de gerao distribuda.

2.1 IRRADINCIA SOLAR DIRETA, DIFUSA E GLOBAL

Antes de comear uma discusso acerca de radiao solar, devemos esclarecer os conceitos relativos a este assunto.

Irradincia solar uma unidade de densidade de potncia, usualmente expressa em W/m2 ou kW/m2 e Irradiao solar uma unidade de densidade de energia, usualmente expressa em kWh/m2/dia ou kWh/m2/ano. Trata-se do valor da energia solar ao longo de certo perodo, em base diria, mensal, anual etc..

De toda a radiao solar emitida pelo Sol apenas uma pequena parte interceptada pela Terra. A radiao direta a parcela de energia incidente que chega diretamente superfcie da Terra.

A outra parcela de energia radiante proveniente da parte da radiao que ao interagir com a atmosfera terrestre sofre o processo de difuso, atingindo, indistintamente, a superfcie da Terra por diferentes direes, sendo assim denominada irradincia solar difusa.

A irradincia solar global o total de energia proveniente do Sol, sendo a somatria das irradiaes direta e difusa, que atinge uma determinada superfcie. Na Figura 5 pode-ser ver claramente as componentes da radiao global, a radiao difusa, direta e a radiao devido reflees nas superfcies.

A irradiao inclinada global nada mais que o fluxo de radiao em uma superfcie com determinada inclinao. Se fizermos o ngulo de inclinao da

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superfcie igual angulao da radiao direta ento teremos a irradincia direta mxima.

Figura 5 Parcelas da radiao global: radiao direta, radiao difusa e radiao refletida das superfcies do entorno. Fonte:(COGEN, 2012)

As radiaes direta e global podem ser medidas respectivamente pelo pirelimetro e pelo piranmetro respectivamente. Alguns dados de medies de radiao podem ser retirados dos locais abaixo (INPE, 2013):

Plataformas de Coleta de Dados - PCDs / INPE Irradiao diria - Histrico PCDs/INPE Radiao Solar - Bias Piratas Rede de Superfcie Automtica do INMET AERONET (AErosol RObotic NETwork) - NASA SolRad-Net - NASA Projeto SONDA (Sistema de Organizao Nacional de Dados

Ambientais)

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Para cada ngulo da superfcie temos um nvel de irradincia diferente e para obter dados precisos d o potencial de um local durante o ano seriam necessrias medies de longo prazo e em determinados ngulos. No sendo isso possvel, foram desenvolvidos vrios modelos para a estimativa da radiao em superfcies inclinadas. Muitos desses modelos utilizam medidas das radiaes global, difusa e direta em superfcies horizontais. Alguns modelos j testados para as condies de nosso pas so relatados por Souza (2010), a maioria dos modelos consideram que a superfcie est voltada para o norte verdadeiro calculando apenas as variaes de radiao devido s inclinaes do painel. H porm ainda em (BHMER, 2006) um modelo que calcula a irradincia em qualquer orientao e inclinao, porm necessita de dados de um perodo de tempo maior.

No presente trabalho, sero utilizados os modelos inseridos no software Radiasol2 (A. KRENZINGER, 2010).

2.2 POSICIONAMENTO DOS PAINIS SOLARES

A fim de tornar o sistema de gerao solar mais eficiente, devemos posicionar os painis de forma a ter a maior incidncia de raios solares perpendiculares sua superfcie. H muitas variveis que influenciam na escolha do melhor posicionamento do painel solar, cada projeto tem sua peculiaridade que deve ser considerada como o clima local, o consumo de energia a ser atendido, a inteno de uso do usurio dentre outros.

Porm, de forma geral, cada localidade possui uma melhor direo e angulao em que o painel deve ser posicionado. A latitude e a longitude do local definem o caminho do sol, ngulos e as horas de insolao dirias. De igual importncia tem-se a irradiao local, expressa geralmente por kWh/m2.dia.

Teoricamente a orientao ideal o Sul verdadeiro (no o Sul magntico) e o norte verdadeiro (no o norte magntico), direcionando o painel para o Equador e com uma inclinao de 10 a 15 maior que a latitude local (LUQUE e HEGEDUS, 2011). Essa inclinao indicada devido s variaes da disponibilidade da irradiao de acordo com as estaes do ano geradas pela inclinao da terra e seu movimento de rotao.

Porm, atender a essas condies nem sempre so possveis, alguns motivos podem ser: (1) convenincia de instalar os painis em um telhado j

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existente (2) obstruo do local, ocasionando sombras (3) microclimas oscilantes (4) caracterstica de consumo no condizente com a gerao (LUQUE e HEGEDUS, 2011).

Dessa forma, necessrio introduzir alguns conceitos sobre os movimentos e posicionamento da Terra em relao ao Sol a fim de encontrar o potencial solar disponvel em um lugar especfico.

2.3 MOVIMENTOS DO SOL EM RELAO TERRA

A Terra gira em seu prprio eixo, o eixo polar. O eixo polar orbita em torno do sol, mantendo um ngulo constante de 23,45 com o plano elptico (LUQUE e HEGEDUS, 2011). Essa inclinao faz com que o sol aparea mais alto no cu no vero do que no inverno, Figura 6, e tambm ocasiona os dias de maior insolao no vero em comparao com o inverno.

