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Energia Solar – Microgeração em habitações unifamiliares 1/17

Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

Energia Solar

Microgeração em Habitações Unifamiliares

Projeto FEUP 2014/2015 MIEEC

Armando Sousa Manuel Torres Nuno Fidalgo

Equipa G3:

Supervisor: Nuno Fidalgo Monitor: Bruno Augusto

Estudantes & Autores:

André Duarte Correia de Oliveira [email protected]

João Pedro Marques Costa [email protected]

Daniel Filipe Almeida Carvalho [email protected]

Pedro Miguel Ramos Costa [email protected]

Pedro Peres Lopes [email protected]

mailto:[email protected].

mailto:[email protected]





Resumo

No âmbito da unidade curricular ProjetoFEUP foi realizado este trabalho com o tema

Energia Solar e subtema Microgeração em Habitações Unifamiliares.

Com este trabalho pretendemos demonstrar a viabilidade da montagem de um sistema

de microgeração em nossas casas.

Será exposto o processo de montagem e legalização do sistema e, com um exemplo

prático, será testado se, comparativamente a um utilizador da rede elétrica comum, o

aproveitamento da energia solar desta maneira é ou não uma melhor alternativa a nível

económico.

Palavras-Chave

Energia Solar;

Painel Fotovoltaico;

Microgeração;

Rentabilidade.


Índice

1. Introdução

2. Energia Solar

2.1 Comparação com outros tipos de energia

2.2 Vantagens e desvantagens da energia solar

2.3 Aproveitamento da energia solar

2.3.1 Equipamentos usados para o aproveitamento dessa energia

3. Painéis Fotovoltaicos

3.1 Evolução histórica

3.2 Centrais fotovoltaicas

3.3 Centrais fotovoltaicas em Portugal

4. Microgeração em habitações unifamiliares

4.1 Condições para a microgeração

4.1.1 Aspeto legal

4.1.2 Aspeto técnico

4.2 Equipamentos do sistema

4.3 Exemplo prático

4.4 Estudo Económico

4.4.1 Cálculo do Investimento Inicial

4.4.2 Cálculo do Rendimento por Opção

4.4.3 Cálculo da Remuneração

4.4.4 Conclusão

5. Conclusão

6. Referências bibliográficas


1. Introdução

Pode-se dizer que a mais primitiva das formas de energia que utilizamos é a humana

(energia sob a forma de trabalho), produzida pelos músculos dos nossos corpos a partir das

calorias ingeridas na alimentação. Contudo, com a descoberta do fogo, o homem passou a

tirar partido de fontes externas e passou a produzir energia térmica, o que lhe permitiu uma

significativa melhoria na sua qualidade de vida.

Com o passar do tempo, a evolução da sociedade e das necessidades do Homem levou

a que surgissem novas formas de explorar o que a natureza oferecia. Surgiram assim as

primeiras utilizações da energia eólica e hidráulica, quer nas embarcações à vela, quer em

moinhos de vento ou de água. Uns séculos mais tarde, e com o surgimento da máquina a

vapor, a queima de carvão mineral e a lenha passaram a ser os meios prediletos de produzir

energia, visto serem mais baratos e mais rentáveis: dava-se a Revolução Industrial.

Aos poucos e poucos, também o petróleo foi sendo utilizado, passando este a ser a

principal fonte de energia da humanidade. Embora extremamente poluente tal como todos

os combustíveis fósseis, devido à sua eficiência com menor custo, a sua utilização em

massa foi inevitável. A realidade é que desde esta altura até ao presente, o Homem tentou

criar fontes de energia alternativas, principalmente depois de se aperceber que as reservas

de combustíveis fósseis eram limitadas e extremamente nocivas para o meio ambiente.

Assim surgiu, recentemente, a energia nuclear e as energias como a eólica, hídrica e

solar passaram a ter uma nova importância no monopólio energético dos combustíveis

fósseis. Contudo, ainda não há uma alternativa economicamente viável, para muitos casos,

a este tipo de energia cujas fontes (reservas de combustíveis fósseis) são limitadas, ou seja,

a esta energia não renovável que para além de finita é responsável por poluir seriamente o

nosso planeta.

