DIMENSIONAMENTO DE UM SISTEMA FOTOVOLTAICO … · Este projeto de graduação apresenta o projeto...

DIMENSIONAMENTO DE UM SISTEMA FOTOVOLTAICO CONECTADO À

REDE PARA ALIMENTAR A SALA DE COMPUTAÇÃO DA ESCOLA

MUNICIPAL TENENTE ANTÔNIO JOÃO

Fabio Fernandes Figueira

Projeto de Graduação apresentado ao Curso de

Engenharia Elétrica da Escola Politécnica,

Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte

dos requisitos necessários à obtenção do grau de

Engenheiro Eletricista.

Orientador: Robson Francisco da Silva Dias, D.Sc.

Rio de Janeiro

Agosto de 2014

ii

DIMENSIONAMENTO DE UM SISTEMA FOTOVOLTAICO CONECTADO À

REDE PARA ALIMENTAR A SALA DE COMPUTAÇÃO DA ESCOLA

MUNICIPAL TENENTE ANTÔNIO JOÃO


PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS

NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DE GRAU DE ENGENHEIRO ELETRICISTA.

Aprovada por:

__________________________________________

Prof. Robson Francisco da Silva Dias, D.Sc.

(Orientador)

__________________________________________

Prof. Sergio Sami Hazan, Ph.D.

__________________________________________

Eng. Eduardo Esteves de Souza Netto

RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL

Agosto de 2014

iii

Figueira, Fabio Fernandes.

Dimensionamento de um Sistema Fotovoltaico

Conectado à Rede para Alimentar a Sala de Computação

da Escola Municipal Tenente Antônio João / Fabio

Fernandes Figueira – Rio de Janeiro: UFRJ/ESCOLA

POLITÉCNICA, 2014.

XIV, 52 p.: il.; 29,7 cm.

Orientador: Robson Francisco da Silva Dias.

Projeto de Graduação – UFRJ/ POLI/ Engenharia

Elétrica, 2014.

Referências Bibliográficas: p. 51.

1. Conceitos Básicos e Conexão. 2. Dimensionamento

do Sistema Fotovoltaico. 3. Análise Econômica. I. Dias,

Robson Francisco da Silva. II. Universidade Federal do

Rio de Janeiro, UFRJ, Engenharia Elétrica. III. Título.

iv

Agradecimentos

Primeiramente gostaria de agradecer a Deus, pois Ele tornou possível mais uma

conquista em minha vida, Ele me supriu até aqui e continuará até a eternidade.

Aos meus pais, Rui e Rosana, pelo apoio em todas as situações, pela confiança no

meu potencial, pelos seus exemplos de vida. Eles foram fundamentais em todas as minhas

conquistas e na minha formação.

Aos meus queridos irmãos, Felipe e Fernando pela tremenda amizade,

companheirismo e amor durante toda vida.

Aos meus tios Cláudio e Carmen, por toda dedicação diária, pelo enorme exemplo

de força e incontáveis sacrifícios realizados para formação de seus sobrinhos tanto

profissional como pessoal.

Á minha esposa Luiza, por contribuir decisivamente para todas as escolhas que fiz

e por ter dividido os momentos mais felizes e mais difíceis nesses últimos 10 anos, sempre

com muito amor e paciência.

Aos meus sogros Luiz e Cristiane, pelo carinho e motivação para que eu pudesse

terminar mais uma etapa da minha trajetória. Ao meu grande amigo Leonardo, por dividir

momentos importantes ao longo da vida.

Ao meu avô Eduardo, em especial, por ter me inspirado e financiado por toda minha

vida acadêmica, por seu exemplo de engenheiro, de ética, por seus ensinamentos que

continuarão gravados em mim por toda minha existência.

Ao meu professor Robson Dias, pelos conhecimentos transmitidos e pela excelente

orientação.

v

Aos vários amigos que fiz durante a faculdade, em especial aos amigos Pedro Altoé,

Guilherme Arnizaut e Marcos Póvoa pelo companheirismo, ajuda, suporte e incontáveis

noites de estudo.

vi

Resumo do Projeto de Graduação apresentado a Escola Politécnica/UFRJ como

parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Eletricista.

Dimensionamento de um Sistema Fotovoltaico Conectado à Rede para Alimentar a Sala

de Computação da Escola Municipal Tenente Antônio João


Agosto 2014

Orientador: Robson Francisco da Silva Dias

Curso: Engenharia Elétrica

Este projeto de graduação apresenta o projeto elétrico para a implementação de um sistema

fotovoltaico para fornecer energia para a sala de informática da Escola Municipal Tenente

Antônio João, localizada na Ilha do Fundão. Além disso, é apresentado um resumo da

legislação vigente aplicada no sistema elétrico brasileiro para pequenos geradores

baseados em energias renováveis. Um cálculo econômico aproximado de energia elétrica

através do uso desse sistema projetado também será exposto neste trabalho.

Palavras-chave: Dimensionamento de Sistema Fotovoltaico, Conectado à Rede Elétrica,

Eficiência Energética.

vii

Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fu lfillment

of the requirements for the degree of Engineer.

Dimensioning of a Photovoltaic System Connected to Grid to Feed the Computer

Classroom of the Municipal School Tenente Antônio João


August 2014

Advisor: Robson Francisco da Silva Dias

Course: Electric Engineering

This graduation project presents the electrical project for the implementation of a

photovoltaic system to meet the needs of the computer classroom of the Municipal School

Tenente Antônio João, located at Ilha do Fundão. In addition, a summary of the legislation

applied in the Brazilian electric system for small generators based on renewable energies

is presented. An approximate economic calculation through the use of this designed

system will be exposed in this work.

Keywords: Dimensioning of Photovoltaic System Connected to Power Grid, Sizing

Photovoltaic, Energy Efficiency.

viii

SUMÁRIO Lista de Figuras .......................................................................................................... x

Lista de Tabelas ......................................................................................................... xi

1 Introdução ............................................................................................................. 1

1.1 Motivação ....................................................................................................... 1

1.2 Objetivos ........................................................................................................ 1

1.3 Identificação do Problema ............................................................................... 2

1.4 Estrutura do Trabalho ...................................................................................... 3

2 Conceitos Básicos e Conexão ................................................................................ 5

2.1 Principal fonte de energia ................................................................................ 5

2.2 Células fotovoltaicas ....................................................................................... 5

2.3 Arranjos Fotovoltaicos .................................................................................... 6

2.4 Tipos de sistema FV ........................................................................................ 7

2.4.1 Sistemas isolados (Off-Grid) ..................................................................... 8

2.4.2 Sistemas conectados à rede elétrica (Grid-Tie) .......................................... 8

2.5 Componentes de um sistema fotovoltaico ......................................................... 9

2.6 Esquema de ligação com a rede elétrica ........................................................... 9

2.7 Proteção ........................................................................................................ 11

2.7.1 Caixa de Junção Geral............................................................................. 11

2.7.2 Diodo de Bloqueio .................................................................................. 12

2.7.3 Fusíveis .................................................................................................. 13

2.7.4 Disjuntores ............................................................................................. 13

2.7.5 Dispositivos de Seccionamento Visível (DSV) ......................................... 13

2.8 Diodos de Bypass .......................................................................................... 13

2.9 Inversores ..................................................................................................... 14

2.10 Seguidor de Ponto de Máxima Potência (MPPT) ......................................... 16

2.11 Medidor de energia .................................................................................... 16

2.12 Normas da ANEEL ..................................................................................... 17

2.13 Proteção anti-ilhamento .............................................................................. 18

3 Dimensionamento do Sistema Fotovoltaico .......................................................... 19

3.1 Estrutura do local .......................................................................................... 20

3.1.1 Caso A .................................................................................................... 20

3.1.2 Caso B .................................................................................................... 21

3.1.3 Caso C .................................................................................................... 21

3.2 Pontos de iluminação ..................................................................................... 22

3.2.1 Fator determinante da iluminância adequada ........................................... 22

3.2.2 Classe de tarefa visual............................................................................. 22

ix

3.2.3 Cálculo do índice do local (K) ................................................................. 22

3.2.4 Cálculo dos índices de reflexão do teto, parede e piso .............................. 23

3.2.5 Fator de utilização .................................................................................. 24

3.2.6 Fator de depreciação ............................................................................... 24

3.2.7 Fluxo luminoso ....................................................................................... 25

3.2.8 Quantidade de lâmpadas.......................................................................... 25

3.3 Pontos de Tomadas ........................................................................................ 26

3.3.1 Tomada de uso geral (TUG) .................................................................... 26

3.3.2 Tomada de uso específico (TUE) ............................................................. 26

3.4 Carga total instalada ...................................................................................... 27

3.5 Estimativa da curva de carga.......................................................................... 28

3.6 Dimensionamento dos painéis fotovoltaicos ................................................... 30

3.7 Inversor Grid-Tie........................................................................................... 34

3.8 Disposição do sistema fotovoltaico ................................................................ 37

3.9 Período de recesso ......................................................................................... 37

4 Análise Econômica .............................................................................................. 40

4.1 Avaliação Econômica e Financeira ................................................................. 40

4.2 Orçamento da Instalação ................................................................................ 40

4.3 Tempo de Retorno de Capital ......................................................................... 42

4.4 Viabilidade de Projeto ................................................................................... 43

4.4.1 Curvas de Carga...................................................................................... 44

4.4.2 Dimensionamento e Disposição dos Painéis ............................................. 45

4.4.3 Orçamento .............................................................................................. 47

4.4.4 Tempo de Retorno (Pay Back) ................................................................. 48

5 Conclusões e trabalhos futuros ............................................................................ 50

Referências..................................................................................................................51

x

Lista de Figuras

Figura 1 - Telhado da sala de informática da Escola Municipal. Fonte: Google Maps .... 3

