Universidade Federal Do Rio Grande Do Norte
Centro De Tecnologia
Departamento De Engenharia Civil
Coordenação Do Curso De Engenharia Ambiental
ANÁLISE TÉCNICA E ECONÔMICA DA
INSTALAÇÃO DE UMA USINA SOLAR
CONECTADA À REDE DE
DISTRIBUIÇÃO EM BENEFÍCIO DE
UNIDADES RESIDENCIAIS DE MESMA
TITULARIDADE
IVANCA DE MEDEIROS DANTAS
Natal, Julho
2018
i
Ivanca De Medeiros Dantas
ANÁLISE TÉCNICA E ECONÔMICA DA
INSTALAÇÃO DE UMA USINA SOLAR
CONECTADA À REDE DE
DISTRIBUIÇÃO EM BENEFÍCIO DE
UNIDADES RESIDENCIAIS DE MESMA
TITULARIDADE
Trabalho de conclusão de curso
apresentado a Universidade Federal
do Rio Grande do Norte como parte
dos requisitos para obtenção do
grau de bacharel em Engenharia
Ambiental.
Orientador: Prof. Dr. Luiz
Guilherme Meira De Souza
Natal, Julho
2018
ii
Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN
Sistema de Bibliotecas - SISBI
Catalogação de Publicação na Fonte. UFRN - Biblioteca Central Zila Mamede
Dantas, Ivanca de Medeiros.
Análise técnica e econômica da instalação de uma usina solar
conectada à rede de distribuição em benefício de unidades residenciais de mesma titularidade / Ivanca de Medeiros Dantas.
- 2018.
30 f.: il.
Monografia (graduação) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Centro de Tecnologia, Curso de Engenharia Civil.
Orientador: Prof. Dr. Luiz Guilherme Meira de Souza.
1. Energia solar - Monografia. 2. Energia elétrica -
Monografia. 3. Rede de distribuição - Monografia. 4. Meio Ambiente - Monografia. I. Souza, Luiz Guilherme Meira de. II.
Título.
RN/UF/BCZM CDU 621.472
Elaborado por Ana Cristina Cavalcanti Tinôco - CRB-15/262
iii
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Matriz energética Brasileira ........................................................................................ 7
Figura 2: Balanço da Radiação Solar ....................................................................................... 10
Figura 3: Radiação solar diária, média anual do Brasil. ........................................................... 11
Figura 4: Painel fotovoltaico da Canadian Solar ...................................................................... 13
Figura 5:Componentes de um sistema gerador de energia elétrica do tipo Grid tie. ................ 14
Figura 6: Roteiro metodológico ................................................................................................ 17
Figura 7: Vista aérea da unidade residencial 1 (sinalizada). .................................................... 18
Figura 8: Vista aérea da unidade residencial 2 (sinalizada). .................................................... 19
Figura 9: Vista aérea da unidade residencial 3. ........................................................................ 19
Figura 10: Vista aérea da unidade residencial 4. ...................................................................... 20
Figura 11: Simulação do projeto fotovoltaico .......................................................................... 25
iv
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................................... 7
1.1 APRESENTAÇÃO ............................................................................................................... 7
1.2 OBJETIVOS ......................................................................................................................... 9
1.2.1 Objetivo Geral ................................................................................................................. 9
1.2.2 Objetivo Especifico .......................................................................................................... 9
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ........................................................................................... 10
2.1 RADIAÇÃO ....................................................................................................................... 10
2.2 ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA ............................................................................. 11
2.2.1 Tecnologia dos painéis fotovoltaicos ............................................................................ 12
2.2.2 Sistema fotovoltaico conectado à rede ......................................................................... 14
2.2.3 Autoconsumo remoto .................................................................................................... 15
2.2.4 Sombreamento ............................................................................................................... 15
3 METODOLOGIA ................................................................................................................ 17
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ........................................................................................ 23
4.1 DIMENSIONAMENTO ..................................................................................................... 23
4.2 CALCULO DA ÁREA UTILIZADA PELOS MÓDULOS .............................................. 24
4.3 SIMULAÇÃO FEITA PELO PORTAL SOLAR .............................................................. 24
4.4 PERCENTUAL DE ENERGIA A SER DISTRIBUÍDA ENTRE AS UNIDADES ......... 25
4.5 ANALISE DE PROJETOS ................................................................................................ 26
5 CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES ......................................................................... 28
5.1 CONCLUSÕES .................................................................................................................. 28
5.2 SUGESTÕES ..................................................................................................................... 28
v
ANÁLISE TÉCNICA E ECONÔMICA DA INSTALAÇÃO DE UMA USINA
SOLAR CONECTADA À REDE DE DISTRIBUIÇÃO EM BENEFÍCIO DE
UNIDADES RESIDENCIAIS DE MESMA TITULARIDADE
RESUMO
Com o aumento desenfreado das necessidades energéticas e o uso continuo de fontes
convencionais para suprir a demanda de energia, o meio ambiente é submetido a pressões
consideráveis, contribuindo para as alterações climáticas e desequilíbrio dos ecossistemas.