Progressos, porém, começaram a ser feitos com o objetivo de obter uma alternativa

rentável e, de preferência, capaz de se regenerar e, portanto, inesgotável: uma energia

renovável.

Existem diversos tipos de energia que preenchem estes requisitos, como a biomassa,

hídrica e eólica, mas neste relatório o grupo irá abordar com mais pormenor a energia solar.


2. Energia Solar

2.1 Comparação com outros tipos de energia

Neste ponto é comparada a energia solar com outras três fontes de energia renováveis

que, juntamente com a solar, são eleitas as fontes de energia alternativas às usadas

atualmente para o futuro.

Comparativamente à energia eólica:

menos ruidosa;

fator localização (uma vez que é mais importante

estar situado num sítio ventoso para se produzir energia

eólica do que num sítio solarengo para se produzir energia

solar;

custos de manutenção substancialmente mais

reduzidos.

Comparativamente à energia hídrica

• Solar pode ser usada em pequena escala;

• Pode ser usada em propriedades privadas sem

necessidade de um espaço adicional (podem ser

instalados em espaços inutilizados como telhados);

• Impacto ambiental da instalação de uma rede de

painéis fotovoltaicos nos ecossistemas ou na estrutura

geológica da localidade bastante reduzido em

comparação com a construção de uma barragem.

Comparativamente à energia biomassa

Bastante mais acessível ao consumidor;

Ainda que renovável, a utilização desta energia

continua a emitir dióxido carbono para a atmosfera;

Os painéis fotovoltaicos possuem um rendimento

significativamente maior (aproximadamente igual a 20%) do

que o da produção de energia sob a forma de biomassa (que

ronda o ponto percentual).


2.2 Vantagens e desvantagens da energia solar

Na seguinte tabela (tab.1) são apresentadas vantagens e desvantagens do

reaproveitamento de energia solar através de painéis fotovoltaicos.

Vantagens da Energia Solar Fotovoltaica Desvantagens da Energia Solar Fotovoltaica

O Sol é uma fonte de energia e calor inesgotável, logo a maioria da luz solar que chega à Terra pode ser convertida pelas centrais de energia solar fotovoltaica para produzir energia, sendo assim uma fonte de energia renovável e alternativa.

É uma fonte de energia livre, limpa, sem fontes de poluição. No fim de vida útil dos equipamentos usados para produzir painéis solares fotovoltaicas, estes podem ser reutilizados.

Única manutenção necessária é manter os painéis limpos de poeiras que impeçam a absorção da luz solar pelo painel.

Baixos custos operacionais;

O uso de uma rede elétrica proveniente de fontes de energia solar fotovoltaica pode ajudar a reduzir o desperdício de transmissão de energia que ocorre ao longo da linha elétrica.

Bastante margem de progressão, visto pouco ter sido investido na investigação desta fonte em relação às fontes de energia fósseis ou nucleares.

A eficiência do sistema aumenta de acordo com o aumento da produção.

Os painéis de energia solar fotovoltaica têm um custo de instalação elevado (embora acabem por compensar o investimento com o passar dos anos).

A energia solar não é produzida à noite, logo não pode haver conversão de energia solar fotovoltaica durante a noite.

A energia solar fotovoltaica necessita de grande densidade de insolação para trabalhar a um ritmo constante e produtivo.

Tab 1 – Tabela com algumas das vantagens e desvantagens da energia solar

2.3 Aproveitamento da energia solar

Existem três tipos principais de aproveitar a energia proveniente do Sol:

Arquitetura Bioclimática;

Coletores Solares;

Painéis Fotovoltaicos.


Arquitetura Bioclimática:

Consiste na projeção e construção dos edifícios de modo a que possam tirar o maior

proveito das condições climáticas e dos recursos da região em que são construídos.

Recursos como o calor e a iluminação provenientes da radiação solar podem trazer

grandes vantagens se tivermos em conta o onde e o como construímos uma habitação (e

não só: qualquer construção pode beneficiar da arquitetura bioclimática).

