GERAÇÃO DISTRIBUÍDA Sistema de Cogeração Fotovoltaico Conectado à Rede Elétrica de Baixa...

CENTRO UNIVERSITARIO DE BELO HORIZONTE

INSTITUTO DE ENGENHARIA E TECNOLOGIA - IET

LEANDRO PEREIRA DOS SANTOS

ROBERTO HILÁRIO PEREIRA JÚNIOR

GERAÇÃO DISTRIBUÍDA: Sistema de cogeração fotovoltaico

conectado à rede elétrica de baixa tensão

BELO HORIZONTE

DEZEMBRO – 2013

LEANDRO PEREIRA DOS SANTOS

ROBERTO HILÁRIO PEREIRA JÚNIOR

GERAÇÃO DISTRIBUÍDA: Sistema de cogeração fotovoltaico

conectado à rede elétrica de baixa tensão

Trabalho de Final de Conclusão de Curso apresentado ao Instituto de Engenharia e Tecnologia do Centro Universitário de Belo Horizonte, como requisito para a obtenção do título de bacharel em Engenharia Elétrica.

Área de Concentração: Energia Orientadora: Prof(a). Ms. Vanessa Cristina Lopes Santos Co-Orientadora: Prof(a). Ms. Arlete Vieira da Silva

BELO HORIZONTE

DEZEMBRO - 2013

CENTRO UNIVERSITÁRIO DE BELO HORIZONTE

Instituto de Engenharia e Tecnologia - IET

Campi Estoril

Trabalho Final de Conclusão de Curso intitulado GERAÇÃO DISTRIBUÍDA:

SISTEMA DE COGERAÇÃO FOTOVOLTAICO CONECTADO À REDE

ELÉTRICA DE BAIXA TENSÃO, de autoria dos alunos Leandro Pereira dos

Santos e Roberto Hilário Pereira Júnior, aprovado pela banca examinadora

constituída pelos seguintes professores:

__________________________________

Prof. Ms. Vanessa Cristina Lopes Santos

Orientadora

__________________________________

Prof. Ms. Eduardo de Queiroz Braga

__________________________________

Prof. Ms. Mário Marcos Brito Horta

Belo Horizonte, 1x de dezembro de 2013.

Avenida Professor Mário Werneck, 1685 – Buritis – Belo Horizonte – MG – 30455-610 – Brasil – Tel.: (31) 3319-9206.

Dedicamos aos nossos pais. Sem eles jamais conseguiríamos.

AGRADECIMENTOS

Agradecemos primeiramente a Deus.

Agradecemos aos nossos pais, irmãos e demais familiares pelo apoio,

paciência e carinho.

Aos amigos, colegas de trabalho e de faculdade, agradecemos pelo apoio e

compreensão.

Ao Sr. Giusepe Sarti Rangel pela presteza na disponibilização dos dados,

acesso à sua residência e orientação.

Agradecemos às professoras Vanessa, Arlete e Janaína, pela orientação

neste trabalho, pelo apoio e amizade.

“Ninguém fracassa enquanto não se rende”.

Saint Germain

RESUMO

Este trabalho versa sobre aplicação de sistema fotovoltaico integrado ao entorno

construído e conectado à rede de baixa tensão como alternativa para a Geração

Distribuída. Geração Distribuída é a produção de energia elétrica realizada junto ou

próxima ao consumidor. A crescente demanda por energia elétrica é objeto de

estudo de diversos institutos de pesquisa. Fontes de geração conectadas

diretamente na rede de distribuição ou no consumidor são alternativas para:

descentralização do sistema de geração e consequentemente a redução de novos

investimentos em construção de novas usinas, linhas de transmissão e redes de

distribuição. O presente trabalho trata também sobre estudo de caso de todo o

processo envolvido na instalação deste sistema fotovoltaico quando conectado à

rede de baixa tensão para operação em regime de Net Metering. No regime de Net

Metering, o arranjo fotovoltaico atua como fonte complementar do sistema elétrico ao