Nesse contexto, a energia solar se configura como uma das fontes energéticas mais viável
ambientalmente. A participação da energia solar na matriz energética brasileira ainda é
pequena, mas tem aumentado consideravelmente nos últimos anos. O Brasil possui grande
potencial de geração de energia fotovoltaica e o estado do Rio Grande do Norte (RN) destaca-
se como uma das regiões com a maior incidência solar, garantindo a eficiência dos módulos
solares e aumentando o fornecimento de energia elétrica. Assim, o referido trabalho tem a
finalidade de fazer uma análise técnica e econômica da implementação de uma usina solar
fotovoltaica conectada à rede de distribuição como alternativa para redução de custos com o
suprimento de energia elétrica de unidades residenciais de mesma titularidade, apresentando
um estudo do dimensionamento, dos aspectos construtivos e da análise econômica. Para a
realização do projeto foi utilizados dados do Centro de Referência para Energia Solar e Eólica
Sérgio de Salvo Brito (CRESESB), o SunData para calcular a irradiação solar, a Resolução
Normativa nº 482/2012 e o Microsoft Excel. Dimensionou-se um sistema de 7,4 kWp com
geração estimada de 950 kWh/mês. O valor do sistema foi orçamentado em R$ 32.000 com
retorno do investimento em aproximadamente quatro anos, confirmando a rentabilidade dessa
aplicação.
Palavras chaves: Energia solar. Energia elétrica. Rede de distribuição. Meio Ambiente.
vi
ANALYSIS OF THE TECHNICAL AND ECONOMIC FEASIBILITY OF THE
IMPLANTATION OF A GRID-CONNECTED PHOTOVOLTAIC SYSTEM: A CASE
STUDY IN THE L´ACQUA CONDOMINIUM CLUB
ABSTRACT
With the unrestrained increase in energy needs and the continued use of conventional
sources to meet the energy demand, the environment is under considerable pressure, including
contributing to climate change and the imbalance of ecosystems. In this context, solar energy
is one of the most environmentally viable energy sources. The participation of solar energy in
the Brazilian energy matrix is still small, but has increased considerably in recent years. Brazil
has great potential for photovoltaic energy generation and the state of Rio Grande do Norte
(RN) stands out as one of the regions with the highest solar incidence in the country,
guaranteeing the efficiency of the solar modules and increasing the electricity supply. The
purpose of this article is to make a technical and economic analysis of the implementation of a
photovoltaic solar Grid-connected photovoltaic system as an alternative to reduce costs with
the electric power supply of residential units of the same ownership, presenting a study of the
dimensioning, constructive aspects and economic analysis. In order to carry out the project, it
was used dates from the Reference Center for Solar and Wind Energy Sérgio de Salvo Brito
(CRESESB), the SunData to calculate the solar radiation, the Normative Resolution nº
482/2012 and the Microsoft Excel. A 7.4 kWp system was designed with an estimated
generation of 950 kWh / month. The value of the system was budgeted at R $ 32,000 with return
on investment in approximately four years, confirming the profitability of this application.
Keywords: Solar energy. Electricity. Grid-connected. Environment.
7
1 INTRODUÇÃO
1.1 APRESENTAÇÃO
O suprimento de energia é essencial para a comodidade humana, sendo indispensável
para a satisfação das necessidades básicas, bem como para o transporte e para as comunicações.
No entanto, o aumento da população e a crescente busca pelas inovações tecnológicas,
acarretam um aumento progressivo da demanda energética.
Antes, os critérios de seleção para os sistemas energéticos eram função de dois
parâmetros fundamentais: disponibilidade técnica e viabilidade econômica. No entanto, o atual
cenário energético atenta à questão ambiental, uma vez que a longo prazo, as fontes não
renováveis podem se tornar prejudiciais à saúde humana e o equilíbrio da natureza. Com isso,
a geração de energia elétrica de forma mais sustentável se torna necessária e vem ganhando,
mesmo que de forma tímida, espaço na matriz energética mundial.
No Brasil, segundo o estudo realizado pela Empresa de Pesquisa Energética (EPE):
Anuário Estatístico de Energia Elétrica (2017), observa-se que a matriz elétrica é composta,
quase que em sua totalidade, por energia hidrelétrica, como mostrado na Figura 1, algo em torno
de 65,8%.
Figura 1: Matriz energética Brasileira
Fonte: Anuário Estatístico de Energia Elétrica (2017).
8
Para que haja uma maior segurança do suprimento de energia para o consumidor,
ratifica-se a necessidade de se diversificar essa matriz energética de modo que, em períodos de
estresses hídricos, não ocorra um colapso energético. Nesse panorama, é indispensável a
utilização de fontes alternativas de energia que possam complementar a geração por fontes
hídricas, sem poluir e ameaçar o meio socioambiental. Assim, destaca-se o potencial brasileiro
para a geração de energia solar, já que o País possui clima tropical e recebe luz solar na maior
parte do ano, principalmente na região Nordeste. De acordo com Sáles (2008), a energia do sol
é uma fonte abundante, permanente, renovável a cada dia, não polui nem prejudica o meio
ambiente, podendo ser aproveitada de forma térmica ou fotovoltaica.
Conforme a EPE (2014), quando se compara com outros países, o Brasil detém inúmeras
vantagens para garantir o pleno desenvolvimento da energia solar fotovoltaica. Além de contar
com o alto nível de insolação, o País possui grandes reservas de quartzo de boa qualidade, que
podem gerar importante vantagem competitiva para a produção de silício com alto grau de
pureza, utilizado na fabricação das células e módulos solares.
Com forte apelo ambiental e grande potencial de geração, este tipo de energia estava
restrito, até pouco tempo, ao uso como tecnologia espacial e de sistemas isolados, em que sua
viabilidade se justificava, principalmente, por ser a única saída para alguns problemas técnicos
(RUTHER, 2004).