Figura 6 - O sol se posiciona em uma altura maior no vero e menor no inverno devido inclinao do eixo da Terra. Fonte:(LUQUE e HEGEDUS, 2011)

O ngulo entre o plano equatorial e uma linha reta que liga o centro da terra e do sol est constantemente variando durante o ano, Figura 7 e Figura 8. Esse ngulo a declinao solar, sendo calculada pela Equao (1):

= 23,45 sin

(1)

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Onde dn a posio do dia nos dias do ano, p.ex. o dia 2 de fevereiro o 33 dia do ano. A declinao, varia de acordo com o movimento de translao da Terra:

23,45 23,45 (2)

No solstcio de inverno (21/22 de junho, no hemisfrio Sul) =+23,45, o sol est situado diretamente sobre o Trpico de Cncer, e o pr e o nascer do sol acontecem, respectivamente, a nordeste e a noroeste. No hemisfrio Sul, acontecem os dias mais curtos e as noites mais curtas do ano, e o oposto no hemisfrio Norte.

No solstcio de vero (21/22 de dezembro, no hemisfrio Sul) =-23,45, o sol est diretamente sobre o Trpico de Capricrnio e o nascer e o pr do sol ocorrem respectivamente a sudeste e a sudoeste. No hemisfrio Sul ocorre os dias mais longos e as noites mais curtas, e o oposto no hemisfrio Norte.

No equincio de primavera (20/21 de setembro) e no equincio de outono (20/21 de maro), a linha entre o sol e a terra passam pelo equador. Dessa forma =0, e a durao dos dia e da noite igual em toda a Terra, e o sol nasce no leste e se pe no oeste.

Figura 7 Variao do ngulo durante o movimento de translao da Terra. ngulos ao norte do equador so considerados positivos e ngulos ao sul negativos.

Fonte:(LUQUE e HEGEDUS, 2011)

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Figura 8 rbita da Terra em volta do Sol com os planos do equador, o plano eclptico e o ngulo formado por eles, a declinao solar, .

Fonte: (LUQUE e HEGEDUS, 2011)

2.4 ORIENTAO E INCLINAO DO PAINEL FOTOVOLTAICO

A fim de verificar a correlao da potncia da radiao solar incidente e a inclinao e orientao do plano receptor foram exportados os dados dirios do programa Radiasol2 e realizadas simulaes utilizando o Excel. No Radiasol2 primeiramente variou-se a inclinao do painel nos ngulos de 0, 25 e 38, todos na direo norte, calculando os valores mdios anual de radiao e tambm os dados mdios de cada ms (em kWh/m2.dia), obtendo-se os grfico da Figura 9 e Figura 10 respectivamente. Posteriormente variou-se a direo do painel, nos ngulos 0, -45, -90 e 180 mantedo uma inclinao fixa de 38, Figura 11.

Observando a Figura 9 percebemos que a irradiao mdia horria no ms no varia consideravelmente com a variao da inclinao do painel, porm se observarmos os dados de cada ms, Figura 10, notamos que para a inclinao de 38 nos perodos de outono e inverno, onde o sol possui uma declinao mais acentuada, h considervel aumento na captao com 32% e 5,5% a mais no ms de junho em relao s inclinaes de 0 e 25 respectivamente. Lembrando que no inverno (21/22 de junho a 20/21 de setembro) as horas de insolao so reduzidas, o aumento na captao, devido inclinao de 38, se deve maior captao da radiao solar em outros perodos do dia compensando essa diminuio.

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Figura 9 Comparao das variaes do fluxo de radiao solar anual mdio mensal com diferentes ngulos de inclinao

Fonte: A Autora (2013).

Figura 10 Comparao da diferena do fluxo de radiao solar mensal para diferentes ngulos de inclinao

Fonte: A Autora (2013)

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Figura 11 Comparao dos valores de fluxo de radiao anual mdio mensal para diferentes orientaes


Variando o direcionamento do painel, mantendo a inclinao em 38, e observando as mdias horrias mensais vemos que h uma influncia direta com o movimento de rotao da Terra. Com o painel -45 e -90 (sendo 0 o norte e o sinal negativo indo para Leste), observamos uma maior captao nos horrios da manh e menor nos perodos da tarde, pois o sol nasce no Leste. J para a angulao de 180 observamos maior captao no perodo da tarde no pr do sol e menor no perodo da manh. A captao mais constante em relao s outras direes se encontra a 0, diretamente ao norte verdadeiro.

Outras anlise podem ser feitas a partir dos dados obtidos do programa Radiasol2, o banco de dados gerado atravs de dados estocsticos oferece uma boa aproximao e pode-se inserir manualmente os dados meteorolgicos. O Radiasol2 utiliza o mtodo das Matrizes de Transio de Markov (MTM), esse mtodo possibilita a sintetizao de sequencias de radiao diria tendo como nico dado de entrada a srie de 12 valores mdios mensais de radiao (A. KRENZINGER, 2010). As Figura 12 e Figura 13 apresentam a janela inicial e do grfico de barras das radiaes mensais, respectivamente.

25

Figura 12 - Nesta tela do programa Radiasol2 escolhemos a cidade de Curitiba para fazermos a anlise e pedimos ao programa para sugerir uma inclinao, 38.

Fonte:(LABSOL)

Figura 13 Tela do Radiasol2 com o grfico das radiaes na latitude de Curitiba e inclinao de 38 em direo ao norte verdadeiro. Pode-se escolher mostrar dados anuais ou mensais.