qual está conectado; pois mediante geração própria diminui a necessidade da

potência requerida da rede pela unidade consumidora ou, em caso de geração

superior ao consumo, injeta potência na rede. Esta injeção de potência na rede se

dá por meio de empréstimo gratuito à distribuidora local e posteriormente a unidade

consumidora é compensada com um crédito a ser consumido em um prazo de trinta

e seis meses. O estudo de caso engloba a avaliação do potencial energético,

estimativa de produção, estudo de viabilidade econômica, compra de materiais,

instalação, trâmites e conexão do sistema à rede.

Palavras Chave: Geração Distribuída, Net Metering, Sistema Fotovoltaico.

ABSTRACT

This paper aims to the application of photovoltaic system integrated into the built

environment and connected to the low voltage network, as an alternative to

Distributed Generation. Distributed Generation is the production of electricity carried

along or near the consumer. The growing demand for electricity is studied by several

research institutes. Generation sources connected directly to the distribution network

or to the consumer are alternatives for: decentralization of the energy generation and

consequently the reduction of new investments in building new power plants,

transmission lines and distribution networks. This work also talks about the case

study of the process involved in installing this photovoltaic system when connected to

the low voltage network for operation under the Net Metering. In the regime of Net

Metering, the Photovoltaic array acts as an additional electricity source in the system

where it is connected. Due to its own generation of energy, the need of power from

network by the consumers decreases, or in case of more generation of energy than

consume, it delivers energy to the network. This injection of power in the network is

through free loan to the local distributor and the consumer unit is subsequently offset

by a credit to be consumed within a period of thirty- six months. The case study

includes the assessment of the energy potential, estimated production, economic

feasibility study, purchase of materials, installation procedures and system

connection to the network.

Key words: Distributed Generation, Net Metering, Photovoltaic System.

LISTAS DE ILUSTRAÇÕES

Figura 1. Espectro Eletromagnético................................................................. 20

Figura 2. Sistema Geográfico.......................................................................... 21

Figura 3. Representação do movimento da Terra em torno do Sol................. 22

Figura 4. Declinação solar............................................................................... 22

Figura 5. Declinação solar............................................................................... 23

Figura 6. Ângulos de incidência e azimutais.................................................... 24

Figura 7. Ângulos zenital, incidência, Altura Solar e inclinação do módulo... 24

Figura 8. Radiação solar no Brasil................................................................... 25

Figura 9. Patente da primeira célula solar registrada em 1954....................... 27

Figura 10. Instalação da primeira célula solar................................................... 27

Figura 11. Barreira de potencial numa região de transição pn.......................... 29

Figura 12. Exemplos de módulos fotovoltaicos................................................. 30

Figura 13. Sistema Fotovoltaico de cogeração conectado à rede..................... 31

Figura 14. Sistema Fotovoltaico Autônomo....................................................... 36

Figura 15. Sistema Fotovoltaico On Grid........................................................... 37

Figura 16. Forma de conexão do gerador fotovoltaico com a rede................... 37

Figura 17. Símbolo elétrico de um módulo fotovoltaico..................................... 39

Figura 18. Curva característica I x V e P x V.................................................... 41

Figura 19. Componentes de um módulo fotovoltaico de silício cristalino........ 42

Figura 20. Módulos fotovoltaicos instalados...................................................... 43

Figura 21. Tipos de módulos fotovoltaicos........................................................ 43

Figura 22. Lingotes e fatias de silício cristalino................................................. 44

Figura 23. Circuito básico de um inversor comutado pela rede......................... 46

Figura 24. Circuito básico de um inversor auto comutado................................. 47

Figura 25. Topologia tipo central....................................................................... 48

Figura 26. Topologia tipo Série.......................................................................... 48

Figura 27. Topologia tipo Multisérie................................................................... 49

Figura 28. Topologia para módulos integrados ao inversor .............................. 49