Em termos gerais, os altos investimentos iniciais têm dificultado a aplicação imediata
de sistemas fotovoltaicos como fonte alternativa de energia. Entretanto, estes sistemas merecem
destaque por serem mais simples e econômicos que muitas outras tecnologias energéticas
renováveis. Por serem independentes e descentralizados esses sistemas permitem a sua
aplicabilidade até mesmo em áreas mais remotas. Seu elevado custo inicial é compensado pelo
baixo custo de operação e manutenção. Além disso, ressalta-se a valorização do imóvel que
além de produzir a sua própria energia, agrega valor com a responsabilidade sócio ambiental.
Segundo a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), o Sistema de Compensação
de Energia Elétrica, criado pela Resolução Normativa nº 482/2012, permite que o consumidor
instale pequenos geradores, fomentando o uso de qualquer fonte renovável como por exemplo
os painéis solares fotovoltaicos e as microturbinas eólicas, em sua unidade consumidora e
troque energia com a distribuidora local com objetivo de reduzir o valor da sua fatura de energia
elétrica. Além disso, a resolução permite a compensação de energia em unidades consumidoras
de titularidade de uma mesma Pessoa Física em local diferente das unidades consumidoras,
dentro da mesma área de concessão, a ser consumida por um prazo de 60 meses.
9
Diante do que foi exposto, pretende-se demonstrar a viabilidade técnica e econômica da
implantação de um sistema fotovoltaico para atender à quatro unidades residenciais em nome
do mesmo titular, através da geração compartilhada regulamentada pela resolução normativa
da ANEEL 482/2012, localizada em cidades diferentes, mas dentro da área de atuação da
mesma concessionaria de energia elétrica, a Companhia Energética do Rio Grande do Norte
(COSERN). Na medida em que a energia consumida pelas unidades consumidoras de mesmo
titular é gerada em uma de suas unidades, ocorre uma considerável redução do consumo de
energia fornecida pela distribuidora, além de que provoca um maior aproveitamento de área
ociosa do telhado da residência.
1.2 OBJETIVOS
1.2.1 Objetivo Geral
Assim, a partir do contexto apresentado, esse trabalho norteia a viabilidade técnica e
econômica da implantação de um sistema de geração de energia elétrica através de painéis
fotovoltaicos instalados na cobertura de uma residência na cidade de Currais Novos (CN), para
beneficiar quatro residências, sendo duas na cidade de CN e duas na cidade de Natal.
1.2.2 Objetivo Especifico
Dimensionar uma usina fotovoltaica para atender a demanda requerida.
Mostrar a viabilidade técnica do sistema fotovoltaico em estudo.
Mostrar a viabilidade econômica do sistema fotovoltaico em estudo.
10
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 RADIAÇÃO
A radiação solar é a fonte primária que rege todos os fenômenos atmosféricos,
responsável pela manutenção da vida na Terra. Constitui-se numa inesgotável fonte energética,
podendo ser aplicada sob variadas formas: aquecimento de massas de ar e água, fonte de energia
para a biomassa, fotoeletricidade e fontes para ciclos termodinâmicos variados.
Segundo o Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio de Salvo Brito
(CRESESB, 2018), o Sol fornece para a atmosfera terrestre, anualmente, 1,5 x 1018 kWh de
energia. Para o Grupo de Energia Escola Politécnica Universidade de São Paulo - GEPEA
(2018) essa energia é considerável quando comparada, por exemplo, com o total de energia
produzido em 1970 por todos os sistemas desenvolvidos pelo homem, que foi igual a 2 1020
Joules ou 0,004% da energia recebida do Sol. A Figura 2 mostra que mais da metade da radiação
emitida pelo sol é absorvida pela superfície.
Figura 2: Balanço da Radiação Solar
Fonte: TISST, 2018.
O Brasil possui um excelente índice de radiação solar, principalmente o nordeste
brasileiro. A região do semi-árido apresenta os melhores índices, conforme mostra a Figura 3 a
seguir. Isto deixa o local entre as regiões do mundo com os maiores potenciais de geração de
energia solar.
11
Figura 3: Radiação solar diária, média anual do Brasil.
Fonte: CRESESB. Adaptado do Atlas Solarimétrico do Brasil, 2000.
Com ênfase dada ao RN, mais precisamente a região do semi-árido de Currais Novos, a
área de estudo apresenta-se como uma das áreas de maior radiação solar global diária do Brasil,
com uma radiação em torno de 20 MJ/m². dia, como visto na Figura 3.
2.2 ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
A energia solar fotovoltaica tem a capacidade de fornecer energia elétrica para qualquer
lugar da terra e do espaço. Entretanto, as zonas urbanas começaram a se destacar como um
amplo absorvedor desta tecnologia ecológica, uma vez que a conexão do sistema de energia
solar diretamente com a rede da concessionaria dispensa o uso de baterias e consequentemente
reduzem os custos da implementação do sistema.
A geração de energia elétrica convencional é centralizada e distante do ponto de
consumo, isso faz com que o sistema gere perdas na distribuição, aumentando os custos da
produção da energia e causando danos às concessionárias e ao meio ambiente. No entanto, a
geração distribuída oferece inúmeras vantagens ao setor elétrico, uma vez que a disposição da
unidade de geração é próxima da carga, além disso, permite uma maior diversificação das
tecnologias empregadas para a produção de energia (MARINOSKI, 2004 apud RODRIGUES,
2002)
12
Um sistema de energia solar fotovoltaico, também chamado de sistema de energia solar
ou, ainda, sistema fotovoltaico, é um sistema capaz de gerar energia elétrica através da radiação
solar. Existem dois tipos básicos de sistemas fotovoltaicos: Sistemas Isolados (Off-grid) e
Sistemas Conectados à Rede (Grid-tie). (NEOSOLAR, 2018)
Os sistemas isolados (off-grid) operam com baterias estacionarias, sendo recomendados
para locais onde não exista a possibilidade de conexão com a rede da concessionaria. Já os
sistemas conectados a rede (Grid-tie), trabalham diretamente injetando e recebendo energia na
rede de distribuição, logo este é o modelo mais atrativo uma vez que possui um menor custo de
instalação e manutenção.