Um bom uso da arquitetura bioclimática pode reduzir os impactos do ambiente e

economizar bastante a energia que gastamos. Estas construções podem ter um custo

acrescido, mas funciona exatamente como um investimento.

Coletores Solares:

Servem fundamentalmente para o aquecimento de água (principalmente usados em

habitações, sendo que os mais comuns são os planos). Estes recebem a radiação vinda do

sol, concentrando-a e aquecendo a água.

São constituídos por uma cobertura transparente, uma placa absorsora e uma caixa

isolada. A cobertura provoca o efeito de estufa e reduz a dissipação do calor; a placa

recebe a energia vinda sob a forma de radiação solar e converte-a em energia sob a forma

de calor; a caixa isolada atua também como um agente que combate a dissipação do calor

e protege também o interior do coletor de fatores externos.

Painéis Fotovoltaicos:

São painéis cujo objetivo é, a partir da luz proveniente do sol, transformar radiação

em corrente elétrica, fazendo uso do efeito fotoelétrico.

O efeito fotoelétrico consiste na libertação de eletrões, geralmente por um metal

(mas não necessariamente), aquando da incidência de radiação eletromagnética nele

mesmo. A libertação (ou não) de eletrões por parte do metal depende da frequência do(s)

fotão(ões), sendo que a energia do fotão é directamente proporcional a esta e tendo essa

energia que superar em quantidade a energia de remoção do material.

A corrente elétrica gerada pode ser usada para vários fins (fornecimento de energia,

transportes, utensílios do quotidiano, iluminação – e sinalização -, aplicações espaciais, …).


3. Painéis Fotovoltaicos

3.1 Evolução histórica

A história dos painéis fotovoltaicos começou em 1839 com a descoberta do efeito

fotovoltaico [1], mas só começaram a ser utilizados na década de 60. Hoje os painéis

fotovoltaicos já representam grande parte da energia produzida no mundo e com a evolução

da ciência é esperado que um dia possam representar uma fatia muito maior. A imagem

abaixo é bastante elucidativa sobre a evolução dos painéis fotovoltaicos.

Imagem 1 – Esquema sobre a evolução dos painéis fotovoltaicos e da energia solar no mundo. [3]


3.2 Centrais fotovoltaicas

3.2.1 Centrais fotovoltaicas em Portugal

Portugal é um dos países que mais contribui para a produção de energia solar a nível

mundial.

No país podemos contar com uma grande quantidade de centrais fotovoltaicas, tirando

partido das muitas horas de sol a que está exposta a zona do Sul de Portugal. Contamos

com o Parque Solar de Almodôvar, a Central Solar de Ferreira do Alentejo, a Central Solar

de Ferreira, a Central Fotovoltaica de Olva, entre tantas outras, mas as que podemos dar

mais destaque são o Parque Solar Hércules/Serpa e a Central Solar Fotovoltaica da

Amareleja, que, no ano da sua construção, era a maior do Mundo.

Em seguida encontram-se alguns dados estatísticos da central da Amareleja.

Tabela 2 – Dados principais sobre a central fotovoltaica da Amareleja. [4]


4. Microgeração em habitações unifamiliares

A utilização de painéis fotovoltaicos e a produção de energia através do aproveitamento

da luz solar não se limitam às grandes centrais fotovoltaicas.

Diz o Decreto-lei n.º 363/2007 que um particular (ou um condomínio) está agora apto

para ser um micro produtor de energia através da instalação de um sistema solar

fotovoltaico (ou um sistema eólico) e vender a energia que produza.[5]

Este será o ponto fulcral do estudo e será aqui concluído se a utilização dum sistema de

microgeração fotovoltaica é realmente viável a nível económico ou apenas a nível

ambiental.

4.1 Condições para a microgeração

Quais os requisitos para a criação de um sistema de microgeração em habitações

unifamiliares?

Estes requisitos podem ser vistos de dois pontos de vista diferentes: o aspeto legal e o

aspeto técnico.