Figura 29. Inversor com transformador de baixa frequência............................. 50

Figura 30. Inversor com transformador de alta frequência ............................... 51

Figura 31. Inversor sem transformador............................................................. 51

Figura 32. Local de instalação do DSV............................................................. 53

Figura 33. Chave, Caixa e Sinalização que constitui o DSV............................. 54

Figura 34. Sistema Fixo e de rastreamento de um e dois eixos....................... 55

Figura 35. Elementos Básicos de Unidade Consumidora................................. 56

Figura 36. Elementos Básicos de Unidade Consumidora................................. 56

Figura 37. Croqui circuito do transformador 9024-3-75..................................... 57

Figura 38. Conexão do ramal de entrada do cliente com a rede BT................. 58

Figura 39. Insolação Média Diária Anual........................................................... 59

Figura 40. Radiação Solar Média Diária Anual.................................................. 60

Figura 41. Radiação Solar Direta Normal Diária Média Anual........................... 61

Figura 42. Módulos Fotovoltaicos instalados..................................................... 62

Figura 43. Módulos Fotovoltaicos instalados..................................................... 63

Figura 44. Inversor de 3.8 kW da ELTEK VALERE........................................... 64

Figura 45. DSV instalado em caixa de medição CM-DSV................................. 65

Figura 46. Projeto Sistema Fotovoltaico............................................................ 66

LISTAS DE ABREVIATURAS E SIGLAS

A – Área

ABINEE – Associação Brasileira da Indústria Elétrica e Eletrônica

ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas

ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica

AWG – American Wire Gauge

BT – Baixa Tensão de Distribuição

CA – Corrente Alternada

CC – Corrente Contínua

CdTe – Telureto de Cádmio

Cemig – Companhia Energética de Minas Gerais

CIGS – Índio

CO – Centro-Oeste

CO2 – Dióxido de Carbono

CNPJ – Cadastro Nacional e Pessoa Jurídica

CPF – Cadastro de Pessoa Física

DSV – Dispositivo de Seccionamento Visível

EVA – Acetato de Vinil-etila

EUA – Estados Unidos da América

FF – Fator de Forma

FV – Fotovoltaico

GA – Ganho Pecuniário Anual

GD – Geração Distribuída

GND – Terra

HN – Hemisfério Norte

HS – Hemisfério Sul

I – Corrente Elétrica

IS – Insolação Média Diária Anual

IBGE – Instituto Brasileiro de Geografia e Estatísticas

IGBT – Transistor Bipolar de Porta Isolada

IM – Corrente Máxima de Pico

IMPP – Corrente no Ponto de Potência Máxima

INMETRO – Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia

IS – Irradiância Solar

ISC – Corrente de Curto-circuito

LTs – Linhas de Transmissão

m2 – Metro Quadrado

MOSFET – Transistor de Efeito de Campo de Semicondutor de Óxido Metálico

MPP – Ponto de Potência Máxima

MPPT – Seguidor do Ponto de Máxima Potência

n1 –Eficiência do Inversor

n2 – Eficiência do Módulo Fotovoltaico

N – Norte

ND – Norma de Distribuição

NE – Nordeste

ONS – Operador Nacional do Sistema Elétrico

PCHs – Pequenas Centrais Hidrelétricas

PE – Produção Estimada Mensal

PN – Potência Nominal Total

PRODIST – Procedimentos de Distribuição

PRS – Período de Retorno Simples

PWM – Modulação por Largura de Pulso

QEE – Qualidade de Energia Elétrica

S – Sul

Si – Silício

SFCR – Sistema Fotovoltaico Conectado à Rede

SE – Sudeste

SF – Sistema Fotovoltaico

SIN – Sistema Interligado Nacional

V – Tensão Elétrica

VAr – Volt Ampere Reativo

VM – Tensão Máxima de Pico em Volts.