Como o funcionamento das células fotovoltaicas depende diretamente da
disponibilidade da luz, quanto maiores os níveis de irradiação, maior também a quantidade de
energia gerada. A luz à qual as células respondem é a radiação eletromagnética produzida pelo
Sol que chega a Terra. Embora a densidade energética deste tipo de energia seja baixa em
relação aos combustíveis fósseis, a disponibilidade é muito maior, já que a radiação que atinge
o globo terrestre em 12 minutos seria suficiente para abastecer todo o planeta por um ano
(RÜTHER, 2004).
2.2.1 Tecnologia dos painéis fotovoltaicos
Os painéis fotovoltaicos são componentes do sistema fotovoltaico responsáveis por
captar a energia solar transformando-a em eletricidade. De Carli (2016) define que esse tipo de
geração de energia utiliza elementos semicondutores fotossensíveis que convertem a radiação
solar em uma diferença de potencial nos terminais de suas junções. Através de ligações elétricas
nesses terminais, ocorre a circulação de elétrons em corrente contínua.
Os semicondutores mais apropriados à conversão da luz solar são os mais sensíveis, ou
melhor, aqueles que geram o maior produto corrente-voltagem para a luz visível, já que a maior
parcela da energia fornecida pelos raios solares está dentro da faixa visível do espectro
(GEPEA, 2018)
Segundo Marinoski (2004), no mercado têm várias tecnologias fotovoltaicas,
fundamentadas em diferentes elementos. Nas aplicações terrestres destacam-se as células
solares de silício cristalino (c-Si), o silício amorfo hidrogenado (a-Si:H ou a-Si), o telureto de
cádmio (CdTe) e outros compostos relacionados ao dissulfeto de cobre e índio. No entanto,
neste último grupo aparecem elementos altamente tóxicos e raros.
13
A evolução adquirida nas eficiências dos diversos tipos de células atualmente utilizadas,
evidenciam a confiança de que as eficiências dos módulos fotovoltaicos alcançarão valores cada
vez maiores nos próximos anos.
Conforme o GEPEA (2018), seguindo o comportamento do mercado sob o ponto de
vista tecnológico, compreende-se que existe uma disposição da produção mundial de painéis
fotovoltaicos serem dominados pelas tecnologias de silício cristalino e silício amorfo. Observa-
se ainda que tecnologia de filmes finos está sendo cada vez mais empregada, certamente por
apresentar uma grande diversidade de modelos e também por baratear o custo de produção.
Atualmente, estão disponíveis no mercado módulos flexíveis, mais leves e mais resistentes,
semitransparentes, e até mesmo com superfícies curvas, que podem suprir a necessidade de
elementos de revestimento na edificação.
A Canadian Solar é uma das maiores fabricantes mundiais de painéis solares
fotovoltaicos. Reconhecidos em todo mundo por fabricarem placas solares confiáveis, muito
eficientes e de alta qualidade, além de seus módulos terem alto rendimento (PORTAL SOLAR,
2018).
Em conformidade com a NeoSolar (2018), o Painel Solar Fotovoltaico de 330Wp da
Canadian, mostrado na Figura 4, possui dimensões de 1960 mm de largura por 992 mm de
comprimento e 40 mm de altura, tem excelente desempenho, resistente a névoa, sal, amônia e
areia, excelente desempenho mesmo com baixa irradiação solar, além de serem anti-reflexo.
Figura 4: Painel fotovoltaico da Canadian Solar
Fonte: NeoSolar 2018.
14
Com esse elevado padrão de qualidade, este painel conta com certificação INMETRO
nota “A” e 10 anos de garantia contra defeitos de fabricação e garantia de 25 anos para perda
de eficiência maior que 20%. A estrutura é reforçada para suportar pressão causada por vento
de até 2400Pa. É ideal para uso em sistemas conectados à rede (Grid-tie) ou Off-grid (sistemas
fotovoltaicos isolados com baterias) compreendendo também aplicações maiores como usinas
solares e consumos comerciais.
2.2.2 Sistema fotovoltaico conectado à rede
A resolução normativa da ANEEL 482/2012, estabelece as condições para o acesso de
microgeração e minigeração distribuída aos sistemas de distribuição de energia elétrica,
permitindo que em momentos que o sistema gera mais energia do que está sendo consumida, o
excesso é enviado para a rede pública, e quando o consumo for maior do que a geração, a
energia é fornecida pela concessionária.
Nos sistemas interligados à rede elétrica de distribuição, os geradores (módulos
fotovoltaicos) podem ser dimensionados para atender parte ou toda demanda da edificação.
Essa produção de energia elétrica ocorre em CC e a utilização de eletricidade é feita em CA.
Assim, é necessário um inversor que irá transformar cc em ca (LISITA JÚNIOR, 2005)
A configuração básica de um sistema fotovoltaico conectado à rede deverá ter um
inversor que serve de elemento de interface entre o painel e a rede, de modo a converter a
corrente continua gerada pelos painéis em corrente alternada utilizada pela concessionaria. A
Figura 5 esquematiza o sistema Grid-tie.
Figura 5:Componentes de um sistema gerador de energia elétrica do tipo Grid tie.
Fonte: Nativas,2017.