Fonte:(LABSOL)

Outro fator de influncia das inclinaes do painel fotovoltaico sua manuteno, pois a inclinao auxilia em sua autolimpeza evitando o que chamamos de sombra temporal provocada pelas sujidades no painel.

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aconselhvel manter o painel fotovoltaico inclinado a no mnimo 10 para que os elementos que provocam a sombra temporal dissolvam-se devido gua da chuva ou ao do vento. Quando a inclinao dos painis menor que 20, a autolimpeza baixa, enquanto que para maiores inclinaes a auto limpeza pela chuva e vento maior. Numa instalao com uma inclinao superior a 25, as perdas por sujidade so da ordem de 2 a 5%.

2.5 EMISSO DE GS CARBNICO NA ATMOSFERA

Alguns especialistas dizem que os gases responsveis pelo efeito estufa tem papel predominante na regulao do clima terrestre (MANSUR, 2011). O homem constantemente emite na atmosfera bilhes de toneladas de gs carbnico na atmosfera e para o controle dessas emisses pelo homem so realizadas algumas aes como o plantio de reas verdes e o uso de energias renovveis.

Em um pas quanto maior o uso de energias renovveis, menor a quantidade de gs carbnico emitidos na atmosfera, porm so poucos os pases que procuram orientar sua matriz energtica a partir de energias renovveis. Um exemplos que podemos citar de pases que possuem tais projetos de diminuir ou extinguir o uso de petrleo e seus derivados de sua matriz energtica so a Sucia, que possui um projeto de, em 15 anos, ter 100% de sua matriz baseadas em energias renovveis, sem aumentar o uso de energia nuclear. Outro exemplo a Islndia, que por possuir condies geolgicas favorveis faz uso intenso da geotermia e ao total mais de 70% de sua energia gerada a partir de fontes renovveis (14,5% fontes hdricas e 55,1% fontes geotrmicas) (SIMIONI, 2006).

A fim de calcular o quanto deixamos de emitir na atmosfera de CO2, a partir do uso de fontes renovveis por exemplo, pode-se utilizar o fator de carbono de um pas. O fator de CO2 (em kg/kWh) indica a quantidade de CO2 que se forma durante a produo de um quilowatt-hora de eletricidade no pas. Em funo da tecnologia empregue e do nvel de eficincia, o fator de CO2 pode apresentar valores distintos em vrias empresas responsveis pelo abastecimento de energia da regio. No Brasil esse fator calculado pelo ministrio da cincia tecnologia e inovao (MCTI - Ministrio da Cincia, Tecnologia e Inovao) e a quantidade de gs carbnico evitado C (em Kg) pode ser calculado pela frmula (3):

= (3)

27

Onde E a energia produzida pelo sistema fotovoltaico (em kWh) e f o fator de preveno de CO2 (em Kg/kWh). (SMA SOLAR TECHNOLOGY AG)

2.6 INSTALAO DE PAINIS SOLARES

Existem diversos formatos de placas solares para atender s exigncias de integrao das mesmas nos projetos arquitetnicos. O mais comum e geralmente com menor custo, mas que no necessariamente tem um alto grau de integrao so as placas solares planas, da qual iremos tratar nesta sesso.

Ao instalar placas solares deve-se analisar as caractersticas do local de instalao, a esttica, e a eficincia do sistema, podendo uma ou outra caracterstica acabar se contrapondo. Existem diversas formas de realizar essa integrao dos painis s edificaes, algumas delas sero mostradas a seguir e serviro como base de escolha dos telhados e clculo do potencial solar do Campus Centro Politcnico:

A. Diretamente sobre telhados inclinados (Figura 14) B. Telhados planos (Figura 14) C. Proteo contra sol em janelas (Figura 15 e 19) D. Estacionamentos (Figura 16) E. Iluminao pblica (Figura 17) F. Telhados irregulares (Figura 18)

Figura 14 - Exemplo de instalao de painis em telhados angulares e planos

28

Figura 16 - Exemplo de instalao como marquises de prdios.

Figura 15 - Painis solares utilizados em estruturas de sombreamento para estacionamentos.

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Figura 18 - Iluminao pblica.

Figura 17 - Telhados irregulares.

30

Figura 19 - Sistema fotovoltaico integrado ao envoltrio da edificao do Departamento de Engenharia Mecnica da UFSC.

Fonte:(CMARA, 2011)

Figura 20 Sistema fotovoltaico como cobertura de estacionamento no IEE/USP. Fonte: (CMARA, 2011)

31

2.7 CUSTOS E INCENTIVOS FISCAIS

2.7.1 Viabilidade de sistemas fotovoltaicos no Brasil

Alm dos nveis de insolao que um sistema capta e sua eficincia para a gerao de energia eltrica, temos que analisar os custos pertinentes instalao e manuteno do mesmo. Na Tabela 1, vemos os custos nacionais simulados de um sistema de 100 kWp com mdulos e inversores importados e calculados para trs aplicaes conforme a potncia instalada.

Tabela 1 Custos que compe a instalao fotovoltaica no Brasil Aplicao Residencial Comercial Usina

Capacidade (kW) 3 30 30.000

Custo dos mdulos e inversores (R$) 11.605 116.047 116.047.414

Custo de cabos e protees (R$) 2.250 18.000 13.100.000

Custo do sistema de fixao (R$) 3.750 24.000 14.000.000

Demais (conexo, projeto, etc.) (R$) 3.750 30.000 18.000.000

TOTAL (R$) 21.359 188.047 161.147.414

TOTAL (R$/W) 7,12 6,27 5,37

Fonte: (COGEN, 2012) Em termos de custo de gerao, que considera os investimentos iniciais e

uma previso dos custos de manuteno e operao, obtemos um valor para o custo de produo de energia eltrica inferior a 0,60 R$/kWh. Vrias concessionrias no Brasil possuem uma tarifa de energia eltrica desta ordem de grandeza1.