VMPP – Tensão Ponto de Potência Máxima

VOC – Tensão de Circuito Aberto

W – Watt

Wp – Watt-pico

SUMÁRIO

Páginas

1. INTRODUÇÃO ................................................................................................. 13

2. PROBLEMA DE PESQUISA ........................................................................... 15

2.1. CONTEXTUALIZAÇÃO ................................................................................. 15

3. OBJETIVOS ..................................................................................................... 17

3.1. OBJETIVO GERAL ....................................................................................... 17

3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ......................................................................... 17

4. JUSTIFICATIVA .............................................................................................. 18

5. REFERENCIAL TEÓRICO .............................................................................. 19

5.1. ENERGIA SOLAR ......................................................................................... 19

5.1.1. Radiação Solar ........................................................................................... 19

5.1.2. Distribuição da radiação solar .................................................................... 21

5.1.3. Efeito Fotovoltaico ...................................................................................... 26

5.2. SISTEMA FOTOVOLTAICO .......................................................................... 29

6. METODOLOGIA .............................................................................................. 32

7. RESULTADOS E DISCUSSÃO ....................................................................... 32

7.1. ANÁLISE DE DADOS HISTÓRICOS ............................................................ 33

7.1.1. Primeiras Aplicações das Células Fotovoltaicas ........................................ 33

7.1.2. Geração Distribuída ................................................................................... 34

7.1.3. Sistema Fotovoltaico Autonômo (Off Grid) ................................................. 35

7.1.4. Sistema Fotovoltaico conectado à rede (On Grid) ...................................... 36

7.2. ACESSO AO SISTEMA DE DISTRIBUIÇÃO ................................................ 38

7.2.1. Legislação Brasileira .................................................................................. 38

7.2.2. Módulos Fotovoltaicos ................................................................................ 40

7.2.3. Inversores. .................................................................................................. 45

7.2.4. Materiais de Instalação............................................................................... 51

7.3. ESTUDO DE CASO ...................................................................................... 55

7.3.1. Análise Preliminar do Projeto. .................................................................... 55

7.3.2. Avaliação do Potencial Energético.. ........................................................... 58

7.3.3. Dimensionamento, Compra de Materiais e Projeto .................................... 62

7.3.4. Estimativa de Produção e Viabilidade Econômica ..................................... 66

8. CONCLUSÃO .................................................................................................. 68

9. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................ 69

13

1. INTRODUÇÃO

A energia possibilitou todo o desenvolvimento da sociedade ao estágio em que

ela se encontra. No entanto, a relação de dependência sociedade-energia, traz

grandes preocupações quanto ao futuro da humanidade. A expansão acentuada

do consumo de energia, embora possa refletir o aquecimento econômico e a

melhoria de qualidade de vida, tem aspectos negativos. Estes aspectos são: a

possibilidade do esgotamento dos recursos utilizados para a produção de

energia, o impacto ao meio ambiente produzido por esta atividade e os elevados

investimentos exigidos na pesquisa de novas fontes e construção de novas

usinas.

O Sol é a maior fonte de energia que abastece a Terra. A energia proveniente do

Sol aquece a Terra de forma desigual. Diariamente incide sobre a Terra mais

energia vinda do Sol do que a demanda total de todos os habitantes de nosso

planeta em todo um ano.

No Brasil, cerca de oitenta e um por cento da oferta total de energia elétrica é

proveniente de grandes centrais hidrelétricas distantes dos grandes centros de

consumo. O restante desta oferta é obtido, em grande parte, através de

combustíveis fósseis. Como solução alternativa à produção centralizada pode-se

citar a Geração Distribuída (GD) de eletricidade, que é definida por produção de

energia elétrica realizada junto ou próxima ao consumidor. As alternativas

energéticas de GD devem considerar questões como distribuição geográfica da

produção, confiabilidade e flexibilidade de operação, disponibilidade de preços de

combustíveis, prazos de instalação e construção, condições de financiamento,

licenciamento ambiental, etc.