4.1.1 Aspeto legal

É necessário passar por várias fases a nível burocrático para que todo este processo

seja realizado de forma correta e para que tudo esteja em conformidade com a lei:

1ª Fase - Registo da unidade de microgeração e pagamento da respectiva taxa;

2ª Fase - Encomenda do “Kit Microgeração” diante de uma empresa que realize estas

instalações;

3ª Fase - Instalação da unidade de microprodução e solicitação da inspecção pela

Certiel (até 120 dias após o pagamento do registo);

4ª Fase – Contrato de produção. Após aprovação do sistema por parte da Certiel esta

emite o certificado de exploração e comunica à sua empresa fornecedora de energia

eléctrica (no prazo de 15 dias úteis) a aprovação da sua instalação. O seu fornecedor de

energia eléctrica envia (no prazo de 15 dias úteis) ao produtor o contrato de compra-venda

de eletricidade;

5ª Fase – Ligação à rede. O produtor deverá enviar o contrato assinado para o seu

fornecedor de energia eléctrica, após este recepcionar o documento terá 10 dias úteis para


proceder à ligação do sistema e entrar em contacto com o microprodutor informando-o da

data de ligação;

6ª Fase – Produção e venda. O microprodutor inicia a sua actividade.

4.1.2 Aspeto técnico

A nível técnico deve satisfazer-se, em primeiro lugar, as seguintes condições:

Possuir uma instalação de energia e um contrato de compra-venda de

energia de eletricidade com um comercializador;

Deve ter instalada a unidade de microprodução que vai utilizar;

A potência máxima da unidade de microprodução não pode ser superior a

50% da potência contratada ou até um máximo de 3.68KW;

Possuir colectores solares térmicos com um mínimo de 2 m² de área útil ou

caldeira a biomassa com produção anual de energia térmica equivalente.

4.2 Equipamento do sistema

A escolha dos equipamentos a usar no sistema deve ser feita cuidadosamente tendo em

conta vários fatores que, caso assim não o seja, podem causar um défice no rendimento ou

até um mau funcionamento do sistema.

Esses fatores são, por exemplo, o local onde será montado cada componente do

sistema, a inclinação do(s) painel(éis), a sombra causada pelos outros painéis, a potência

contratada, o tipo de painel (monocristalino, policristalino, telha fotovoltaica), etc..

Baseado nos cuidados a ter faz-se a escolha do equipamento: um (ou mais)

inversor(es), caixas de junção, interruptor principal DC, cabos e proteções e um contador

que estará responsável pela contagem da energia gerida pelo módulo fotovoltaico.

4.3 Exemplo Prático

Para melhor compreendermos e compararmos a microgeração fotovoltaica em

habitações recorre-se ao seguinte exemplo prático:

“Foi feito o dimensionamento de um sistema de microgeração fotovoltaico para uma

moradia composta por três pisos (...). A potência contratada para esta moradia foi de 10,35

kVA.” (Miguel Filipe da Silva Esteves, 2012, “Centrais fotovoltaicas em habitações

unifamiliares”, 1ª edição, FEUP.)


Os painéis foram colocados numa face do telhado com boa exposição solar e numa

inclinação igual à do telhado, 20º.

Para esta simulação foi usado o simulador PVSYST (programa de dimensionamento e

simulação de sistemas solares fotovoltaicos) e testaram-se dois tipos de painéis (foram

escolhidos os dois melhores dos testes) e dois tipos de inversores:

Painel Tecnologia Potência (W) Preço Unitário (€)

Suntech, STP200-18/Ud

(Solução inicial) Poli cristalino 200 200,125

Suntech, STP260-24/Vb

(Painel a comparar) Poli cristalino 260 239,902

Tab 2 – Painéis utilizados no simulador para o exemplo prático e respetivos preços

praticados nos EUA na data da realização da simulação.

Inversor Potência (W) Preço Unitário (€)

Fronius IG 40 (Outdoor)

(Solução inicial) 3500 1861

Sunny Boy SB 3300

(Painel a comparar) 3300 1697

Tab 3 – Inversores utilizados no simulador para o exemplo prático e respetivos

preços praticados nos EUA na data da realização da simulação.