Simplificando pode-se analisar a viabilidade da energia solar pelo Indicador de Viabilidade, que medido pela razo direta entre as tarifas de energia com impostos e os custos de produo da energia solar, como visto na Equao (4):

(4)

Assim para valores iguais ou superiores a 1,0 a gerao de energia fotovoltaica competitiva. Na Figura 21, podemos visualizar no mapa os indicadores de viabilidade das regies brasileiras. Podemos observar na Figura 21 que o Paran

_______________

1 De acordo com estudo da ANEEL e da ONS disponvel em < http://www.brasil-economia-governo.org.br/2012/07/10/por-que-hidreletricas-com-reservatorio-sao-a-melhor-opcao-para-o-brasil/ >, acessado em 10/03/2013.

Indicador de viabilidade=Tarifa de energia com impostos/Custo de produo

32

possui um ndice de competitividade abaixo de 1,0 com valores variando de 9,30 a 0,248. Esses valores dependem no tanto dos recursos primrios, mas sim das diferentes tarifas das concessionrias.

Figura 21 Indicadores de viabilidade sistemas de baixa tenso Fonte:(COGEN, 2012)

Para os clientes de alta tenso podemos observar, Figura 22, que em todas as regies brasileiras ainda no vivel a instalao fotovoltaica. Isso se deve principalmente pelo fato de que clientes de alta tenso possuem grupos tarifrios distintos com custos menores.

33

Figura 22 - Indicadores de viabilidade de sistemas de alta tenso Fonte:(COGEN, 2012)

2.7.2 Incentivos e estratgias para insero de fonte solar

Para alguns analistas a participao do Brasil nesse mercado de fonte solar est atrasado, pois os investidores mundiais esto se posicionando fortemente e a curva de aprendizado do setor acelerada. Esta indstria altamente estratgica principalmente ao tocante aos segmentos industriais, como a microeletrnica. Os benefcios da assimilao desta tecnologia seriam diversos como a expanso da gerao de empregos qualificados, saldos comerciais e arrecadao de impostos e tributos (COGEN, 2012).

As dificuldades encontradas no mercado nacional advm de diversos fatores: ainda devido aos altos valores para instalao do sistema fotovoltaico, apesar da constante reduo de preos, principalmente para os clientes residenciais; os distribuidores de energia ainda possuem a viso de que a gerao distribuda entraria como um concorrente; falta de polticas especficas de financiamento e

34

modelos de comercializao, e; aspectos culturais por parte tanto da distribuidora quanto do cliente final. A insero do Brasil neste setor s se dar com incentivos paralelo demanda e oferta.(COGEN, 2012). Ainda de acordo com (COGEN, 2012), a resoluo Normativa da ANEEL n 428, de 17 de abril de 2012 possui algumas medidas para promover e incentivar o uso da gerao distribuda fotovoltaica dentre as quais:

a) Sistema de compensao nas faturas de energia (conceito de net metering): nos meses com produo maior que a demanda haver crdito de energia (no financeiro) a ser deduzido da prxima fatura;

b) Simplificao do processo de registro de autoprodutor e as exigncias atuais de licenciamento ambiental;

c) Etapas Acesso e Informao de Acesso no obrigatrias para mini e micro gerao distribudas. Parecer de acesso emitido pela distribuidora, sem nus para o acessante. Reduo do prazo para a distribuidora emitir o Parecer de Acesso e efetivao da conexo;

d) Atribuio dada distribuidora: responsabilidade pela coleta de informaes de unidades geradoras junto aos micro e minigeradores e envio da ficha tcnica e da declarao de operao da planta para a ANEEL, nos termos das Resolues Normativas nos 390/2009 e 391/2009;

e) Dispensa da celebrao do CUSD e CCD para as centrais que participem do Sistema de Compensao de Energia da distribuidora local, bastando um Relacionamento Operacional para instalaes de at 100kW e um Acordo Operativo para as instalaes entre 100 kW e 1000 kW;

f) Dispensa para centrais geradoras conectadas em baixa tenso da realizao de estudos eltricos e operacionais para integrao das plantas na rede at 100 kW. Exigncia de estudo de curto-circuito e de medidor de 4 quadrantes para instalaes entre 100 kW e 1000 kW. Caso necessrios, estudos de integrao da gerao sero feitos pela distribuidora, sem nus para o assinante;

g) Permisso para que a distribuidora contabilize a energia gerada e consumida por pequenos autoprodutores (at 1 MW) em pontos distintos, desde que as unidades consumidoras tenham o mesmo titular

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e estejam dentro de sua rea de concesso. A regulamentao permite que usurios com titulares diferentes transfiram estes crditos entre si, o que ampliar a possibilidade de formao de grupos (cotistas) interessados em desenvolver projetos de energia fotovoltaica.

Alm das medidas anteriores tambm necessrio um conjunto de ajustes regulatrios para o desenvolvimento da gerao fotovoltaica. Pois existem exigncias que no so cabveis para produtores de menor escala, alm de no existirem padronizaes nessas exigncias (no caso de conexes), inibindo ganhos em escala provindos de projetos padronizados. Ainda, em escala estadual ou municipal, ocorre o mesmo com as exigncias ambientais.