Atualmente há grande interesse no uso de fontes de energia “limpas”, ou seja,

que não emitam CO2 e gases poluentes.

Uma alternativa energética, tanto para descentralização do sistema de geração

quanto no que concerne à questão ambiental, é o Sistema Fotovoltaico (SF)

conectado à rede de baixa tensão; sistema este no qual o arranjo fotovoltaico

atua como fonte complementar do sistema elétrico ao qual está conectado. O

gerador fotovoltaico é composto por módulos onde se encontram as células

fotovoltaicas que produzem energia elétrica na forma de corrente contínua

quando sobre elas incide a luz solar. Em função de sua baixa densidade

14

energética, adapta-se melhor à Geração Distribuída do que à centralizada. O SF

pode ser utilizado para geração de energia elétrica em comunidades remotas:

alimentação de sensores, postes de luz, semáforos, sistemas de bombeamento

de água e ocasionalmente pode até ser utilizado como fonte complementar

conectada à rede elétrica, em regime de cogeração, para fim de compensação

nos valores pagos à fornecedora de energia elétrica.

Baseado no exposto, o presente trabalho pretende desenvolver um estudo

técnico e detalhado de um sistema de cogeração fotovoltaico conectado à rede

de baixa tensão.

15

2. PROBLEMA DE PESQUISA

Como desenvolver e implementar um sistema de cogeração fotovoltaico

conectado à rede de baixa tensão de uma concessionária de energia?

2.1 CONTEXTUALIZAÇÃO

Os primeiro sistemas de cogeração instalados em todo mundo surgiram junto

com a indústria de energia elétrica e datam do século XIX na Europa e princípios

do século XX nos EUA quando o fornecimento de energia elétrica proveniente de

grandes centrais elétricas se encontrava numa etapa de desenvolvimento. Com a

proliferação das grandes centrais elétricas e das linhas de transmissão e

distribuição, que forneciam energia abundante, confiável e barata, os sistemas de

cogeração foram gradualmente perdendo participação.

O panorama da geração centralizada foi perturbado com as grandes crises do

petróleo na década de setenta, que introduziram, por exemplo, a importância da

vertente da cogeração de energia. Diversos países criaram programas de

conservação de energia, com incentivos que visavam reduzir o consumo e a

dependência do petróleo importado.

Diferentemente do cenário mundial, onde a geração das grandes centrais

elétricas se dá em considerável proporção pela queima de combustíveis fósseis,

e, portanto, com grande dependência do petróleo, no Brasil o abastecimento

provém em sua maioria de grandes centrais hidrelétricas. Cogeração e geração

distribuída são assuntos que entraram em voga na crise ocorrida no setor

energético brasileiro no início do século XXI.

Desde a crise de abastecimento em 2001, a energia elétrica assumiu papel

importante na mídia e formulação estratégica das empresas brasileiras. Temas

como segurança energética e o custo da falta de energia, passaram a fazer parte

das decisões de curto e longo prazo, sempre na dependência das legislações e

dos regulamentos.

A carência de recursos para efetuar maciços investimentos requeridos para

produção centralizada de eletricidade, como por exemplo, a construção de

grandes usinas (hidrelétrica, termoelétrica, nuclear, etc), bem como os entraves

advindos dos órgãos ambientais e da influência do ativismo ambiental na opinião

pública, gera necessidade de busca de alternativas energéticas para suprir ou

16

compensar o fracasso ou atraso destas tentativas. A GD surge como importante

alternativa devido ao baixo risco e o desenvolvimento ser exclusivamente de

cunho privado, com reduzida intervenção do governo.

A cogeração via SF vem cada vez mais se firmando como uma das tecnologias

mais recomendáveis voltada à conservação de energia por sua condição

operacional e tem como principal vantagem a capacidade de redução de custos

operacionais e recuperação energética pelo uso de energia em cascata.