Depois de estudado este caso particular calculou-se o número de painéis e de fileiras

necessárias para corresponder à necessidade desta habitação.

Painel Número de painéis / Fileiras Preço Total (€)

Suntech, STP200-18/Ud

(Solução inicial) 18 / 2 3602.25

Suntech, STP260-24/Vb

(Painel a comparar) 14 / 2 3358,628

Tab 4 – Número de painéis e de fileiras necessários para cada tipo de painel e

respetivo preço total.

Realizou-se também o teste com diferentes inclinações para verificar influência da

inclinação do painel no seu rendimento. As inclinações utilizadas foram a do telhado, 20º, e

uma inclinação de 30º.

Os valores obtidos em média mensalmente até ao décimo quinto ano onde a taxa de

bonificação iguala a taxa de compra de eletricidade foram registados para realizar a devida

comparação com a taxa de compra regular de energia ao comercializador.


4.4 Estudo Económico

4.4.1 Cálculo do investimento inicial

Como podemos observar na tabela 1, situada em 4.3, o painel escolhido para a solução

inicial é mais económico que o painel a comparar (o painel Suntech, STP200-18/Ud) tem

um custo individual de 200,125€ contra 239,902€ do painel alternativo.

Mas multiplicado pelo número de painéis necessários reparamos que o tipo de painel a

comparar (Suntech, STP260-24/Vb) fica significativamente mais barato que o inicial.

Com o objetivo de diminuir o custo do investimento inicial escolheu-se o painel a

comparar como sendo este a nossa principal escolha uma vez que este faz com que o

investimento inicial seja menor comparativamente com o ouro modelo, formaram-se duas

opções de estudo:

Opção 1 – painel Suntech, STP260-24/Vb, e inversor Fronius IG 40 Outdoor.

Opção 2 – painel Suntech, STP260-24/Vb, e inversor Sunny Boy SB 3300.

Definidas as combinações painel – inversor a utilizar calcula-se o respetivo investimento

inicial para cada uma das opções consideradas. Uma vez que o painel e o inversor

representam quase a totalidade do investimento na microgeração o preço dos restantes

materiais será ignorado nos resultados seguintes:

Opção Investimento Realizado (€)

Opção 1 10475

Opção 2 10273

Tab 5 – Valores estimados (kWh) da produção de energia através do simulador

PVSYST.

4.4.2 Cálculo do Rendimento por Opção

Com base no simulador anteriormente referido realizaram-se testes para obter a energia

estimada (kWh) para cada uma das opções apresentadas em cima.


Mês Opção 1 Opção 2

Janeiro 249.2 251.7

Fevereiro 260.7 263.3

Março 421.2 425.3

Abril 453.4 457.8

Maio 543.9 549

Junho 555 560.2

Julho 552.8 558.2

Agosto 547 552.1

Setembro 453.8 458.1

Outubro 355.7 359.4

Novembro 233.5 235.8

Dezembro 198.2 200. 1

Total 4824.4 4871.1

Tab 6 – Valores estimados (kWh) da produção de energia através do simulador

PVSYST com inclinação igual à do telhado.

A opção 2 é a combinação para a qual os valores estimados de energia são os

superiores. Submetendo os painéis da opção 2 a uma inclinação superior (agora de 30º),

notou-se um aumento na sua produção. Agora com uma produção estimada de 4970.8

kWh.

Daqui concluiu-se que a melhor opção para colocar nesta habitação é a opção 2.

4.4.3 Cálculo da Remuneração

Conforme a Portaria nº 431/2012, a remuneração, em regime bonificado para 2013, é de

0,196€/kWh nos primeiro 8 anos (primeiro período tarifário), 0,165€/kWh nos 7 anos

seguintes (segundo período tarifário) e ao décimo sexto ano este regime deixa de ser

aplicável e passa a ter o valor igual ao do regime geral.[6]

Calculando o balanço nos 15 anos abrangidos pelo regime bonificado, obtivemos a

tabela 7.