A Tabela 2, mostra um exemplo de como funcionaria um dos incentivos proposto pela regulamentao da ANEEL, o net metering.

Tabela 2 Simulao de faturamento mensal residencial com e sem GD.

Fonte:(DEMBISKI, 2012) Pode-se observar uma reduo significativa no faturamento mensal atravs

da utilizao da gerao distribuda tendo, na maior parte dos meses o custo da disponibilizao de energia. Dessa forma se torna mais atraente para o consumidor favorecendo sua viabilidade econmica, j que esse um dos fatores crticos para a adeso desse tipo de sistema.

No ser feita uma anlise econmica e tarifria mais complexa para o caso do campus da UFPR, por ser um campo muito rico e extenso, no sendo um dos objetivos do presente trabalho.

36

3 POTENCIAL SOLAR DO CAMPUS CENTRO POLITCNICO

De modo a quantificar o potencial fotovoltaico em topos de edifcios, foram considerados os seguintes fatores:

A quantidade de radiao solar disponvel; As caractersticas dos topos dos edifcios; A eficincia da tecnologia de converso;

A fim de mapear o potencial solar do Campus Centro Politcnico da Universidade Federal do Paran foram utilizados os conceitos mencionados nos captulos anteriores e organizadas a seguinte listagem de informaes:

A. Telhados da Universidade 1) rea til para instalao do painel fotovoltaico 2) Potencial Solar Global horizontal dirio anual kWh 3) Potencial Solar inclinado 4) Direcionamento dos telhados 5) Angulao e direo do telhado 6) Tipo do telhado 7) Quantidade de CO2 no emitidos

B. Estacionamentos 1) rea total utilizvel 2) Potencial Solar (Irradiao Global horizontal dirio anual kWh)

3.1 CARACTERSTICAS DOS TELHADOS

3.1.1 rea til

Estimou-se a rea til para a instalao de painis fotovoltaicos no programa ArcMap atravs do clculo da rea total do telhado e retiradas reas com obstruo, rvores e outros elementos que atrapalhariam a instalao. Vrios telhados puderam ser vistoriados pessoalmente e tiradas fotos, quando no houve possibilidade de realizar a inspeo visual utilizou-se o GoogleMaps, pois possui melhor resoluo e mais atualizado que o mapa utilizado no ArcMap. Foram desconsiderados os

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telhados que apresentavam irregularidades que incapacitavam a instalao dos painis ou que apresentaram m condio, Figura 23. Alguns prdios que aparentevam m condies foram excludos, pois poderiam no suportar o peso dos painis, dessa forma seria necessrio uma criteriosa avaliao da condio do telhado.

Figura 23 - Alguns obstculos considerados para calcular a rea til dos telhados Fonte: A Autora (2013)

3.1.2 Potencial global horizontal e inclinado

Para a anlise da quantidade de radiao incidente e projeo do potencial energtico do Centro Politcnico foram utilizados dados de radiao global horizontal das estaes automticas de Curitiba do Instituto Nacional de Meteorologia (INMET), que foram processados no programa Excel e no Radiasol2.

A potencia instalada P (em kWp) de cada telhado foi calculado em base de sua rea til:

38

! = "$%&/"()%*+& -./012

3 (5)

Onde, 4()%*+& a eficincia do painel (em %) e "()%*+& (em m2) a rea apresentada pelo painel. Neste trabalho se considerar a rea igual a 1 m2, aproximadamente a dimenso de um painel de 130 Wp.

A quantidade de energia gerada pelo sistema E (em kWh) foi calculado considerando a potencia instalada, a eficincia do sistema e a irradiao incidente:

= ! 5 46%6$+7) (6)

Onde I (em kWh/m2/dia) a radiao incidente e 46%6$+7) (em %) a eficincia dos inversores e da bateria, como nesse caso estamos estudando sistemas interligados rede no consideramos as baterias. A eficincia do painel se calcula utilizando a potncia mxima gerada pelo painel para a incidncia de 1000 W/m2 sobre o mesmo.

Os rendimentos para o inversor e do painel foram considerados respectivamente de 92,95% e 13%. A eficincia total do sistema ficou ento em 12,1% (valores de referncia de caso real) (VITTI, 2006).

Foram consideradas na simulao do potencial dos telhados 3 situaes: 1. Ideal, onde a inclinao a mais indicada para a localidade, 38 e

orientao para o norte. 2. Considerando a inclinao e direo dos telhados. 3. Considerando a radiao global horizontal, inclinao 0.

Alguns casos de telhados com um perfil de telhado diferenciado, como os telhados do prdio PA e o de Engenharia Eltrica (Figura 24), foram considerados como orientados para o norte. As consideraes anteriores remetem a mtodos de instalao que permitem no depender da angulao do telhado e de sua forma.

39

3.1.3 Inclinao, direo e tipos de telhados

A inclinao dos telhados conjuntamente com o tipo de telhado de algumas edificaes foram obtidos atravs das plantas baixas dos prdios da Universidade Federal cedidas pela Prefeitura da Cidade Universitria.

A direo dos prdios foram tirados da planta baixa do Campus Centro Politcnico e medidos a partir do norte, 0 indo sul, 180. Por conveno o sinal negativo indica uma orientao voltada para o oeste e positivo para a o leste, seguindo o padro do Radiasol2.