Figura 2 - Representação de um módulo fotovoltaico. ................................................... 6

Figura 3 - Conexão de Células em Paralelo. .................................................................. 7

Figura 4 - Conexão de Células em Série. ....................................................................... 7

Figura 5 - Esquema de ligação Grid-Tie [3]. ................................................................ 10

Figura 6 – Esquema de ligação Grid-Tie atualizado. .................................................... 11

Figura 7 - Ligação do Diodo de Bloqueio [4]. ............................................................. 12

Figura 8 - Ligação do Diodo de Bypass [5]. ................................................................ 14

Figura 9 - Símbolo Elétrico de um Inversor. ................................................................ 15

Figura 10 - Imagem da sala do caso A. ........................................................................ 20

Figura 11 - Imagem da sala de informática do caso B. ................................................. 21

Figura 12 - Radiação diária média mensal para cada localidade para uma inclinação

aproximada de 23°S. .................................................................................................. 31

xi

Lista de Tabelas

Tabela 1 - Requisitos mínimos em função do tipo de geração. ..................................... 18

Tabela 2 - Fator de Utilização - Luminária Philips TBS 050 - 2x TLDRS (1242x310mm).

.................................................................................................................................. 24

Tabela 3 - Carga total. ................................................................................................ 28

Tabela 4 - Estimativa da curva de carga em função do tempo de consumo para o caso A.

.................................................................................................................................. 29

Tabela 5 - Estimativa da curva de carga em função do tempo de consumo para o caso B.

.................................................................................................................................. 29

Tabela 6 - Estimativa da curva de carga em função do tempo de consumo para o caso C.

.................................................................................................................................. 30

Tabela 7 - Dados das proximidades do local em questão. ............................................. 32

Tabela 8 - Opções de inversores. ................................................................................. 36

Tabela 9 - Orçamento do caso A. ................................................................................. 41

Tabela 10 - Orçamento do caso B. ............................................................................... 41

Tabela 11 - Orçamento do caso C. ............................................................................... 41

Tabela 12 - Resumo de projeto. ................................................................................... 42

Tabela 13 – Curva de carga do caso A. ........................................................................ 44

Tabela 14 - Curva de carga do caso B. ......................................................................... 44

Tabela 15 - Curva de carga do caso C. ......................................................................... 44

Tabela 16 - Orçamento do caso A. ............................................................................... 47

Tabela 17 - Orçamento do caso B. ............................................................................... 47

Tabela 18 - Orçamento do caso C. ............................................................................... 48

Tabela 19 - Resumo de projeto. ................................................................................... 49

1

1 Introdução

Neste projeto serão apresentados cálculos de dimensionamento de sistemas

fotovoltaicos, de economia de energia e, consequentemente, de retorno financeiro para um

conjunto de painéis fotovoltaicos instalados com o objetivo de alimentar a sala de

informática de uma escola municipal localizada na Ilha do Fundão.

Como ainda existem dúvidas sobre mudança de local da sala e expansão da mesma,

esse projeto coloca em pauta três configurações possíveis, ou seja, todas as configurações

que estão sendo avaliadas por todos os representantes da escola.

Um pequeno resumo sobre a legislação vigente aplicada a mini e micro geração de

energia elétrica baseada em fontes renováveis será apresentado no capítulo 2 deste

trabalho.

1.1 Motivação

Alimentar a sala de computação da escola com um sistema fotovoltaico e, com isso,

fazer um projeto pedagógico através do uso de energia solar para conscientizar os

estudantes da importância da economia de energia e da preservação ambiental.

A idéia desse projeto é mostrar como funciona um sistema de alimentação elétrica

que se utiliza de uma fonte renovável abundande em nosso planeta, o sol. Através desse

conhecimento é possível ampliar a consciência ambiental e a valorização da eficiência

energética.

1.2 Objetivos

O principal objetivo desse trabalho é apresentar um projeto para a instalação de um

sistema fotovoltaico (SF) no telhado da Escola Municipal Tenente Antônio João,

2

localizada na Avenida Brigadeiro Trompowski, S/n° - Ilha do Fundão, para alimentar a

sala de informática de maneira que tenha balanço energético zero, ou seja, tudo que se

consome é produzido. Para garantir que não haja perda de energia produzida pelo sistema

nem falte energia para o mesmo, será feito um projeto conectado à rede de distribuição

elétrica.

1.3 Identificação do Problema

Existem algumas dúvidas e divergências de ideias sobre o que será feito com a parte

de informática da escola. A escola já possui uma sala ativa no momento, porém há uma

necessidade de expandi-la e aproveitar uma outra sala de aula que está ociosa. Outro

espaço propício para tal fim, seria uma grande área que, no momento, está sendo

subutilizado como brinquedoteca, ou seja, uma sala com uma coleção de brinquedos e

jogos organizados para o uso das crianças.

Dito isto, serão abordados 3 casos diferentes, um deles abordará a sala vazia que

seria usada para informática, o outro será uma sala que já está sendo usada para os mesmos

fins e o último caso seria a junção das duas salas em um outro local que comporta a

brinquedoteca.

O caso A é a abordagem da sala que não está sendo aproveitada, ou seja, é o projeto

da abertura dessa sala para a implantação de mais computadores para a escola.

O caso B é o projeto para a instalação do sistema fotovoltaico (SF) na sala de

informática já existente e operante da escola municipal.

E, finalmente, o caso C é a proposta de mudança e junção das duas salas

mencionadas em uma parte da brinquedoteca, já que a mesma é excessivamente grande

para seus objetivos. Existe espaço suficiente para a implementação de uma sala do

tamanho das mencionadas nos casos A e B juntos na sala do caso C.

3

Na Figura 1, obtida do Google Maps, é mostrada uma vista superior do telhado da

escola, e destacado em vermelho os locais específicos onde poderão se instalados os

módulos fotovoltaicos.

Figura 1 - Telhado da sala de informática da Escola Municipal .

Fonte: Google Maps

Considerando os problemas de sombreamento por observação do local, conclui-se

que o melhor telhado para se instalar os painéis é o de número 3 destacado na Figura 1.

Este local, além de não ser sombreado em nenhum horário do dia, possui uma área

suficiente para comportar um sistema fotovoltaico.

1.4 Estrutura do Trabalho

Este trabalho é composto por 5 capítulos, que são descritos a seguir:

4

O capítulo 2 apresenta conceitos básicos sobre radiação solar, efeito fotovoltaico,

elementos básicos de sistemas fotovoltaicos, tipos de configurações dos sistemas

fotovoltaicos, critérios de conexão e legislação do Rio de Janeiro.

O capítulo 3 refere-se ao dimensionamento do sistema fotovoltaico da escola e todos

os seus elementos.

O capítulo 4 apresenta uma análise econômica da instalação e seus benefícios.

O capítulo 5 é a conclusão do trabalho.

5

2 Conceitos Básicos e Conexão

2.1 Principal fonte de energia

Para se falar de geração fotovoltaica precisamos conhecer sua principal fonte de

energia, o sol.

O sol fornece energia na forma de radiação e de calor e ambas as formas podem ser

convertidas em energia elétrica, a primeira através de um sistema fotovoltaico e a segunda

através de um sistema solar-térmico.

A radiação solar recebida anualmente pela Terra é de 1 × 1018𝑘𝑊ℎ. Para noção desse

valor, ele seria equivalente a centenas de milhões de vezes maior que a geração da usina

de Itaipu, que é considerada uma das maiores usinas hidroelétricas do mundo.

2.2 Células fotovoltaicas

Células solares ou fotovoltaicas são elementos responsáveis pela transfomação da

energia solar em energia elétrica. Estas utilizam as propriedades dos materiais

semicondutores (na maioria dos casos, o Silício). Quando os semicondutores são

devidamente dopados com elementos químicos como o Boro e o Fósforo, formam a

chamada junção pn, onde em um lado ficam concentradas as cargas positivas, e no outro,

as cargas negativas, assim gerando um campo elétr ico permanente que dificulta a

passagem de elétrons de um lado para o outro. No caso de um fóton incidir com energia

suficiente para excitar um elétron, surgirá uma corrente elétrica, gerando energia em

corrente contínua. Esse processo para geração de energia em corrente contínua é chamado

de Efeito Fotoelétrico.