Diante do recente incentivo dado pelo governo brasileiro para inserção de novas

unidades geradoras conectadas à rede pública (resolução ANEEL 482 de 17 de

abril de 2012), torna-se necessário uma análise sistêmica e técnica do impacto

destas no setor energético, aplicações possíveis, potenciais, custos, vantagens e

desvantagens em perspectiva nacional.

A análise de um projeto de cogeração deve considerar uma série de variantes de

forma a torná-lo um sistema que aumente a rentabilidade da instalação em que

está inserido. O critério aplicável neste dimensionamento pressupõe que o

sistema de cogeração deve operar harmoniosamente e de maneira consistente

com o restante da instalação industrial, ou de serviços. Os dimensionamentos

dos montantes de energia elétrica a serem gerados deverá ser consequência do

ponto em que a rentabilidade do projeto atinja seu melhor valor, de maneira

equilibrada, visto que a geração excedente pode não ser compensada em prazo

hábil.

17

3. OBJETIVOS

3.1. OBJETIVO GERAL

Ciente que a GD é realidade em diversos países e que há recente legislação de

estímulo desta prática no Brasil, o presente trabalho objetiva efetuar estudo

detalhado e sistêmico de um sistema de cogeração fotovoltaico conectado à rede

de baixa tensão.

3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Fazer levantamento das diferentes tecnologias de GD com sistemas

fotovoltaicos disponíveis;

Analisar detalhadamente os potenciais, custos, vantagens e desvantagens

de um sistema de cogeração fotovoltaico conectado à rede de baixa tensão;

Fazer um estudo de caso, demonstrando o acompanhamento dos trâmites

de projeto de um sistema residencial de cogeração fotovoltaico conectado à

rede de baixa tensão.

18

4. JUSTIFICATIVA

Em países da Europa, EUA e Canadá, nos quais o incentivo para instalação de

fontes alternativas de energia já existe e o poder aquisitivo da população é

superior quando comparado com o do brasileiro, vê-se um crescimento

acentuado na potência instalada de unidades de geração em níveis de tensão de

baixa tensão. Estas unidades são, em sua maioria, painéis fotovoltaicos.

A publicação da resolução 482 da ANEEL em 2012 estabeleceu as condições

gerais para acesso de microgeração e minigeração distribuídas aos sistemas de

distribuição de energia elétrica e o sistema de compensação de energia elétrica.

É evidente a preocupação do governo com o risco de uma crise energética

(apagão) tendo em vista o consumo previsto para os próximos anos. Em face

deste acontecimento e, a partir do momento que estas pequenas unidades

geradoras têm embasamento normativo e técnico para serem implantadas, torna-

se necessário estudo sobre o aproveitamento de recursos locais para geração de

energia o mais próximo possível do ponto de consumo, evitando a construção de

novas LTs, diminuindo perdas e aumentando a confiabilidade do Sistema Elétrico

Brasileiro, postergando ou até evitando investimentos em obras de expansão das

redes das concessionárias.

O sistema de cogeração mais utilizado em residências é a aplicação da

tecnologia fotovoltaica. Através da integração de painéis solares ao entorno

construído, células solares convertem diretamente a energia do sol em energia

elétrica de forma estática, silenciosa, não-poluente, renovável e de forma

descentralizada com interligação da instalação geradora à rede elétrica. É de

suma importância a descrição dos tipos de módulos fotovoltaicos comercialmente

disponíveis, os circuitos elétricos e os dispositivos de medição e proteção

envolvidos em tais instalações.

19

5. REFERENCIAL TEÓRICO

5.1. ENERGIA SOLAR

O sol, cujas radiações definem o meio ambiente no qual nós, como uma espécie,

evoluímos e nos adaptamos, é fonte predominante de ondas eletromagnéticas.

Sendo a estrela mais próxima da Terra, constitui a principal fonte de energia do

planeta. Sua fonte de energia está associada à fusão termonuclear de átomos de

hidrogênio para hélio. Neste processo são emitidos fótons altamente energéticos,

de forma que a transferência de energia da parte mais interna até a superfície é

realizada basicamente por meio de radiação eletromagnética (LIOU, 1980).