3.1.4 Emisso de Gases do efeito estufa

A quantidade de CO2 no emitidos na atmosfera foi calculada a partir da fmula (3) C=E*f, utilizando um valor de preveno de carbono mensal mdio de 0,517617 (MCTI - Ministrio da Cincia, Tecnologia e Inovao, 2013). Considerando as inclinaes e direes dos telhados para instalao dos painis o valor de gases no emitidos na atmosfera foram mais de 4 Mt ao ano. De acordo com (MCKINSEY&COMPANY, 2009) isso equivale a 8% do potencial de preveno de emisso de gases do efeito estufa na rea que se refere a energia (estudo em relao a PCHs). E o potencial total de abatimento para os setores de energia e transporte de 72 MtCO2 ou 4% do potencial total de abatimento do Brasil.

Figura 24 Perfis de telhado com formas peculiares considerados para instalaes de painis diretamente norte.


40

3.2 ESTACIONAMENTOS

3.2.1 rea til

Foram contornados os estacionamentos considerando toda a extenso dos espaos relativos s vagas de automveis que no possuam obstrues substanciais, sem muita arborizao ou edificaes em seu entorno. Dessa forma obteve-se mais de 8000 m2 para instalao de painis fotovoltaicos.

3.2.2 Potencial Solar

Igualmente para os telhados foram usados os dados do INMET para o clculo do potencial solar. Foram estimados apenas os potenciais globais, pois a direo e angulao dependem dos projetos de coberturas para estacionamento. Para os 8000 m2 obteve-se um potencial de radiao global horizontal de 12.153 MWh anual.

3.3 CONSUMO X GERAO DE ELETRICIDADE

Podemos observar na Figura 25 o potencial de gerao dos telhados do campus, para as condies 1, 2 e 3 como descrito em 3.1.2. Considerando os dados de consumo da Figura 26 temos que se todas as reas teis dos telhados do campus forem utilizados para instalao de painis poder-se-ia suprir anualmente 126,22%; 122,24% e 119,41% da energia consumida no perodo fora de ponta, dando um valor anual de R$ 1.969.920,00 no melhor caso. Foi utilizada a tarifa verde para consumo fora de ponta: R$ 0,225978 por kWh.

Observamos que na mdia anual no h muito impacto nas diferentes inclinaes e direes dos painis, porm h variaes significativas durante o ano com menores valores de gerao de eletricidade nos perodos de outono e inverno para as condies 2 e 3. Podemos observar na Figura 25 a variao percentual das diferentes situaes de posicionamento dos painis. Tambm h variaes significativas nas horas do dia de acordo com a direo do painel.

Vale destacar que os valores de potencial de gerao obtidos tomaram como base um percentual de eficincia do sistema de 12,1%, se por ventura calcular-se uma eficincia de maior magnitude para essa anlise esperam-se valores maiores.

41

Utilizaram-se apenas os valores fora de pico, pois nos horrios de pico, das 17:30h s 20:00h, a radiao mnima. Foi possvel a obteno apenas do consumo mensal do campus, no sendo possvel a anlise do perfil de consumo dirio do mesmo, o que possibilitaria um melhor arranjo dos painis.

Figura 25 Grfico do potencial gerado pelos painis considerando as condies 1,2 e 3 de incidncia dos raios nos painis.


Figura 26 Grfico do consumo de eletricidade do Campus Centro Politcnico da Universidade Federal do Paran.

Fonte: Nota Fiscal de Energia cedido pela Prefeitura do Centro Universitrio (2013)

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Tabela 3 Tabela da relao consumo versus gerao de energia eltrica mensal considerando caso ideal.

Ms Consumo fora de

ponta (kWh) Custo em reais

Potencial de gerao ideal

(kWh) Custo em reais

Potencial de suprimento de energia eltrica

(%)

Jan. 502.472 R$ 113.547,62 755.664 R$ 170.763,42 150,4

Fev. 542.448 R$ 122.581,31 700.777 R$ 158.360,10 129,2

Mar. 632.865 R$ 143.013,57 774.177 R$ 174.946,93 122,3

Abr. 632.885 R$ 143.018,09 715.001 R$ 161.574,41 113,0

Mai. 550.733 R$ 124.453,54 678.246 R$ 153.268,73 123,2

Jun. 619.807 R$ 140.062,75 589.590 R$ 133.234,48 95,1

Jul. 483.235 R$ 109.200,48 634.488 R$ 143.380,42 131,3

Ago. 558.375 R$ 126.180,47 775.860 R$ 175.327,25 138,9

Set. 531.756 R$ 120.165,16 773.634 R$ 174.824,25 145,5

Out. 648.046 R$ 146.444,14 779.226 R$ 176.087,89 120,2

Nov. 625.801 R$ 141.417,26 786.664 R$ 177.768,66 125,7

Dez. 577.982 R$ 130.611,22 753.981 R$ 170.383,10 130,5

TOTAL ANUAL

6.906.405 R$ 1.560.695,61 8.717.308 R$ 1.969.919,64 126,22


3.4 INFORMAES GEOPROCESSADAS

Todas as informaes sobre os telhados foram geoprocessadas no programa ArcMap, sendo disponibilizado um compndio com as informaes que pode ser visualizado diretamente do Google Earth. No Apndice I vemos com detalhes fotos e informaes sobre os telhados dos prdios considerados e no considerados. No Apndice II mostrado o mapa com o potencial mdio mensal no Google Earth, esse um dos tipos de mapa que podem ser confeccionados atravs do programa ArcMap. E no Apndice III o mapa na plataforma do ArcMap, podem ser facilmente analisados e visualizados vrios dados de estudo e posteriormente impressos ou exportados para outro formato.