6

Existem muitos tipos de células fotovoltaicas, dentre elas estão as células de silício

cristalino, células de película fina e células de nova tecnologia. O material mais

importante para as células solares cristalinas é o silício.

Cada célula solar produz aproximadamente 0,4 volts no seu ponto de máxima

potência, logo é necessário conectá-las de forma apropriada para as tensões desejadas. A

simbologia utilizada para representação do módulo fotovoltaico está apresentada na

Figura 2.

As células fotovoltaicas são interligadas em série através de contatos metálicos e

são cobertas por um material transparente para garantir o isolamento elétrico entre as

células e para proteger contra agentes atmosféricos e tensões mecânicas. Através disso

forma-se um módulo fotovoltaico que pode ser conectado com outros módulos para formar

um arranjo ou sistema fotovoltaico [1].

Figura 2 - Representação de um módulo fotovoltaico.

2.3 Arranjos Fotovoltaicos

Módulos fotovoltaicos transformam irradiação solar em energia elétrica na forma de

corrente contínua. Devido à baixa tensão e corrente dos módulos, os mesmos podem ser

agrupados formando um arranjo fotovoltaico. Esse agrupamento pode ser feito colocando-

se os módulos tanto em série quanto em paralelo.

7

Ao se conectar as células em paralelo, como apresentado na Figura 3, a corrente de

cada módulo é somada e sua tensão é a de apenas um módulo. Esse tipo de arranjo não é

muito utilizado salvo em condições muito especiais.

Figura 3 - Conexão de Células em Paralelo.

Fonte: CRESESB.

A conexão mais usual de módulos fotovoltaicos é o arranjo em série, este

agrupamento soma as tensões das células como mostrado na Figura 4. Quanto maior for a

tensão, menor serão as perdas, ou seja, maior será a eficiência do arranjo fotovoltaico.

Figura 4 - Conexão de Células em Série.

Fonte: CRESESB.

2.4 Tipos de sistema FV

Existes alguns tipos diferentes de sistemas fotovoltaicos, porém as três categorias

principais são: isolados, conectados à rede e híbridos. A utilização de cada uma dessas

configurações dependerá da aplicação e disponibilidade de recursos energéticos.

8

Sistemas autônomos, não conectados à rede elétrica, em alguns casos apresentam fontes

complementares de energia. Quando isso ocorre o sistema é chamado de híbrido, já quando ele

é puramente fotovoltaico é chamado de isolado.

Não será aprofundado o conhecimento em sistemas híbridos e isolados, pois não serão

utilizados na conclusão desse projeto. O foco será dado aos sistemas conectados à rede.

2.4.1 Sistemas isolados (Off-Grid)

Existem muitas configurações possíveis para os sistemas isolados: carga CC sem

armazenamento e com armazenamento, carga CA sem armazenamento e com armazenamento.

Os sistemas isolados são utilizados em locais remotos, de difícil acesso ou onde o

custo de se conectar à rede elétrica é demasiado alto. São utilizados em casas de campo,

refúgios, iluminação, telecomunicações, bombeio de água, etc.

Esses sistemas apresentam problemas de sobredimensionamento, pois precisam

funcionar o tempo inteiro, também necessitam de baterias, tornando os custos maiores [2].

2.4.2 Sistemas conectados à rede elétrica (Grid-Tie)

Os sistemas Grid-Tie, ao contrário dos Off-Grid, possuem basicamente um tipo. São

sistemas nos quais o arranjo FV é uma fonte que complementa o sistema elétrico ao qual está

conectado. Geralmente esses sistemas não necessitam de armazenamento, pois toda energia

gerada é consumida e seu excedente é injetado na rede [2].

9

2.5 Componentes de um sistema fotovoltaico

Um sistema fotovoltaico possui quatro componentes básicos:

Painéis Solares: São responsáveis por transformar energia solar em eletricidade.

Controladores de Carga: Servem para evitar sobrecargas ou descargas exageradas

na bateria, aumentando sua vida útil e desempenho.

Inversores: São responsáveis por transformar os 12V de corrente contínua (CC)

das baterias em 110V ou 220V de corrente alternada (CA), ou outras tensões

desejadas. No caso de sistemas conectados, também são responsáveis pela

sincronia com a rede.

Baterias: Armazenam energia para que o sistema funcione mesmo sem a presença

de sol.

O projeto em questão trata de um sistema conectado à rede, com foco principal nos

sistemas Grid-Tie. Não serão abordados componentes como baterias, controladores de

carga, etc.

2.6 Esquema de ligação com a rede elétrica

A operação de um sistema que utilize uma fonte renovável para geração de energia

elétrica não possuía normas devidamente estabelecidas, e um sistema como esse, não tinha

permissão para acessar a rede de distribuição local. Porém, em Abril de 2012 a Aneel criou

a Resolução Normativa Nº 482, que estabelece as condições para a conexão dessas centrais

geradoras, que se utilizam de fontes alternativas. A Resolução Normativa Nº 482 será

detalhada na seção 2.12 deste projeto.

Um esquema simplificado (Figura 5) utilizando um inversor mostra a conexão de

um sistema Grid-Tie e seus componentes. A Figura 5 está desatualizada, pois em Março

deste ano o superintendente de regulação dos serviços de distribuição da Aneel abonou,

10

através do Despacho Nº 720, a obrigatoriedade do uso de um dispositivo de seccionamento

visível em um microgerador que se conecta à rede através de inversores. Até a presente

data, a Light não atualizou o esquema de ligação de microgeração.

Um esquema atualizado é apresentado na Figura 6, fazendo a exclusão do dispositivo

de seccionamento visível (DSV).

Figura 5 - Esquema de ligação Grid-Tie [3].

11

Figura 6 – Esquema de ligação Grid-Tie atualizado.

2.7 Proteção

2.7.1 Caixa de Junção Geral

Na caixa de junção geral do gerador são ligadas as fileiras individuais entre si, além

desses cabos são ligados ainda o cabo principal CC e, caso necessário, o condutor de

12

ligação equipotencial. A caixa de junção geral do gerador contém terminais, dispositivos de

interrupção e, se necessário, fusíveis de fileira e diodos de bloqueio das fileiras. Frequentemente

é também instalado um descarregador de sobretensões para desviar as sobretensões para a terra.

Esta é a principal razão pela qual a ligação equipotencial ou o condutor de terra são ligados à

caixa de junção geral. Por vezes, também é alojado o interruptor principal DC. Esta caixa deve

ser de proteção classe II, e ter os terminais positivo e negativo claramente separados no interior

da caixa. No caso de ser instalada no exterior, deverá estar protegida, no mínimo, com proteção

IP 54 [3].

2.7.2 Diodo de Bloqueio

Uma outra preocupação existente, é a possibilidade do surgimento de uma corrente

negativa fluindo pelas células, ou seja, ao invés de gerar corrente, o módulo passa a

receber mais do que está produzindo. Essa corrente negativa pode causar queda na

eficiência das células e, em casos mais complicados, a célula pode ser desconectada do

arranjo causando assim a perda total do fluxo de energia do módulo. Para evitar esses

transtornos, usa-se um diodo de bloqueio impedindo assim correntes reversas que podem

ocorrer caso liguem o módulo diretamente em um acumulador ou uma bateria.

Figura 7 - Ligação do Diodo de Bloqueio [4].

13

2.7.3 Fusíveis

São intercalados fusíveis de fileira em todos os condutores ativos (positivos e negativos)

para proteger os módulos e os cabos das fileiras contra sobrecargas ou curtos. Se não se

utilizarem fusíveis de fileira, os condutores de fio devem estar dimensionados para a máxima

corrente de curto-circuito do gerador, menos a corrente da fileira.

2.7.4 Disjuntores

São dispositivos que atuam na proteção contra sobrecorrentes. Quando ocorre um curto-

circuito ou sobrecarga, eles atuam, automaticamente, isolando o circuito. A grande diferença

entre um fusível e um disjuntor é que, após serem acionados, apenas o disjuntor pode ser

rearmado, já o fusível deve ser trocado.

2.7.5 Dispositivos de Seccionamento Visível (DSV)

O dispositivo de seccionamento visível (DSV) é uma chave seccionadora usada para

desconectar o gerador fotovoltaico da rede elétrica para o caso de necessidade de reparo e

manutenção no sistema.

O DSV, como o próprio nome já diz, deve estar em um lugar de fácil acesso e notável a

todos para assegurar a proteção do técnico que irá mexer na rede elétrica.

Este dispositivo, como já citado anteriormente, não será necessário neste projeto, pois

trata-se de um projeto de microgeração.

2.8 Diodos de Bypass

Quando uma célula fotovoltaica dentro de um módulo estiver sombreada, a potência

de saída do módulo cairá drasticamente que, por estar ligada em série, comprometerá todo

o funcionamento das demais células no módulo. Para que toda a corrente de um módulo

14

não seja limitada por uma célula sombreada, usa-se um diodo de passo ou de "bypass".