15
Além disso, se faz necessário um medidor bidirecional para quantificar a energia
consumida e fornecida para a concessionaria, trabalhando com a diferença líquida. Caso o
consumidor gere mais energia do que consumiu, esta é armazenada em forma de créditos de
energia, que poderão ser utilizados em até 60 meses, conforme a ANEEL 482/2012, nos meses
que for consumida mais energia do que gerada.
2.2.3 Autoconsumo remoto
De acordo com Lima (2018), a energia elétrica e consequentemente os créditos podem
ser gerados em um local, como por exemplo uma casa de praia, e a compensação do excedente
gerado pode ocorrer em outro. Para isso, ambos os locais devem ser atendidos pela mesma
distribuidora de energia e estar em nome do mesmo titular.
Com isso, os créditos de energia gerados deverão ser abatidos do consumo das unidades
consumidoras cadastradas na distribuidora, desde que os seguintes requisitos para a
caracterização do autoconsumo remoto sejam compridos, conforme a Resolução Normativa nº
482:
No autoconsumo remoto a energia excedente é a diferença positiva entre a energia injetada
e consumida;
O titular da unidade consumidora com micro ou minigeração distribuída deve informar à
concessionária o percentual da energia excedente a ser alocada entre as demais unidades
consumidoras;
O valor a ser faturado é a diferença entre a energia consumida e o excedente de energia
alocado no mês para a unidade consumidora, considerando-se também eventuais créditos
de meses anteriores,
Caso o valor a ser pago seja inferior a taxa mínima, referente ao Custo de Disponibilidade,
será cobrada essa taxa e os créditos gerados poderão ser utilizados por até 60 meses após a
data do faturamento.
2.2.4 Sombreamento
A escolha cuidadosa do local onde o sistema será instalado é fundamental, deve-se
analisar o entorno e se certificar-se de que prédios, postes, árvores e outros obstáculos não
atrapalhem a passagem de luz. Segundo Santos e Melo (2015), quando uma ou mais dessas
células recebe menos radiação solar do que as outras da mesma associação, a corrente de todo
16
o conjunto em série será limitada. Esta redução de radiação incidente pode ocorrer por um
sombreamento parcial do módulo, depósito de sujeira sobre o vidro, ou algo que tenha caído
sobre ele. O efeito de redução de corrente no conjunto de células acaba sendo propagado para
todos os módulos conectados em série.
De acordo com Santos e Melo (2015), além da perda de potência do gerador
fotovoltaico, há o risco de danos ao módulo parcialmente sombreado, uma vez que a potência
elétrica gerada que não está sendo entregue ao consumo é dissipada no módulo afetado, por
vezes apenas sobre uma de suas células. Nesse caso pode ocorrer o fenômeno conhecido como
ponto quente, no qual produz intenso calor sobre a célula afetada, podendo causar ruptura do
vidro e fusão de polímeros e metais.
Para atenuar o problema dos efeitos causados pelo sombreamento, é utilizado o Diodo
de Bypass, que visa desviar a corrente da célula com problema, ligados em paralelo com grupos
de células, assim, é possível que mesmo com o sombreamento de uma das células as outras
continuem produzindo corrente.
17
3 METODOLOGIA
A residência onde será instalado os painéis fotovoltaicos fica localizado na cidade de
Currais Novos (CN), no estado do Rio Grande do Norte (RN), possuindo uma área total de
cobertura de 80 m². No qual, devido a sua localização, recebe uma alta incidência de irradiação
solar. O procedimento utilizado para a efetivação desse trabalho foi desencadeado conforme
simplificado no fluxograma representado na Figura 6.
Figura 6: Roteiro metodológico
A princípio foi realizada uma revisão bibliográfica sobre energia solar fotovoltaica, para
que fosse apresentada propostas de solução, devidamente fundamentadas em conhecimentos
técnicos e científicos, para a redução dos gastos com energia elétrica nas unidades
consumidoras em estudo. Com base nisso, foram selecionadas metodologias de
dimensionamento para um sistema fotovoltaico conectado à rede, uma pesquisa comercial para
fazer o orçamento da implantação da usina e a forma que seria conduzida a análise de
viabilidade econômica.
A segunda fase é fazer a comparação da média mensal dos gastos de janeiro de 2017 até
janeiro de 2018, de toda
Revisão bibliográfica
Aquisição das contas de energia das residências
Dimensionamento
Análise da área disponível
Análise do sombreamento
Estudo de viabilidade econômica
Elaboração do relatório
18
s as residências do titular, com os custos para a implantação das placas, para suportar
100% do consumo de energia das 4 unidades consumidoras. O Quadro 1 a seguir mostra as
unidades residenciais que receberão os benefícios da implantação do sistema fotovoltaico a ser
instalado, bem como a sua descrição, localização e consumo médio de kWh.
Quadro 1- Unidades residenciais em nome do mesmo titular.
Descrição Cidade Consumo Médio
Unidade residencial 1 Condomínio Park Brejuí. Currais Novos 250 (kWh)
Unidade residencial 2 Casa Currais Novos 150 (kWh)
Unidade residencial 3 Lacqua condominium club Natal 150 (kWh)
Unidade residencial 4 Condomínio Dorian Gray Natal 400 (kWh)
TOTAL 950 (kWh)
A terceiro passo constitui-se na visita em campo para analisar a área de implantação dos
painéis fotovoltaicos e a análise do sombreamento no local. A instalação dos painéis
fotovoltaicos será realizada na unidade residencial 1 localizada no condomínio Park Brejuí em
Currais Novos, uma vez que apresenta uma ampla área, com um potencial favorável para a
geração de muita energia solar, sem apresentar obstáculos que possam fazer sombreamento nos
módulos. A Figura 7 mostra a vista aérea do condomínio onde será instalado o sistema.