A eletricidade solar, tradicionalmente chamada energia fotovoltaica é uma fonte

limpa de energia que tem potencial para contribuir com o desenvolvimento

ambientalmente sustentável (LORA; HADDAD, 2006).

5.1.1 Radiação Solar

O processo mais importante pela transferência de energia na atmosfera ocorre

através da radiação eletromagnética. Um raio luminoso é uma onda progressiva

de campos elétricos e magnéticos (uma onda eletromagnética). Apesar da

variabilidade do espectro eletromagnético em relação as suas propriedade e

fontes, as radiações mantêm caraterísticas em comum podendo ser descritas

como resultado da combinação de um campo elétrico e de um campo magnético

que se propagam no vácuo à velocidade da luz (HALLIDAY; RESNICK, 2009).

Os mesmos autores afirmam que em meados do século XIX, a luz visível e os

raios infravermelho e ultravioleta eram as únicas ondas eletromagnéticas

conhecidas. Inspirado pelas previsões teóricas de Maxwell, Heinrich Hertz

descobriu o que hoje chamamos de ondas de rádio, e observou que essas ondas

se propagam com a mesma velocidade que a luz visível. Hoje é conhecido um

largo espectro de ondas eletromagnéticas conforme mostrada na figura 1.

20

Figura 1 – Espectro Eletromagnético.

Fonte: HALLIDAY; RESNICK, 2009. p 2.

Em 1900, o cientista alemão Max Planck desenvolveu uma teoria que resultou na

equação de corpo negro, com a criação da constante que recebe seu nome

[h=6,63 x 10-34J.s] e a ideia de quanta de energia (PAULA, 2004).

O mesmo autor afirma que em 1905, Albert Einstein fez uma suposição a partir

da teoria de Planck, sobre a natureza da luz e sua interação com a matéria, de

que sob certas circunstâncias ela se comporta como se sua energia estivesse

concentrada de forma discreta em pacotes, os fótons, e não de forma contínua.

Einstein definiu que a energia [Ef] de cada fóton era igual ao produto da constante

de Planck [h] e de sua frequência de oscilação (ʋ).

Ef = h* ʋ = (h*c)/λ

A radiação solar é emitida em todo espectro eletromagnético, porém ela é mais

intensa na região do visível com um pico ao redor de 550nm (HALLIDAY;

RESNICK, 2009).

21

5.1.2 Distribuição da radiação solar

Devido à grande distância entre o Sol e a Terra, diz-se que a radiação solar é

colimada, ocupando um campo de visão limitada, denominado “disco solar

aparente”. A quantidade de radiação solar depende da posição do disco solar no

céu, isto é, depende de variáveis associadas á orbita da Terra ao redor do Sol.

Para se conhecer tal posição, utiliza-se o sistema de coordenadas terrestres,

denominado Sistema Geográfico. O referido Sistema Geográfico tem como

coordenadas a latitude (φ) e a longitude (λ) que são utilizadas para localizar

pontos na superfície terrestre, conforme ilustrado na figura 2. A latitude é

computada a partir do equador até o paralelo de interesse e varia de -90º a +90º,

sendo positivo no hemisfério norte. A longitude é computada a partir do Meridiano

de Greenwich até o meridiano de interesse e varia de -180º a +180º, sendo

negativo a oeste de Greenwich (BISCARO, 2007).

Figura 2 – Sistema Geográfico.

Fonte: BISCARO, 2007. p. 14.

O mesmo autor também afirma que além do ciclo diurno, a quantidade de

radiação solar que atinge o topo da atmosfera terrestre varia de acordo com a

época do ano, devido a orbita elíptica da Terra ao redor do Sol, conforme figura 3.

22

Figura 3 – Representação do movimento da Terra em torno do Sol.