Este diodo serve como um caminho alternativo para a corrente e limita a dissipação de

calor na célula defeituosa. Geralmente o uso do diodo bypass é feito em grupamentos de

células, tornando muito mais barato comparado ao custo de se conectar um diodo em cada

célula.

As células mais modernas já são equipadas com diodos de bypass, tendo em vista

que são de extrema importância para uma correta operação do SF.

Figura 8 - Ligação do Diodo de Bypass [5].

2.9 Inversores

A tensão produzida pelos módulos fotovoltaicos, durante todo o processo de

conversão de energia solar em elétrica, é do tipo contínua. Devido a este fato, na maioria

dos casos, o consumo de energia e seus usos finais são extremamente limitados, pois o

mercado de equipamentos alimentados com corrente contínua é limitado.

15

O inversor solar é o responsável, basicamente, por estabelecer a ligação entre o

gerador fotovoltaico e a rede ou a carga. Seu papel mais importante consiste em converter

o sinal elétrico CC do arranjo fotovoltaico em um sinal elétrico CA, e ajustá-lo para a

frequência e o nível de tensão da rede a que está ligado.

Figura 9 - Símbolo Elétrico de um Inversor.

O símbolo indicado na Figura 9 é usado para indicar um inversor. O inversor

também é chamado de conversor CC-CA.

Os inversores, em geral, possuem todas as proteções necessárias para o bom

funcionamento do SF.

Basicamente, existem dois tipos de inversores: os inversores de rede que são

ligados à rede elétrica e os inversores autônomos. Os inversores de rede são também

chamados de inversores grid-tie. Dar-se-á mais importância ao inversor grid-tie, pois este

será usado no projeto.

O inversor grid-tie transfere a energia produzida diretamente ao quadro de

distribuição de força do local para ser utilizada pela carga. Na presença de luz solar a

energia produzida será injetada e utilizada, caso essa energia não seja suficiente para

alimentar toda a carga será retirada energia da rede. Caso sobre energia dos painéis

fotovoltaicos, essa energia excedente será injetada na rede. Durante a noite, o sistema

necessitará da rede para se alimentar, pois os painéis não produzirão energia. Todo esse

processo é feito pelo inversor automaticamente, sem a intervenção do usuário [6].

As principais funções do inversor grid-tie são:

Conversão CC/CA;

Desconexão automática e manual da rede;

16

MPPT (maximum power point tracker);

Registro de dados operacionais;

Dispositivos de proteção CA e CC (anti-ilhamento, proteção de sobrecarga e

sobretensão, etc).

2.10 Seguidor de Ponto de Máxima Potência (MPPT)

O MPPT regula a tensão e a corrente de operação, assegurando uma geração de energia

máxima. A corrente no MPP varia proporcionalmente com a radiação solar e sofre pouca

influência da temperatura. Porém, com o aumento da temperatura, a variação da tensão no MPP

é ampliada, acarretando na redução de potência.

2.11 Medidor de energia

Os medidores são responsáveis pelo conhecimento da quantidade de energia que está

sendo produzida pelo sistema fotovoltaico, do quanto a escola está demandando e o quanto

de energia está sendo injetada na rede. O medidor utilizado é o de quatro quadrantes, pois

ele mede a energia ativa e reativa de forma bidirecional e através da memória de massa

armazena dados.

17

2.12 Normas da ANEEL

Os projetos de geração de energia elétrica por meio de fontes alternativas devem atender

aos requisitos impostos pela Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), para assegurar a

segurança e a qualidade da energia.

Existem algumas normas que são responsáveis pelo relacionamento entre a ANEEL e as

distribuidoras, ou seja, tratam da troca de informação entre os dois. Essas informações

padronizam e normatizam as atividades técnicas relacionadas ao sistema de distribuição

elétrica. Tais normas são os Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema

Elétrico Nacional (PRODIST).

A Resolução Normativa ANEEL Nº 482/12 é a responsável por estabelecer as condições

gerais para o acesso de microgeração e minigeração distribuída aos sistemas de distribuição de

energia elétrica, o sistema de compensação de energia elétrica, e dá outras providências.

Este projeto é classificado, segundo a Aneel, como Microgeração Distribuída. A definição

é dada a seguir.

“Microgeração Distribuída: central geradora de energia elétrica, com potência

instalada menor ou igual a 100 kW e que utilize fontes com base em energia hidráulica, solar,

eólica, biomassa ou cogeração qualificada, conforme regulamentação da ANEEL, conectada

na rede de distribuição por meio de instalações de unidades consumidoras”. [7]

A Tabela 1 mostra os requisitos mínimos em função da classificação da ANEEL para a

geração e seus critérios de conexão baseado na classificação de geração.

18

Tabela 1 - Requisitos mínimos em função do tipo de geração.

Equipamentos Microgeração Minigeração

Elemento de desconexão Sim Sim

Elemento de interrupção Sim Sim

Transformador de acoplamento Não Sim

Proteção de sub e sobretensão Sim Sim

Proteção contra desequilíbrio de corrente Sim Não

Proteção contra desbalanço de tensão Não Não

Sobrecorrente direcional Não Não

Sobrecorrente com restrição de tensão Não Não

Relé de sincronismo Sim Sim

Anti ilhamento Sim Sim

Estudo de curto circuito Sim Sim

Medidor de 4 quadrantes Sim Sim

Ensaios Sim Sim

2.13 Proteção anti-ilhamento

Basicamente, quando ocorre alguma falta de tensão na rede, que pode ser intencional para

trabalhos de manutenção pelos técnicos da distribuidora ou não intencional, que pode acontecer

devido a qualquer anomalia na rede, é feita a abertura automática do circuito, ou seja, a ligação

entre o sistema de geração fotovoltaico e a rede é cortada.

19

3 Dimensionamento do Sistema Fotovoltaico

Neste arquivo será feito o projeto total da reforma da sala de informática, englobando

todas as configurações possíveis.

O dimensionamento de um sistema FV requer alguns conhecimentos básicos de valores,

tais como:

Tensão nominal do sistema;

Potência exigida pela carga;

Horas de utilização das cargas (perfil de carga): Juntamente com a potência

requerida pela carga deverá ser especificado o tempo diário de utilização da

referida potência. Multiplicando potência por horas de utilização serão obtidos os

watts-hora requeridos pela carga ao final de um dia;

Localização geográfica do sistema: Tal dado é necessário para determinar o

ângulo de inclinação adequado para o módulo fotovoltaico e o nível de radiação

(médio mensal) da localidade em questão;

Autonomia prevista: Refere-se ao número de dias previstos nos quais haverá

diminuição ou ausência de geração de energia fotovoltaica. Esses dados são

considerados no caso da presença de baterias.

A estimativa da energia gerada pelo arranjo pode ser calculada de acordo com a

equação (1) e a tensão do arranjo conforme a equação (2).

𝑊𝑎𝑟𝑟𝑎𝑛𝑗𝑜(𝑘𝑊ℎ) = 𝐻𝑆𝑃 × 𝑃𝑀𝐴𝑋𝑝𝑎𝑖𝑛𝑒𝑙× 𝑁 (1)

𝑉𝑠(𝑉) = ∑ 𝑉𝑠𝑖

∞𝑖=1 (2)

Onde:

20

𝐻𝑆𝑃 – horas de sol pleno [h];

𝑁 – números de painéis;

𝑃𝑀𝐴𝑋𝑝𝑎𝑖𝑛𝑒𝑙 – potência máxima do painel;

𝑉𝑠𝑖 – tensão do módulo i ligado em série [V].

3.1 Estrutura do local

Como já informado previamente, serão feitos sistemas solares para 3 casos

diferentes.

3.1.1 Caso A

A sala do caso A não está sendo utilizada no momento, está apenas servindo de

depósito de objetos. Ela possui uma área de 8,64 m² e suporta aproximadamente 10

computadores.

A Figura 10 mostra uma foto da sala no dia 19 de Fevereiro de 2014.

Figura 10 - Imagem da sala do caso A.

21

3.1.2 Caso B

A sala do caso B já foi reformada e transformada em uma sala de informática. No

momento ela possui 13 computadores funcionando, com possiblidade de colocar mais 2.

A sala possui aproximadamente 12,8 m².

A Figura 11 apresenta uma foto da sala tirada no 19 de Fevereiro de 2014.

Figura 11 - Imagem da sala de informática do caso B.

3.1.3 Caso C

Como é de interesse da Escola Municipal Tenente Antônio João expandir sua área

de informática, está sendo pesquisado qual seria o melhor local para a permanência dos

computadores. O caso C indica uma configuração de sistema fotovoltaico para o caso das

duas salas operarem juntas.

Existe a possibilidade das duas salas se juntarem em uma. Essa junção seria feita em

uma parte da brinquedoteca, já que a mesma possui uma área muito grande, há

possibilidade de dividi-la. Este assunto será tratado mais ao final deste trabalho, porém

esse caso C se aproximaria bastante desta configuração.

22

3.2 Pontos de iluminação

Será utilizada a Norma Brasileira NBR 5413:1992 para a escolha da quantidade e

tipo de lâmpadas que serão usadas de acordo com a iluminância recomendada.