43

3.5 CONSIDERAES FINAIS

O resumo da sequncia das atividades para a avaliao do potencial energtico dos telhados apresentado na Figura 25, sendo composto das seguintes etapas:

a) Verificao da melhor inclinao e orientao dos painis solares para a localidade;

b) Verificao das possveis condies de instalao para o telhado (rea til para instalao, tipo de instalao, obstrues, sombreamentos);

c) Verificao da radiao solar global horizontal e global inclinada (incidente no painel);

d) Verificao da emisso de gs carbnico na atmosfera; e) Representao do potencial do campus em sistema de

georeferenciamento; f) Verificao do consumo de energia; g) Verificao dos custos e incentivos fiscais. h) Anlise da viabilidade do projeto

44

Figura 27 Diagrama dos Processos de Avaliao do Potencial Solar do Campus Universitrio Fonte: A Autora (2013)

Verificao da melhor inclinao e orientao para o local.

As condies de instalao permitem o uso ideal de

posicionamento do painel?

Escolher mtodo para o clculo de inclinao ideal (sugesto de utilizao: Radiasol2)

Verificao da radiao solar global horizontal e inclinada, considerando

condies ideais.

Verificao da radiao solar global horizontal e inclinada, considerando a inclinao e/ou

direo permitida pelo local.

Sim No

Verificao do consumo de energia.

Verificao dos custos e incentivos fiscais que est sugeita a regio

Anlise da viabilidade do projeto

Anlise e processamento dos dados do potencial solar em sistema de georeferenciamento.

Clculo do potencial solar considerando a rea til.

Quantidade de emio de CO

2 prevenida.

DiegoRealce

45

H vrios outros campos a explorar e estudar sobre gerao distribuda por fonte solar, pois ainda no uma tecnologia amplamente difundida no Brasil. Espera-se que este trabalho inspire vrios outros tento na rea legislativa, quanto financeira ou tecnolgica.

Vrias instituies de ensino pelo Brasil j possuem laboratrios experimentais de energia solar. Este trabalho teve como objetivo a avaliao do potencial global de toda a universidade, porm vrios fatores no puderam ser analisados devido a falta de dados e outros por no ser o foco de estudo do trabalho.

Os projetos de gerao distribuda por fonte solar possuem vrios aspectos que devem contemplar no s os aspectos de eficincia de gerao de energia eltrica, mas tambm a escolha do tipo de painel a ser utilizado e forma como ser instalado de forma que haja uma integrao harmnica com o meio em que se encontra.

Sobre as tecnologias de painis, uma rea de continuo desenvolvimento. Uma proposta interessante seria o estudo dos painis seguidores que melhoram de 20% a 50% (FARICELLI, 2008) a eficincia da captao solar e modificando ao longo do dia o comportamento de gerao solar.

Algumas linhas a explorar futuramente so: Mtodos de dimensionamento de sistemas de gerao distribuda

fotovoltaica em baixa tenso Realizar estudos de viabilidade financeira utilizando-se do

RETSCREEN (Natural Resources Canada, 2012), que um aplicativo para estudo de viabilidade econmica;

Montar uma estao de baixo custo para a medio da irradiao; Realizar o levantamento do consumo hora-sazonal na Universidade de

modo a verificar os momentos de disponibilidade e de falta de energia; Realizar um estudo detalhado para o uso de painis solares nos

estacionamentos;

Realizar estudos para realocao de consumo de energia de acordo com o horrio de disponibilidade de energia;

46

4 CONCLUSES

Neste trabalho apresentou-se um mtodo de levantamento do potencial solar do campus Centro Politcnico da Universidade Federal do Paran. Os topos dos edifcios da Universidade foram analisados um a um observando os tipos de telhados e possveis obstrues. A partir dos dados de radiao solar disponibilizados pelo INMET e processados pelo Radiasol2, foram calculados os potenciais de cada telhado, dando um panorama geral da capacidade de gerao de energia eltrica por fonte solar no campus.

De acordo com a Tabela 3 na p. 42 observamos que se em todos os telhados do Campus Centro Politcnico, aproximadamente 44.000m2, forem instalados sistemas fotovoltaicos, com eficincia de 12%, poderemos suprir o consumo fora de ponta e ter um excedente de 26,2% e 22,2% anualmente para os casos 1 e 2 respectivamente.

Analisando a gerao de energia eltrica mensalmente, o nico ms onde no houve excedentes foi o ms de Junho, gerando 95% do consumo mensal. Na Figura 25, p. 41, observamos que para o caso 2 houve diminuio do percentual de suprimento de gerao de energia, porm ocorre o mesmo do caso 1, o nico ms onde a gerao menor que o consumo o de Junho com gerao de 87%.

De acordo com os dados do INMET o campus Centro Politcnico alcana mdias globais de irradiao de 3,9 kWh/m2.dia que um nvel bem maior que a mdia europeia onde pases como Alemanha e Espanha chegam a 1,3kWh/m2.dia e 1,9 kWh/m2.dia respectivamente. Demonstra-se assim o grande potencial para a insero de gerao distribuda por fonte solar na regio de Curitiba, mesmo sendo uma das regies com menores nveis de insolao do Brasil.