Figura 7: Vista aérea da unidade residencial 1 (sinalizada).
Fonte: Google maps [2018?]
19
A unidade 2 localizada no centro da cidade de Currais Novos, conforme a Figura 8, tem
um consumo médio de 150 kWh por mês.
Figura 8: Vista aérea da unidade residencial 2 (sinalizada).
Fonte: Google maps [2018?]
A unidade residencial 3 é um apartamento do Lacqua condominium club, mostrado na
Figura 9, localizado na cidade de Natal com um consumo médio de energia elétrica é de 150
kWh por mês.
Figura 9: Vista aérea da unidade residencial 3.
Fonte: Google maps [2018?]
20
A unidade residencial 4 é um apartamento do condomínio Dorian Gray, conforme
mostra a vista aérea na Figura 10, na cidade de Natal com consumo médio mensal de 400 kWh.
Figura 10: Vista aérea da unidade residencial 4.
Fonte: Google maps [2018?]
De acordo com Lisita Junior (2005 Apud ALMONACID 2004), uma das formas de
definir o dimensionamento da potência nominal (em kWp) de um sistema fotovoltaico é buscar
a equivalência do sistema fotovoltaico com o consumo da instalação, buscando dessa forma a
autossuficiência liquida.
Assim, para iniciar um dimensionamento do sistema fotovoltaico é preciso saber o
quanto será consumido. O consumo médio mensal de energia elétrica nas unidades
consumidoras foi determinado a partir do somatório das quatro contas de energia das unidades
habitacionais do período de janeiro de 2017 até dezembro de 2017.
Para que a energia gerada pelo painel fotovoltaico possa ser calculada é necessário
realizar uma estimativa do potencial energético solar incidente sobre ele, com o auxílio do
número de horas de Sol Pleno (HSP) é possível representar o valor acumulado de energia solar
ao longo de um dia.
A latitude e a longitude aproximada do local são obtidas no programa Google Earth e
com isso procura-se valores próximos dos obtidos no sistema de dados SunData
(www.cresesb.cepel.br) e encontra-se as radiações solares diárias médias no local onde haverá
a implantação dos módulos fotovoltaicos.
21
Para Almeida (2012), um sistema fotovoltaico com ótimo desempenho oferece uma
Taxa de Desempenho (TD) de 75%, sendo 25% a perda total de energia. Assim, afim de ter
uma boa aproximação de dados em concordância com a literatura, adotou-se o valor de 75%
para a TD. Foi utilizado a Equação 1 a seguir para calcular a potência nominal total da instalação
fotovoltaica (P), onde o consumo diário médio de todas as unidades consumidoras é
representado por CD e o HSP é o número de horas de Sol Pleno.
P =𝐶𝐷
TD HSP (1)
Dessa forma, escolhendo-se os painéis fotovoltaicos (Pp) e de posse da potência nominal
do sistema é possível calcular o número de módulos (N) necessários para atender a demanda
solicitada através da equação 2.
𝑁 =𝑃
𝑃𝑝 (2)
Com o intuito de maximizar captação de radiação solar pelos módulos fotovoltaicos, é
preciso averiguar a orientação dos mesmos. Segundo Villalva (2015), a melhor maneira para
instalar um módulo fotovoltaico é orienta-lo com a face voltada para o norte. Outra observação
importante é a inclinação dos módulos fotovoltaicos, conforme o CRESESB (2014), para obter
a geração máxima de energia durante o ano, o ângulo de inclinação deve ser igual à latitude do
local onde o sistema será instalado.
A área para instalação de painéis fotovoltaicos depende do tamanho e características do
sistema, bem como da forma como eles deverão ser montados nos arranjos. Um sistema de 1
kWp ocupa uma área de aproximadamente 7 m² de painéis. No entanto, se estiverem inclinados
sobre uma superfície plana como uma laje, um painel pode fazer sombra sobre o outro e eles
deverão ficar afastados, exigindo uma área até duas vezes maior do que previsto (NORTHSOL,
2018).
A escolha do inversor deve ser realizada em conformidade com as especificações do
sistema fotovoltaico ao qual estará conectado. De acordo Da Costa (2010), ele deve ser
dimensionado para trabalhar na faixa de potência de 0,75 a 1,2 da potência nominal do gerador
fotovoltaico. Neste projeto, optou-se por usar o inversor trifásico FRONIUS SYMO 7.0-3-M,
com Monitoramento Wi-Fi, possuindo um rendimento elevado e com potência nominal de 7
kW, suficiente para suprir a demanda.
O painel solar fotovoltaico Canadian Solar, modelo CSI CS6U-330P, possui estrutura
reforçada feita em alumínio anodizado com barra estabilizadora adicional. Pesa 22,2Kg e tem
dimensões de 1660 x 992 x 40 (mm). Este módulo fotovoltaico apresenta eficiência de 16,97%.
22
As células fotovoltaicas de silício policristalino são protegidas por uma resistente camada de
vidro temperado de alta transmissibilidade, a moldura em alumínio já vem com as furações para
fixação. Em condição padrão de teste STC/CPT: Irradiação de 1.000 W/m², Espectro de Massa
de Ar 1.5 e Temperatura de Célula de 25°C, este módulo solar fotovoltaico produz 330W, 8,88A
e 37,2V em corrente contínua.