3.2.1 Fator determinante da iluminância adequada

Características da tarefa e do observador tanto para o caso A como para o B:

Idade dos ocupantes inferior a 40 anos: -1

Velocidade e precisão: 0

Refletância do fundo da tarefa de 30 a 70%: 0

Como o somatório é -1 deve-se usar os valores médios de cada faixa de iluminância.

3.2.2 Classe de tarefa visual

Ambas as salas não requerem muito esforço visual, logo a iluminância usada será

de 300 lux.

3.2.3 Cálculo do índice do local (K)

Com o folheto intitulado Cálculo de Iluminância Interna publicado em 1983 pela

Philips do Brasil, podemos fazer o cálculo do fato do local como indicado pela equação

abaixo.

O índice do local exprime as dimensões do compartimento de forma a ser aplicado

na fórmula final do cálculo do número de lâmpadas [8].

O cálculo é dado pela equação (3):

𝐾 =𝐶0 × 𝐿

(𝐶0 + 𝐿) × 𝐴

Onde:

𝐶0 = comprimento do local [m];

23

𝐿 = largura do local [m];

𝐴 = altura entre a luminária e o plano de trabalho [m].

De acordo com a equação (3) tem-se para o caso A:

𝐾𝐴 =3,6 × 2,4

(3,6 + 2,4) × 1,8= 0,8

Para o caso B tem-se:

𝐾𝐵 =4,0 × 3,2

(4,0 + 3,2) × 1,8= 0,99

3.2.4 Cálculo dos índices de reflexão do teto, parede e piso

Os valores dos índices de reflexão abaixo são definidos e tabelados pela NBR

5413:1992.

Caso A:

Teto branco: 80%

Parede branca: 50%

Piso claro: 30%

Caso B:

Teto branco: 80%

Parede branca: 50%

Piso escuro: 10%

24

3.2.5 Fator de utilização

O fator de utilização é fornecido pelo fabricante conforme Tabela 2.

Tabela 2 - Fator de Utilização - Luminária Philips TBS 050 - 2x TLDRS (1242x310mm).

Índice do Local (K)

Índices de reflexão do teto, parede e piso

80 70 50 30 0

50 50 50 50 50 30 30 10 30 10 0

30 10 30 20 10 10 10 10 10 10 0

0,60 0,31 0,29 0,30 0,30 0,30 0,29 0,24 0,20 0,23 0,20 0,19

0,80 0,39 0,37 0,38 0,37 0,36 0,31 0,31 0,27 0,30 0,27 0,26

1,00 0,46 0,42 0,45 0,43 0,42 0,37 0,36 0,33 0,36 0,33 0,31

1,25 0,52 47,00 0,51 0,49 0,47 0,42 0,42 0,38 0,41 0,38 0,37

Através da Tabela 3 tem-se:

(𝐾𝐴 = 0,8) → 𝐹𝑈𝐴 = 0,39

(𝐾𝐵 = 0,99) → 𝐹𝑈𝐵 = 0,42

3.2.6 Fator de depreciação

O fator de depreciação é a relação entre o fluxo luminoso produzido por uma

luminária no fim do período de manutenção e o fluxo emitido pela mesma luminária no

início de seu funcionamento. Esse valores de FD são tabelados para os diferentes tipos de

luminárias, através dessas tabelas foram formadas médias padronizadas pelo método da

Philips. O ambiente desse projeto é classificado como “normal” e não necessitará de muita

manutenção. De acordo com o padrão médio do método da Philips, tem-se:

Ambiente normal com manutenção a cada 7.500h: 𝐹𝐷 = 0,8

25

3.2.7 Fluxo luminoso

Será aplicado o mesmo modelo de lâmpada e de luminária em todos os ambientes.

Segundo as especificações do fabricante, o fluxo luminoso da lâmpada modelo

TLDRS32WS85-25:

Potência: 32 W

Temperatura de cor: 5000 K

Fluxo luminoso: 2600 lm

IRC (Índice de Reprodução de Cores): 85%

Comprimento: 1213,6 mm

3.2.8 Quantidade de lâmpadas

O cálculo é feito utilizando a equação (4):

𝑁 =𝐸 × 𝑆

𝜑 × 𝐹𝑈 × 𝐹𝐷

Onde:

N = quantidade de lâmpadas;

E = iluminância desejada [lux];

S = área do local [m²];

𝜑 = fluxo luminoso [lúmen];

FU = fator de utilização;

FD = fator de depreciação.

Como as luminárias e as lâmpadas previstas serão do modelo TBS 050 e

TLDRS32W respectivamente, calcula-se:

Caso A:

𝑁𝐴 =300 × 8,64

2600 × 0,39 × 0,8= 3,19

26

Serão necessárias 2 luminárias com 2 lâmpadas cada uma.

Caso B:

𝑁𝐵 =300 × 12,8

2600 × 0,39 × 0,42= 9,02

Serão necessárias 4 luminárias com 2 lâmpadas cada uma.

Para o caso A foi feita uma aproximação para o primeiro inteiro maior que o número

encontrado. Já para o caso B, foi mantido o número de lâmpadas já instalados na sala , ou

seja, mesmo tendo encontrado um valor de 9 lâmpadas, foram usadas apenas 8 para manter

o projeto inicial.

3.3 Pontos de Tomadas

3.3.1 Tomada de uso geral (TUG)

O número de pontos de tomadas será determinado de acordo com a observação do

local por aproximação e atentando a norma NBR5410:2004. Tal norma determina que deve

haver, no mínimo, um ponto de tomada de 100 VA para cada 5 m ou fração de perímetro.

Logo, as salas terão 5 pontos de tomadas de 127 V cada uma para futura ligação de um

projetor, impressora, carregadores de celulares, roteadores, etc [9].

3.3.2 Tomada de uso específico (TUE)

A potência das tomadas de uso específico deve ser igual à potência nominal do

equipamento a ser alimentado por ela e superior á 100 VA. Para as salas em questão, foi

previsto apenas 1 ponto específico para a alimentação de aparelhos de refrigeração.

O cálculo de BTU para a escolha do ar-condicionado foi feito da seguinte forma[10]:

Para cada metro quadrado, multiplica-se por 600 BTU;

27

Cada pessoa adicional soma-se 600 BTU (a primeira pessoa não é

contabilizada);

Cada equipamento eletrônico soma-se 600 BTU.

Com isso, temos a seguinte equação (5):

𝑃𝐵𝑇𝑈 = 600𝑥𝑆 + 600𝑥𝑁𝑝𝑒𝑠𝑠𝑜𝑎𝑠 + 600𝑥𝑁𝑒𝑞𝑢𝑖𝑝𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜𝑠

Onde:

S = Área [m²];

𝑁𝑝𝑒𝑠𝑠𝑜𝑎𝑠 = Número de Pessoas;

𝑁𝑒𝑞𝑢𝑖𝑝𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜𝑠 = Número de Equipamentos.

Realizando o cálculos para os casos A e B, temos:

𝑃𝐵𝑇𝑈𝐴= 600𝑥8,64 + 600𝑥10 + 600𝑥10

𝑃𝐵𝑇𝑈𝐴= 17.184 𝐵𝑇𝑈

𝑃𝐵𝑇𝑈𝐵= 600𝑥12,8 + 600𝑥15 + 600𝑥15

𝑃𝐵𝑇𝑈𝐵= 25.680 𝐵𝑇𝑈

O número de pessoas foi considerado igual a 10, pois seriam 10 alunos e um

professor. O mesmo raciocínio foi usado para o caso B.

O resultado da potência em BTU foi adaptado para os valores de potência existentes

no mercado de aparelhos de ar-condicionado.

Consequentemente, teremos 18600 BTU para o caso A e 22200 BTU para o caso B.

3.4 Carga total instalada

O caso C não foi calculado anteriormente pois ele será a soma das especificações

dos casos A e B.

28

Foi adotado o fator de potência 𝑓𝑝 = 0,8 para a estimativa da potência ativa e para

as perdas no circuito o fator 𝑓𝑝𝑒𝑟𝑑𝑎𝑠 = 1,2.

Tabela 3 - Carga total.

Local Dimensão Iluminação

TUG's 100

VA

TUE's Total

Caso

Área

(m²)

Perímetro

(m)

32W W VA Tomadas

Potência

(Btu/h)

Potência

(W)

Potência

(VA)

VA

A 8,64 6 4 128 160 5 18000 1752 2700 3360

B 12,8 7,2 8 256 320 5 22000 2142 3300 4120

C 21,44 13,2 12 384 480 10 40000 3894 6000 7480

3.5 Estimativa da curva de carga

O período em que cada carga é utilizada ao longo do dia será estimado nesta etapa.

Já que se trata de uma escola municipal, o horário de funcionamento é de 8h até às 15h,

logo a carga consumirá energia durante 7 horas por dia.

Assim como já citado, os valores adotados para o cálculo das TUG’s de fator de

potência e perdas serão 𝑓𝑝 = 0,8 e 𝑓𝑝𝑒𝑟𝑑𝑎𝑠 = 1,2, respectivamente. Ou seja, para o cálculo

total de kWh diário das tomadas de uso geral foi descontada uma perda de 20%.