Tab 7 – Cálculo da remuneração do sistema de microgeração no período abrangido pelo

regime bonificado

Período Remuneração

Primeiro período tarifário 7637,88

Segundo período tarifário 5626,12

Total 13264,00


4.4.4 Conclusão

Após a realização dos cálculos do investimento inicial e da remuneração nos quinze

anos abrangidos pelo regime bonificado é feito o balanço total de gastos e de ganhos do

investimento no sistema.

Tab 8 – Cálculo do balanço monetário dos gastos e remunerações no caso simulado

Concluímos que até que o regime bonificado passe a regime geral este

investimento é recuperado e ainda gera um lucro de cerca de três mil euros.

Podemos também deduzir que o investimento é retomado ao fim de

aproximadamente 11 anos e 4 meses.

Descrição Saldo (€)

Investimento Inicial (-) 10273

Remuneração

Primeiro período tarifário

7637,88

Segundo período tarifário

5626,12

Total + 2991,00


5. Conclusão

Com a realização deste trabalho foi possível concluir que a energia solar não só é

um tipo de energia renovável e limpa como funciona tal e qual um investimento (como visto

em 4.4.4). Sendo que o mercado se rege pela lei da oferta e da procura, quanto maior a

adesão ao aproveitamento individual da energia solar, melhor será a sua oferta.

Numa era em que ser-se “verde” é mais importante do que nunca e numa sociedade

em que as ações de uma só pessoa têm pouco ou quase nenhum efeito, nasce a

necessidade de alertar o maior número de pessoas para as vantagens do uso de energias

renováveis face às não renováveis.

Em suma, e mais relativamente a este relatório, conclui-se que é rentável o uso da

energia solar face a outras energias poluentes e/ou finitas tanto a nível financeiro, como a

nível ambiental.


6. Referências bibliográficas

Ponto 1 (Introdução) – http://www.redenergia.com/estudantes/historia-da-energia/

http://www.portal-energia.com/fontes-de-energia/

Ponto 2 (Energia Solar) – http://pureenergies.com/us/blog/the-advantages-of-solar-

power-vs-other-renewable-energy-sources/

http://www.domosolar.net/domotica/energia-solar-fotovoltaico-vantagens-e-

desvantagens/

http://www.blue-sol.com/.../energia-solar-como-funciona.../

http://www.abae.pt/.../2006/Conteudos/sala3/sala3_11.htm

http://pt.wikipedia.org/wiki/Arquitetura_bioclim%C3%A1tica

http://www.infoescola.com/arqui.../arquitetura-bioclimatica/

http://pt.wikipedia.org/wiki/Efeito_fotoel%C3%A9trico

http://www.infoescola.com/fisica/efeito-fotoeletrico/

[1] – Traduzido de um segmento da imagem 1

[2] – http://www.extremetech.com/wp-content/uploads/2011/07/history-of-solar-technolog

y-infographic.jpg

[3] – http://www.acciona-energia.es/media/315790/Central%20solar%20fotovoltaica %20

de%20Amareleja_Portugu%C3%A9s.pdf

[4] – http://www.solarwaters.pt/produ.../microgeracao-fotovoltaica

[5] – http://www.renovaveisnahora.pt/c/document_library/get_file?p_l_id= 13536&folderI

d=15654&name=DLFE-6303.pdf

Ponto 4 – Esteves, Miguel Filipe da Silva, 2012, “Centrais fotovoltaicas em habitações

unifamiliares”, dissertação do MIEEC, FEUP.

http://digitool.fe.up.pt:1801/webclient/DeliveryManager?application=DIGITOOL-3&

owner=resourcediscovery& custom_att_2=simple_viewer&pid=239415

As informações relativas aos componentes (painéis e inversores) foram retiradas desta

dissertação, assim como todos os preços (dos materiais e da mão de obra) usados nos

cálculos. Foi ainda aproveitada a simulação realizada e os valores estimados de potência

obtidos no simulador.

Ponto 4.1 – http://www.solarwaters.pt/producao-de-energia-microgeracao/microgeracao

–fotovoltaica

[6] - https://dre.pt/application/dir/pdf1sdip/2012/12/25200/0732607327.pdf

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