Conclumos ento que o campus pode tornar-se autossuficiente em energia eltrica, mesmo que no utilizando 100% das reas teis dos telhados. E lembrando que ainda existem as reas de estacionamentos onde podem ser instalados painis solares como coberturas de estruturas de sombreamento de carros e ainda h a possibilidade de se suprir a iluminao das ruas por postes com sistemas fotovoltaicos instalados.

As energias renovveis so uma grande tendncia mundial, e a gerao de energia eltrica por fonte solar no diferente. Projees indicam que por volta de 2020 a gerao fotovoltaica ser a segunda maior fonte de energia eltrica depois

47

da gerao elica e por volta de 2050 se tornar a fonte renovvel mais utilizada para gerao de energia eltrica (VALKEALAHTI, 2011).

Um projeto futuro seria investir em uma Universidade Verde, com projetos visando a sustentabilidade no s energtica, mas tambm ambiental. Tem-se exemplos mundo afora de projetos de universidades que esto buscando ser mais sutentveis como a Universidade Verde de Lisboa (Universidade Verde de Lisboa). Existe tambm o ranking de Universidades Verdes, o que nos diz que cada vez mais os universitrios e estudantes notam a importncia da responsabilidade ambiental (Green Universities, 2013).

Visando aproximar a comunidade acadmica do curso de Engenharia Eltrica dessa realidade e incentivar trabalhos na rea de sistemas fotovoltaicos poderiam ser criadas disciplinas de graduao ou ps-graduao, como por exemplo, Engenharia Solar.

Um grande desafio, porm, a rea de incentivos para a difuso da tecnologia no pas, de acordo com Dembiski (2012) os mecanismos de incentivo so imprescindveis ao desenvolvimento das fontes renovveis dentro de um pas. Estes mecanismos regulatrios devem ser constantemente revisadas e aprimoradas com uma participao ativa da sociedade, governo e dos investidores visando que a participao da Gerao Distribuda com fontes renovveis aumente efetivamente e sustentavelmente no Setor Eltrico Brasileiro.

Importante mencionar que no foram considerados os novos prdios em construo, para no atrapalhar as anlises j que no se possui dados de consumo dos mesmos.

48

APENDICE I

Prdio: casa3

rea til (m2): 443

Potencial Solar Global horizontal ( kWh ano): 22.092

potencial inclinado telhado (kWh ms) 1.791

Potencial inclinado (kWh ano): 23.408

CO2 evitado (Kg): 1.466

ngulo de inclinao do telhado: ND

Direcionamento dos telhados: ND

Tipo do telhado: ND

Vistoria: GoogleMaps

Prdio: CT

rea til (m2): 100


potencial inclinado telhado (kWh ms) 350


CO2 evitado (Kg): 264


Direcionamento dos telhados: 113

Tipo do telhado: Fibrocimento

Vistoria: GoogleMaps /foto

49

Prdio: PC

rea til (m2): 200






Direcionamento dos telhados: 113 e -66

Tipo do telhado: fibrocimento

Vistoria: GoogleMaps /foto

Prdio: Biblioteca

rea til (m2): 1.373







Tipo do telhado: Cumeeira fibrocimento com lanternim

Vistoria: GoogleMaps /presencial

50

Prdio: PA

rea til (m2): 1.559









Prdio: Eltrica

rea til (m2): 1.608







Tipo do telhado: cumeeira fibrocimento


51

Prdio: CESEC

rea til (m2): 1.000







Tipo do telhado: ND


52

Prdio: LAMIR

rea til (m2): 450





ngulo de inclinao do telhado: 10

Direcionamento dos telhados: 113



53

Prdio: Marcenaria

rea til (m2): 334








Vistoria: GoogleMaps / visual

Prdio: usina piloto

rea til (m2): 1.600









54

Prdio: Laboratrio de metrologia

rea til (m2): 1.260







Tipo do telhado: ND


Prdio: Administrao

rea til (m2): 729









55

Prdio: RU

rea til (m2): 1.340





ngulo de inclinao do telhado: 4;11,3;5,3;4

Direcionamento dos telhados: 112; 23;-66;-112

Tipo do telhado: Sanduiche com poliuretano em ao zincado


56

Prdio: Novo biolgico

rea til (m2): 113







Tipo do telhado: ND


57

Prdio: Qumica novo

rea til (m2): 135







Tipo do telhado: ND


58

Prdio: Eng. Quim.

rea til (m2): 3.013

Potencial Solar Global horizontal (kWh ano): 150.189


Potencial inclinado (KWh ano): 159.139






59

Prdio: PD,PE,PF,PG,PH,PI

rea til (m2): 7.776









60

Prdio: Piscina Coberta

rea til (m2): 1.746





ngulo de inclinao do telhado: 10,23




61

Prdio: Cenbapar

rea til (m2): 3.508





ngulo de inclinao do telhado: 8,53;0

Direcionamento dos telhados: 112;0

Tipo do telhado: Fibrocimento sobre madeira


62

Prdio: Biolgicas

rea til (m2): 8.072







Tipo do telhado: ND


63

Prdio: Centro de Convivncia

rea til (m2): 595





ngulo de inclinao do telhado: 1,72


Tipo do telhado: Fibrocimento de eternit canalete


Prdio: Engenharia Qumica

rea til (m2): 3.013









64

APENDICE II

65

APENDICE III

66

5 BIBLIOGRAFIA

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