As Tabelas 4, 5 e 6 apresentam as estimativas das curvas de carga.

29

Caso A:

Tabela 4 - Estimativa da curva de carga em função do tempo de consumo para o caso A.

Descrição das cargas Quantidade Potência (W) Tempo (h) kWh/dia Total kWh/dia

Iluminação 4 32 7 0,896 0,90

Uso geral 5 80 7 2,800 2,24

Computadores 10 250 7 17,500 17,50

Refrigeração 1 1752 7 12,264 12,26

Total 32,90

Caso B:

Tabela 5 - Estimativa da curva de carga em função do tempo de consumo para o caso B.


Iluminação 8 32 7 1,792 1,80

Uso geral 5 80 7 2,800 2,24

Computadores 15 250 7 26,250 26,25

Refrigeração 1 2142 7 14,994 15,00

Total 45,29

30

Caso C:

Tabela 6 - Estimativa da curva de carga em função do tempo de consumo para o caso C.


Iluminação 12 32 7 2,688 2,70

Uso geral 10 80 7 5,600 4,48

Computadores 25 250 7 43,750 43,75

Refrigeração 2 1752 e 2142 7 27,258 27,26

Total 78,19

3.6 Dimensionamento dos painéis fotovoltaicos

Precisa-se realizar uma avaliação do potencial energético solar, em outras palavras,

buscar a quantidade de radiação solar global incidente sobre o painel fotovoltaico para

que a energia gerada possa ser calculada.

Pode-se representar o valor acumulado de energia solar ao longo de um dia através

do número de horas de Sol Pleno (HSP). Esta medida mostra o número de horas

equivalentes por dia em que a radiação solar permanece constante e igual a 1 𝑘𝑊/𝑚2, de

forma que a energia resultante seja igual à energia acumulada para o dia e local em

questão.

Com a utilização do programa Google Earth obtém-se a latitude e a longitude

aproximada do local em questão. Entrando-se com os valores obtidos no sistema de dados

Sundata (www.cresesb.cepel.br) são encontradas 3 localidades próximas e são gerados

gráficos das radiações solares diárias médias nesses locais como mostra a Figura 12

abaixo.

Coordenadas encontradas:

http://www.cresesb.cepel.br/

31

Latitude: 22,859826° Sul

Longitude: 43,2187277° Oeste

Figura 12 - Radiação diária média mensal para cada localidade para uma inclinação aproximada de 23°S.

Fonte: SunData/CRESESB, 2014

Para o dimensionamento do sistema fotovoltaico será considerado o mês com a

menor incidência solar, ou seja, será considerado o pior caso possível para garantir que o

sistema funcionará durante todo o período desejado. Essa consideração facilita os

cálculos, pois já leva em conta as possíveis perdas do sistema fotovoltaico.

A Tabela 7 mostra as localidades, suas distâncias em relação às coordenadas

escolhidas e a irradiação solar diária média.

32

Tabela 7 - Dados das proximidades do local em questão.

Irradiação Solar Diária Média [kWh/m².dia]

Estação Rio: Jardim

Botânico

Rio: Praça 15 de

Novembro Rio: Penha

Município Rio de Janeiro Rio de Janeiro Rio de Janeiro

UF RJ RJ RJ

País BRA BRA BRA

Latitude [°] 22,9°S 22,9°S 22,8°S

Longitude [°] 43,230392°O 43,174329°O 43,277993°O

Distância [km] 4,6 6,4 9,0

Jan 5,00 5,86 5,40

Fev 4,61 5,22 5,10

Mar 4,61 5,22 5,10

Abr 3,81 4,06 4,20

Mai 3,28 3,83 3,90

Jun 2,81 3,22 3,40

Jul 3,22 3,78 3,60

Ago 3,78 4,06 4,30

Set 4,03 4,22 4,40

Out 4,22 4,86 4,90

Nov 5,06 5,28 5,40

Dez 4,81 5,61 5,60

Média 4,10 4,64 4,66

Delta 2,25 2,64 2,30

Como não foi medida a radição solar exata do lugar, será feita a média dos piores

meses das 3 localidades para obter-se as horas de sol pleno da Escola Municipal Tenente

Antônio João:

𝐻𝑆𝑃 = 2,81 + 3,22 + 3,40

3= 3,14𝑘𝑤ℎ/𝑚2. 𝑑𝑖𝑎

A potência mínima do sistema, sem considerar as perdas, para suprir o consumo

diário da sala de informática será:

Caso A:

𝑃𝐴 = 𝑃𝑐

𝐻𝑆𝑃=

32,9

3,14= 10,48 𝑘𝑊

Caso B:

𝑃𝐵 = 𝑃𝑐

𝐻𝑆𝑃=

45,29

3,14= 14,42 𝑘𝑊

33

Caso C:

𝑃𝐶 = 𝑃𝑐

𝐻𝑆𝑃=

78,19

3,14= 24,90 𝑘𝑊

O módulo fotovoltaico escolhido para ser utilizado neste projeto é o modelo

KD325GX-LFB da Kyocera Solar, cuja folha de dados encontra-se no Anexo I. De acordo

com as especificações elétricas em STC (Standard Test Conditions), esse módulo possui

as seguintes características:

Máxima potência = 325 W;

Tensão de máxima potência = 40,3 V;

Tensão de circuito aberto = 49,7 V;

Corrente de máxima potência = 8,07 A.

Cada módulo é composto por 80 células, ocupando uma área de 2,27 m². Logo, para

atender aos casos propostos teremos os seguintes números de módulos:

Caso A:

𝑁 =10480

325= 32,25

Serão utilizados aproximadamente 32 módulos.

A área de captação solar será de 72,64 m² e será necessário dispor de uma área maior

para possibilitar a circulação de pessoas.

Potência instalada = 10,4 kWp

De acordo com a equação 1:

Produção de energia diária aproximada = 32,66 kWh

Caso B:

𝑁 =14420

325= 44,37


34

A área de captação solar será de 102,15 m² e será necesário dispor de uma área maior





Caso C:

𝑁 =24900

325= 76,61







3.7 Inversor Grid-Tie

A escolha do inversor é realizada de acordo com as especificações do sistema ao

qual está conectado. A potência máxima do inversor deve ser igual ou superior à potência

da demanda. Também deve-se atentar a capacidade de sobrecorrente, principalmente com

a existência de motores no sistema, pois na maioria das vezes os motores apresentam uma

corrente de partida de até sete vezes o valor da corrente nominal.

O dimensionamento do inversor depende da geração do sistema fotovoltaico, ele é

diretamente proporcional a potência nominal do sistema. De acordo com a referência [11] a

potência do inversor deve ser:

0,7 × 𝑃𝑆𝐹 < 𝑃𝐼𝑁𝑉 𝐷𝐶 < 1,2 × 𝑃𝑆𝐹

Onde:

35

𝑃𝑆𝐹 = Potência do sistema fotovoltaico

𝑃𝐼𝑁𝑉 𝐷𝐶 = Potência do inversor

Logo,

Para o caso A:

7,28 < 𝑃𝐼𝑁𝑉 𝐷𝐶 < 12,48

Para o caso B:

10,01 < 𝑃𝐼𝑁𝑉 𝐷𝐶 < 17,16

Para o caso C:

17,29 < 𝑃𝐼𝑁𝑉 𝐷𝐶 < 29,64

Além dos fatores matemáticos, outros pontos foram levados em conta para a seleção do

inversor:

Possuir MPPT;

A possibilidade de assistência técnica no Brasil;

A tensão de entrada do inversor deve ser superior à tensão de circuito aberto do

arranjo fotovoltaico;

A temperatura de operação.

Os inversores selecionados para os casos A e B foram de 12 kW, com tensão máxima

de 600 V, a temperatura de operação na faixa de -25°C a 50°C, possuem MPPT com tensão de

operação no intervalo 230 V a 500 V.

O inversor selecionado para o caso C foi de 20 kW, com tensão máxima de 1000 V, a

temperatura de operação na faixa de -25°C a 55°C, possui MPPT com tensão de operação no

intervalo 450 V a 850 V.

O inversor sincroniza o sistema fotovoltaico com a rede, monitora a tensão e a

frequência da rede, possui proteção anti-ilhamento e possui proteção galvânica. Tendo essas

36

características em vista, não será necessária a instalação de relé de proteção para ilhamento,

falhas de tensão e frequência, nem relé de sincronismo.

Os inversores selecionados estão marcados na Tabela 9 junto com os outros analisados.

Tabela 8 - Opções de inversores.