Com o intuito de comparar o que foi calculado e o que foi pesquisado, foi realizado um
orçamento pelo site Portal Solar, com base na média de consumo elétrico mensal das unidades,
o simulador Portal Solar também mostra valores simulados para preço médio de um gerador
fotovoltaico deste porte, quantidade de placas fotovoltaicas de acordo com a potência do
módulo, produção anual de energia, área mínima ocupada pelo sistema, peso médio por metro
quadrado e geração mensal de energia.
A quarta etapa constitui-se do estudo da viabilidade econômica, utilizando uma análise
de projetos simples, para que seja definido o tempo de retorno do investimento realizado. A
análise de viabilidade econômica do projeto é determinada através do somatório de todos os
custos relativos à implantação do sistema fotovoltaico sugerido. Dessa forma, é preciso realizar
uma pesquisa para a obtenção de valores atuais de painéis fotovoltaicos e inversores, bem como
o valor dos equipamentos de proteção, do projeto elétrico, da interligação com a rede elétrica
da concessionaria, do custo da instalação e o custo da Anotação de Responsabilidade Técnica
(ART) do CREA.
Para a análise econômica, um indicador econômico simples é o payback. Ele é usado
para averiguar a atratividade de um investimento, já que este determina o prazo de recuperação
do investimento. Na equação 3, tem-se que o valor do investimento inicial (Vi), dividido pelo
produto entre a tarifa média (T) (já com os tributos, PIS/COFINS inclusos) e a energia gerada
anualmente (Eg), resulta no tempo do retorno financeiro em anos.
𝑃𝑎𝑦𝑏𝑎𝑐𝑘 =Vi
T Eg (3)
Por fim, deve-se redigir um relatório para que seja apresentado ao titular das residências
para uma possível aceitação de serviço.
23
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO
Com a análise dos gastos referentes ao suprimento de energia elétrica nas unidades
residenciais em um ano, observa-se que o titular das unidades habitacionais consome em média
950 kWh por mês, o Quadro 2 mostra os custos mensais das residências do titular. Assim,
estima-se que o consumo médio está em torno de 950 kWh/mês, o que é equivalente à 18,33
kWh/dia.
Quadro 2- Custos mensais das residências que receberá benesses.
Consumo (kWh) Tarifa (R$) Despesas (R$)
Unidade residencial 1 250 0,62337611 155,84
Unidade residencial 2 150 0,60473738 90,71
Unidade residencial 3 150 0,73337611 109,50
Unidade residencial 4 400 0,80529631 322,12
TOTAL 678,17
Dessa forma, o suprimento de energia elétrica nessas unidades gera uma dívida com a
concessionária em torno de 678,17 R$ por mês. Com a implantação do sistema fotovoltaico,
essa despesa poderá ser reduzida ao custo de disponibilidade de quatro unidades consumidoras
trifásicas, apresentando taxa mínima de 276,34 R$ por mês, conforme mostra o Quadro 3.
Quadro 3- Taxa mínima a ser paga referente ao Custo de disponibilidade de energia das residências.
Consumo (kWh) Tarifa (R$) Despesas (R$)
Unidade residencial 1 100 0,62338 62,33
Unidade residencial 2 100 0,60474 60,47
Unidade residencial 3 100 0,73337611 73,00
Unidade residencial 4 100 0,8053 80,52
TOTAL 276,341
4.1 DIMENSIONAMENTO
O consumo médio mensal de energia elétrica nas unidades consumidoras foi
determinado a partir do somatório das quatro contas de energia das unidades habitacionais do
período de janeiro de 2017 até dezembro de 2017. Assim, estima-se que o consumo médio está
em torno de 950 kWh/mês, o que é equivalente à 18,33 kWh/dia.
24
Para o local escolhido, Currais Novos, foi encontrada uma latitude de 6,301° Sul e a
longitude de 36,549° Oeste obtendo 5,7 kWh/m².dia de radiações solares diárias médias.
Atendendo ao consumo diário médio (CD) de todas as unidades consumidoras de 31,67
kWh/dia, a Eq. (1) apresenta que a potência nominal total da instalação fotovoltaica (P) será de
7,4 kWp.
P =𝐶𝐷
TD HSP=
31,67
0,75 5,7= 7,4 𝑘𝑊𝑝 (1)
Assim, ao dividir o consumo nominal total da instalação fotovoltaica de 31,67 kWh/dia
pela média da Irradiação solar diária média mensal de 5,7 kWh/m2.dia e considerando o
desempenho de 75% do modulo fotovoltaico, tem-se 7,4 kWh/pico.
Dessa forma, escolhendo-se os painéis (Pp) de 330 Wp e de posse da potência nominal
do sistema fotovoltaico é possível calcular o número de módulos (N) necessários para atender
a demanda solicitada através da equação 2.
𝑁 =𝑃
𝑃𝑝=
7400
330= 22,4 (2)
Assim, serão necessários 23 módulos fotovoltaicos.
Quanto a inclinação dos módulos fotovoltaicos para obter a geração máxima de energia
durante o ano, o ângulo de inclinação deve ser igual à latitude do local onde o sistema será
instalado, aproximadamente 6°.
4.2 CALCULO DA ÁREA UTILIZADA PELOS MÓDULOS
Com base nos cálculos da área, foram realizadas medições a fim de saber a área
disponível na cobertura da unidade habitacional escolhida, totalizando 80 m² de área potencial
para a implantação de painéis fotovoltaicos. Como a literatura diz que um sistema de 1 kWp
ocupa uma área de aproximadamente 7 m² de painéis, e temos 7,4 kWp, necessitamos de 52 m²,
assim a área disponível atende a área solicitada.