Fabricante Xantrex

Zhejiang Tress

Electronic

Technology

Fronius Mastervolt Siemens

Modelo

Inversor Grid-Tie

Solar GT 5.0

TLS-ZB 10kw

IG Plus

150 V

SunmasterIS10

SINVERT

PVM20

Potência 5 10 12 13 20

Corrente de entrada

max (A)

22 30 55,6 3x30 41

Tensão de entrada

max (V)

600 620 600 550 1000

MPPT sim sim sim sim sim

Tensão de operação

do MPPT (V)

[235 550] [200 660] [230 500] [180 480] [480 850]

Temperatura de

operação (°C)

[-25 65] [-10 50] [-25 55] [-20 60] [-25 55]

Preço em Real 21.147,00 4.134,50 7.325,71 8.618,30 12.520,95

Opera fora da rede sim sim não não não

Assistência técnica sim não sim não sim

37

3.8 Disposição do sistema fotovoltaico

Caso A:

4 fileiras em paralelo de 8 painéis em série

𝑉𝑂𝐶𝐴= 8 × 49,7 = 397,6 𝑉

𝑉𝑀𝑃𝑃𝐴= 8 × 40,3 = 322,4 𝑉

Caso B:


𝑉𝑂𝐶𝐵= 9 × 49,7 = 447,3 𝑉

𝑉𝑀𝑃𝑃𝐵= 9 × 40,3 = 362,7 𝑉

Caso C:


𝑉𝑂𝐶𝐶= 11 × 49,7 = 546,7 𝑉

𝑉𝑀𝑃𝑃𝐶= 11 × 40,3 = 443,3 𝑉

3.9 Período de recesso

O sistema fotovoltaico foi projetado para suprir o funcionamento total durante todo

o período de funcionamento das diferentes salas de informática e suas respectivas

configurações.

Embora as salas de informática não sejam usadas durante todo o tempo de operação

da escola, não existe problema em superestimar o SF, pois o mesmo estará conectado à

rede, consequentemente quando não estiverem sendo usadas as salas, a energia produzida

será injetada na rede, gerando créditos para a escola. Esses créditos poderão ser usados

para abater uma parcela do montante de sua conta de luz, proveniente do restante da

escola.

38

Ainda devemos considerar os períodos de recesso, ou seja, aqueles dias nos quais a

escola não irá abrir. Nesses dias teremos apenas geração de energia, pois praticame nte

nada estará sendo consumido. Esse período irá proporcionar uma grande diminuição da

conta de energia do local em questão.

O custo do projeto poderia ser barateado, para funcionar durante um período muito

menor, porém a longo prazo não seria tão proveitoso quanto um SF superestimado.

O custo da energia está em 0,32874 R$/kWh, podemos então calcular o quanto

seria abatido da conta de luz no período de recesso [12]. Considerando que essa escola

não funcione durante 3 meses ao ano e que o mês tem 30 dias, então:

Caso A:

𝐶𝑢𝑠𝑡𝑜𝑒𝑥𝑐𝑒𝑠𝑠𝑜 = 0,32874 × 32,66 × 30 × 3 = 𝑅$ 966,30/𝑎𝑛𝑜

Caso B:

𝐶𝑢𝑠𝑡𝑜𝑒𝑥𝑐𝑒𝑠𝑠𝑜 = 0,32874 × 45,92 × 30 × 3 = 𝑅$ 1.358,62/𝑎𝑛𝑜

Caso C:

𝐶𝑢𝑠𝑡𝑜𝑒𝑥𝑐𝑒𝑠𝑠𝑜 = 0,32874 × 78,58 × 30 × 3 = 𝑅$ 2.324,92/𝑎𝑛𝑜

É possível observar que a economia na conta de luz será satisfatória para a

instituição. Esse valores ainda não consideram os finais de semana que a escola não

funcionará, ou seja, o custo de excesso é ainda maior.

Será considerado um tempo médio de funcionamento efetivo da escola de 225 dias

anuais, considerando férias, finais de semana e feriados. Então teremos um custo de

excesso mais alto, como mostrado abaixo:

Caso A:

𝐶𝑢𝑠𝑡𝑜𝑒𝑥𝑐𝑒𝑠𝑠𝑜 = 0,32874 × 32,66 × 30 × 4,5 = 𝑅$ 1.449,45/𝑎𝑛𝑜

Caso B:


39

Caso C:


Para se fazer o cálculo da viabilidade do empreendimento é necessário saber o

quanto será produzido em cada caso durante 1 ano, com isso ter-se-á:

Caso A:

𝐶𝑢𝑠𝑡𝑜𝑒𝑐𝑜𝑛𝑜𝑚𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜 = 0,32874 × 32,66 × 30 × 12 = 𝑅$ 3.865,19/𝑎𝑛𝑜

Caso B:


Caso C:


40

4 Análise Econômica

Um projeto de eficiência energética deve ser analisado por duas porções: a primeira

é uma avaliação técnica para a garantia de um melhor aproveitamento da energia elétrica,

ou seja, uma boa avaliação das necessidades estruturais, energéticas e espaciais. A segunda

porção da análise é referente à proposição de geração de energia a partir de um sistema

fotovoltaico conectado à rede para a redução do consumo de energia na ponta e demanda

de ultrapassagem.

4.1 Avaliação Econômica e Financeira

Os investimentos em energias alternativas, projetos de economia de energia e em

eficiência no uso da energia devem, obrigatoriamente, passar por uma análise de

viabilidade econômica. Geralmente, essas análises utilizam índices econômicos,

permitindo a clara demonstração da atratividade de um investimento. Os dois índices mais

utilizados são o valor presente líquido e o tempo de retorno de capital (Pay Back).

Neste projeto será utilizado apenas o índice do tempo de retorno de capital, pois é

considerado o mais utilizado nos projetos de instalações fotovoltaicos nos dias de hoje.

4.2 Orçamento da Instalação

Os valores de mão de obra foram calculados a partir de uma estimativa usada pelas

empresas de sistemas fotovoltaicos que é de 10% do valor total dos painéis somados com

o valor do inversor. Porém foram adicionados mais 2% devido ao custo da fiação,

acessórios e estruturas que venham a ser utilizados na obra. Logo, o valor da mão de obra

encontrado nas tabelas seguintes é igual a 12% do valor total (painéis + inversor).

41

Caso A:

Tabela 9 - Orçamento do caso A.

Equipamento Quantidade Custo Unidade

[R$]

Painel Solar Kyocera KD325GX-

LFB 32 1.000

Inversor Fronius IG Plus 150 V

1 7.325,71

Mão de Obra + Estrutura

- 4.719,08

Total 44.044,79

Caso B:

Tabela 10 - Orçamento do caso B.


[R$]


LFB 45 1.000


1 7.325,71


- 6.279,08

Total 58.604,79

Caso C:

Tabela 11 - Orçamento do caso C.


[R$]


LFB 77 1.000

Inversor SINVERT PVM20

1 11.909,5


- 10.669,14

Total 99.578,64

42

4.3 Tempo de Retorno de Capital

Como já citado na sessão 4.1 desse projeto, o critério do tempo de retorno de capital,

ou “payback”, é, sem dúvida o mais conhecido e difundido no meio técnico para uma

análise econômica, principalmente devido à sua simplicidade de aplicação.

Tempo de retorno simples = 𝐼

𝐴

Onde:

I – Custo de Implantação [R$];

A – Benefício [R$]

O custo de implantação para esse projeto está calculado no item 4.2, assim como o

valor do benefício anual pode ser calculado da mesma maneira do item 3.9 desse projeto.

Com isso montamos a seguinte Tabela 12 com os valores de “I” e “A”:

Tabela 12 - Resumo de projeto.

Casos Custo de

Implantação [I]

Custo de Benefício Anual [A]

Tempo de Retorno Simples [anos]

Caso A R$ 44.044,79 R$ 3.865,19 11,39

Caso B R$ 58.604,79 R$ 5.343,47 10,97

Caso C R$ 99.578,64 R$ 9.299,66 10,7

Um sistema fotovoltaico conectado à rede tem uma vida útil de 30 a 40 anos, sendo

que a maioria dos painéis fotovoltaicos tem garantia de 25 anos para produção de pelo

menos 80% da potência nominal. Já os inversores têm garantia de 5 a 10 anos e um vida

útil esperada de 10 a 15 anos, podendo ser trocados. Alguns microinversores têm vida útil

maior, chegando a 25 anos.

No caso dos sistemas isolados, os inversores e controladores de carga têm garantia de

dois anos e vida útil de 5 a 10 anos, mas a principal diferença (especialmente em custo) fica por

43

conta das baterias que são caras e devem ser substituídas com maior frequência. As baterias

mais usuais tem vida útil de 4 anos e baterias especiais podem chegar a 10 a 15 anos de duração,

sempre dependendo de um bom dimensionamento e uso [13].

Com isso, é perceptível que esse sistema fotovoltaico é viável para esse projeto, porém

devido ao alto custo de investimento e falta de necessidade de um arranjo tão grande, será

considerado um novo arranjo de painéis, porém, desta vez, faremos um sistema

subdimensionado para os três casos.

4.4 Viabilidade de Projeto

Nesta seção do trabalho será feito um sistema que não suprirá totalmente a carga da

sala e diminuir-se-á as horas de uso da parte de informática da sala, aproximando-se mais

da realidade, já que a sala não será usada por todo o período de funcionamento da escola.

Os mesmos componentes, incluindo os inversores, serão usados e manter-se-á os

demais valores de HSP, do custo da energia e do tempo efetivo de operação da escola.

Agora, a energia em excesso, que produzirá créditos, não será mais usada para abater

a conta total da escola, e sim apenas para manter a sala funcionando quando necessitar

ultrapassar as 4 horas diárias adotadas, sem que haja um custo financeiro extra para a

escola.

44

4.4.1 Curvas de Carga

Caso A:

Tabela 13 – Curva de carga do caso A.

Descrição das cargas

Quantidade Potência

(W) Tempo

(h) kWh/dia

Total kWh/dia

Iluminação 4 32 4 0,512 0,51

Uso geral 5 80 4 1,600 1,28

Computadores 10 250 4 10,000 10,00

Refrigeração 1 1752 4 7,008 7,01

Total 19,12

Caso B:

Tabela 14 - Curva de carga do caso B.



(W) Tempo

(h) kWh/dia

Total kWh/dia

Iluminação 8 32 4 1,024 1,02

Uso geral 5 80 4 1,600 1,28

Computadores 15 250 4 15,000 15,00

Refrigeração 1 2142 4 8,568 8,57

Total 26,19

Caso C:

Tabela 15 - Curva de carga do caso C.



(W) Tempo

(h) kWh/dia

Total kWh/dia

Iluminação 12 32 4 1,536 1,54

Uso geral 10 80 4 3,200 2,56

Computadores 25 250 4 25,000 25,00

Refrigeração 2 1752 e 2142

4 15,576 15,58

Total 45,31

45

4.4.2 Dimensionamento e Disposição dos Painéis

A potência mínima do sistema para suprir o consumo diário da sala de informática

será:

Caso A:

𝑃𝐴 = 𝑃𝑐

𝐻𝑆𝑃=

19,12

3,14= 6,09 𝑘𝑊

𝑁𝐴 =6090

325= 18,74








𝑉𝑂𝐶𝐴= 6 × 49,7 = 298,2 𝑉

𝑉𝑀𝑃𝑃𝐴= 6 × 40,3 = 241,8 𝑉

Caso B:

𝑃𝐵 = 𝑃𝑐

𝐻𝑆𝑃=

26,19

3,14= 8,34 𝑘𝑊

𝑁𝐵 =9340

325= 28,74






46



𝑉𝑂𝐶𝐵= 7 × 49,7 = 347,9 𝑉

𝑉𝑀𝑃𝑃𝐵= 7 × 40,3 = 282,1 𝑉

Caso C:

𝑃𝐶 = 𝑃𝑐

𝐻𝑆𝑃=

45,31

3,14= 14,43 𝑘𝑊

𝑁𝐶 =14430

325= 44,40








𝑉𝑂𝐶𝐶= 11 × 49,7 = 546,7 𝑉

𝑉𝑀𝑃𝑃𝐶= 11 × 40,3 = 443,3 𝑉

47

4.4.3 Orçamento

O cálculo do orçamento será feito da mesma maneira que no item 4.2 deste capítulo

conforme mostram as tabelas abaixo.

Caso A:

Tabela 16 - Orçamento do caso A.


[R$]


LFB 18 1000


1 7.325,71


- 3.039,08

Total 28.364,79

Caso B:

Tabela 17 - Orçamento do caso B.


[R$]


LFB 28 1.000


1 7.325,71


- 4.239,08

Total 39.564,79

48

Caso C:

Tabela 18 - Orçamento do caso C.


[R$]


LFB 44 1.000

Inversor SINVERT PVM20

1 11.909,5


- 6.709,14

Total 62.619,00

4.4.4 Tempo de Retorno (Pay Back)

Assim como já foi considerado antes, o tempo médio de funcionamento efetivo da

escola será 225 dias anuais, considerando férias, finais de semana e feriados. Então

teremos um custo de excesso como mostrado abaixo:

Caso A:

𝐶𝑢𝑠𝑡𝑜𝑒𝑥𝑐𝑒𝑠𝑠𝑜 = 0,32874 × 18,37 × 30 × 4,5 = 𝑅$ 815,26/𝑎𝑛𝑜

Caso B:


Caso C:


Esse excesso garantirá o balanço zero caso a sala seja usada por mais de 4 horas

em alguns dias.

Para se realizar o cálculo do tempo de retorno, temos:

Caso A:


49

Caso B:


Caso C:


A tabela com o tempo de retorno foi montada de acordo com o item 4.3 deste projeto.

Tabela 19 - Resumo de projeto.

Casos Custo de

Implantação [I]

Custo de Benefício Anual [A]

Tempo de Retorno Simples [anos]

Caso A R$ 26.348,79 R$ 2.174,02 12,12

Caso B R$ 36.428,79 R$ 3.381,16 10,77

Caso C R$ 57.690,64 R$ 5.313,75 10,86

Através da aproximação das horas de uso da sala de informática com a realidade

do dia-a-dia da escola, é alcançado um valor de investimento inicial na média 60% abaixo

do primeiro caso em todas as configurações de sala.

O tempo de retorno do investimento demonstra que o investimento inicial será pago

ao longo de sua vida útil.

Como há divergências e muita burocracia quanto ao fim das salas citadas no

decorrer desse trabalho, o melhor caso a ser feito seria o caso B. A sala de computação já

existe, embora haja necessidade de aumentá-la, o mais conveniente seria aproveitar a

existência desse espaço que já está reformado e instalar os painéis para fornecer energia .

A aplicação da energia solar, com o menor custo pode chamar mais atenção de

investidores e apresentar resultados para despertar um futuro interesse em expandir para

o caso A ou C.

50

5 Conclusões e trabalhos futuros

Atualmente, essa área que se utiliza de fontes renováveis de energia necessita de

grande investimento incial, porém mostra-se efetiva a longo prazo, diminuindo bastante o

gasto com energia elétrica ou até mesmo anulando os mesmos. Há um avanço grande dos

inversores grid-tie que já possuem grande parte da proteção necessária para o sistema

conforme visto no capítulo 3 deste documento. É notável que com o avanço da tecnologia

e suas aplicações ocorre uma adaptação e mudança de normas para esses sistemas. Como

exemplo, no começo deste trabalho era necessário o uso de DSV’s para microgeradores,

porém já em Março deste ano não era mais necessário seu uso nesses sistemas geradores.

Este projeto é essencial para futuros projetos, como estudos mais aprofundados da

influência dessa microgeração de energia na rede, além disso, validará os estudos de custo

x benefício. Ou seja, poderá ser calculado com exatidão em quanto tempo será recuperado

o dinheiro investido no sistema fotovoltaico com a geração de créditos do sistema.

O tempo de retorno do investimento demonstrou que, econômica e financeiramente,

o investimento inicial do projeto é pago ao longo de sua vida útil.

Assim, demonstrou-se que o projeto é tecnicamente viável quanto à sua implantação,

mostrando-se uma solução para a oferta de energia “limpa”, além de promover uma maior

diversificação da matriz energética, postergando investimentos para o aumento da

capacidade do sistema de distribuição e reforçando a posição do Brasil como um dos

países mais “limpos” energéticamente do mundo.

Como trabalhos futuros, é sugerido o aumento desse sistema solar para o

aquecimento de água.

51

Referências

[1] GRUPO DE TRABALHO DE ENERGIA SOLAR – GTES. Manual de Engenharia para

Sistemas Fotovoltaicos. Rio de Janeiro: Ediouro Gráfica e Editora S.A., 2004.

[2] Energia Solar Fotovoltaica – Conceitos e Aplicações – Sistemas Isolados e Conectados

à Rede, Editora Erica, 2012.

[3] Procedimentos para a Conexão de Microgeração e Minigeração ao Sistema de

Distribuição da Light SESA BT e MT – LIGHT

[4] CRESESB – Centro de referência para Energia Solar e Eólica Sérgio de Salvo Brito em:

http://www.cresesb.cepel.br acessado em: 01/2014

[5] Enersafe Smart Energy - http://www.enersafe.it acessado em: 06/2014

[6] GREENPRO. Energia Fotovoltaica manual sobre tecnologias, projecto e

instalação.[S.1.].2004.

[7] RESOLUÇÃO NORMATIVA Nº 482, DE 17 DE ABRIL DE 2012.

[8] Instalações Elétricas, quinta edição, Editora GEN, Rio de Janeiro, 2008.

[9] ABNT NBR 5410. Instalações Elétricas de Baixa Tensão, 2004

[10] Web Ar Condicionado - http://www.webarcondicionado.com.br/calculo-de-btu acessado

em: 01/2014

[11] Eletrobrás/Procel, 2006 – Conservação de Energia: Eficiência Energética em Instalações e

Equipamentos, terceira edição, Editora EFEI, Itajubá, Minas Gerais, Brasil.

[12] ANEEL - http://www.aneel.gov.br/ acessado em : 02/2014

[13] Neosolar Energia - http://www.neosolar.com.br acessado em: 06/2014

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Anexo I – Folha de dados do módulo solar KD325GX-LFB

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