4.3 SIMULAÇÃO FEITA PELO PORTAL SOLAR
Afim de comparar o que foi calculado e o orçamento realizado pelo site Portal Solar,
com base na média de consumo elétrico mensal das unidades, a Figura 11 mostra a simulação
da potência necessária para suprir tal demanda energética.
25
Figura 11: Simulação do projeto fotovoltaico
Fonte: Portal Solar [2018?]
Por fim, é possível averiguar que há similaridade no que foi calculado nesse trabalho,
conforme a literatura, e o que foi orçado pela empresa Portal Solar.
4.4 PERCENTUAL DE ENERGIA A SER DISTRIBUÍDA ENTRE AS UNIDADES
Afim de cumprir um dos pré-requisitos para a implantação de um sistema de
autoconsumo remoto, o titular da unidade consumidora com micro ou minigeração distribuída
deve informar à distribuidora o percentual da energia excedente a ser alocada entre as demais
26
unidades consumidoras. Assim, o Quadro 4 apresenta o percentil para cada unidade
consumidora.
Quadro 4- Percentual de energia gerada que serão destinadas as residências.
Consumo Médio (kWh) Percentual de energia
Unidade residencial 1 250 26%
Unidade residencial 2 150 16%
Unidade residencial 3 150 16%
Unidade residencial 4 400 42%
FONTE: Autores.
Com isso, observa-se que a unidade residencial 4, Dorian Gray, é a unidade que detém
o maior consumo de energia elétrica e assim, receberá uma maior porcentagem da energia
gerada, seguido da unidade residencial 1, Condomínio Park Brejuí, com 26%.
4.5 ANALISE DE PROJETOS
Segundo uma pesquisa comercial realizada, os custos referentes a implantação do
sistema fotovoltaico são apresentados no Quadro 5.
Quadro 5- Orçamento conforme pesquisa comercial realizada no mercado solar.
EQUIPAMENTOS E SERVIÇOS Quantidade CUSTOS (R$)
INVERSOR (FRONIUS SYMO 7.0-3-M) 1 9900
MÓDULOS (CANADIAN 330Wp) 23 16000
PROJETO ELÉTRICO, ENCARGOS DA
EMPRESA DE INTALAÇÃO E
INSTALAÇÃO DOS PAINEIS
- 4100
EQUIPAMENTOS DE PROTEÇÃO,
CABOS E CONECTORES - 2000
VALOR INICIAL DO INVESTIMENTO - 32.000
* VALOR DO PAINEL UTILIZADO: 699 REAIS
O valor do painel utilizado nos cálculos foi de 699 reais e o valor do inversor foi de
9900 reais. Os painéis solares, descritos acima, serão instalados na cobertura da edificação,
onde já existe uma laje. Verifica-se que o investimento (Vi) em equipamentos e serviços para
27
instalação do sistema e geração de energia através de painéis fotovoltaicos, conforme pode ser
visualizado no Quadro 5, é de R$ 32000.
Portanto, conforme apresentado no Quadro 2, é possível analisar as tarifas de cada
residência e com isso calcular a tarifa média. Assim, a tarifa média (T) é de R$/kWh
0,691696478. Com isso e a energia gerada anualmente, tem-se, conforme a equação 3, um
payback de aproximadamente 4 anos.
𝑃𝑎𝑦𝑏𝑎𝑐𝑘 =Vi
T Eg=
32000
0,691696478 (31,67x365)= 4 𝑎𝑛𝑜𝑠. (3)
Isso significa dizer que em 4 anos ocorrerá o retorno do investimento inicial
(considerando que não haverá aumento da tarifa de energia elétrica nesses 4 anos). A partir de
então a energia que continuará sendo gerada, em pelo menos mais 20 anos, será o lucro do
investimento.
28
5 CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES
5.1 CONCLUSÕES
Ultimamente existem diversas marcas e modelos de painéis solares cada vez mais
potentes disponíveis no mercado, proporcionando versatilidade na sua instalação em variadas
formas. Não obstante, o aspecto construtivo da edificação detém ainda grande influência no
projeto do sistema fotovoltaico.
Salienta-se que a área útil para a implantação dos módulos fotovoltaicos deve ser
minuciosamente analisada, uma vez que é importante evadir a aplicação dos painéis em regiões
sombreadas, visto que isto reduz o potencial de aproveitamento de energia solar, reduzindo a
eficiência do sistema de geração.
A eficiência do painel fotovoltaico é um importante fator de escolha, no entanto, outros
aspectos também devem ser analisados, tais como, a integração com a edificação, a resistência
a altas temperaturas, custo dos painéis, desgaste e outras implicações técnicas.
O estudo mostrou a viabilidade técnica e econômica da implantação de uma usina solar
fotovoltaica como alternativa para redução de custos com o suprimento de energia elétrica em
residências, de mesmo titular, em lugares distintos do local de geração caracterizado como o
autoconsumo remoto.
Os resultados da análise do payback apontaram que o projeto em questão é viável e que
o prazo de recuperação do investimento é de 4 anos. Por fim, ratifica-se que além de diminuir
custos com o fornecimento de energia elétrica nas quatro unidades consumidoras, a energia
fotovoltaica é a forma de produzir energia elétrica com menor impacto ambiental.
Além disso, ao produzir sua própria energia não haverá interferências com os reajustes
tarifários e das bandeiras utilizadas para a formação da tarifa, com a autoprodução elétrica evita-
se investimentos em novas usinas hidrelétricas e reduz o uso de termelétricas, que são mais
caras e poluem o planeta.
5.2 SUGESTÕES
Fazer um estudo financeiro da aplicação de uma micro geração eólica e/ou micro
geração solar para um mesmo empreendimento para poder compara-las.
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