O autor também afirma que a declinação solar (δ) é o ângulo formado entre a

linha imaginária que une o centro do planeta Terra (na linha do Equador) ao

centro do Sol. A inclinação do eixo de rotação da Terra com relação à normal ao

plano da eclíptica influi na quantidade de radiação solar incidente. As figuras 4 e

5 demonstram que esta inclinação varia de 23º 27’ a -23º 27’ e, quando atinge

valores máximos recebe o nome de solstício.

Figura 4 – Declinação solar (solstício de inverno no HS e verão no HN).


23

Figura 5 – Declinação solar (solstício de inverno no HN e verão no HS).


Para cálculo da irradiância solar incidente no topo da atmosfera terrestre é

necessário o conhecimento do valor da distância Terra-Sol, da declinação solar e

da equação do tempo para cada dia do ano (BISCARO, 2007).

A radiação solar que se propaga através da atmosfera sofre atenuação na

interação como os constituintes atmosféricos e também pelo processo de

espalhamento ao interagir com moléculas de oxigênio e nitrogênio. Entre os

constituintes atmosféricos atenuadores, é importante citar o ozônio, o vapor

d’água e as partículas de aerossóis absorvedoras (BARROS, 2011).

Segundo o mesmo autor, as relações geométricas, que estão evidenciadas nas

figuras 6 e 7, entre os raios solares e superfície terrestre são descritas através de

vários ângulos:

- Ângulo de Incidência (ϒ): ângulo formado entre os raios do sol e anormal de

superfície de captação.

- Ângulo Azimutal da Superfície (aw): ângulo entre a projeção da normal à

superfície no plano horizontal e a direção Norte-Sul.

- Ângulo Azimutal da Superfície (as): ângulo entre a projeção do raio solar no

plano horizontal e a direção Norte-Sul.

- Altura Solar (α): ângulo compreendido entre o raio solar e a projeção do

mesmo sobre um plano horizontal.

24

- Inclinação (β): ângulo entre o plano da superfície em questão e a horizontal.

- Ângulo Horário do Sol ou Hora Angular (ω): deslocamento angular Leste-

Oeste do Sol, a partir do meridiano local, e devido à movimentação da Terra.

- Ângulo Zenital (θz): ângulo formado entre os raios solares e a vertical.

Figura 6 – Ângulos de incidência e azimutais.

Fonte: BARROS, 2011. p. 7.

Figura 7 – Ângulos zenital, incidência, Altura Solar e inclinação do módulo.


25

A intensidade de radiação solar varia entre 1235 W/m2 e 1412 W/m2 e o valor

médio estabelecido da intensidade de radiação (E0) é de 1367 W/m2. A energia

incidente acumulada em um ano, por unidade de área, em regiões próximas da

linha do Equador, excede 2300 KWh/m2, enquanto que no sul da Europa não

excede os 1900 KWh/m2 (BARROS, 2011).

Grande parte do território brasileiro está localizado relativamente próximo da linha

do Equador, de forma que não se observa grandes variações na duração solar do

dia. Porém a maioria da população brasileira e das atividades socioeconômicas

do país está localizada em regiões mais distantes do Equador. Desse modo, para

maximizar o aproveitamento da radiação solar, deve-se ajustar a posição do

coletor ou painel solar de acordo com a latitude local e período do ano em que se

requer mais energia. Na figura 8 está ilustrado o mapa de radiação solar

brasileiro (ANEEL, 2013).

Figura 8 – Radiação solar no Brasil.

Fonte: Atlas de Energia Elétrica do Brasil, 2013. p. 35.

26

A luz solar que atinge a superfície terrestre é composta por uma parte direta e

outra parte difusa. A radiação direta vem segundo a direção do Sol, produzindo

sombras bem definidas em qualquer objeto. A radiação difusa corresponde à

parte da radiação que sofreu, durante seu percurso, diversos processos de

difusão e reflexão por moléculas suspensas na atmosfera (BARROS, 2011).

5.1.3 Efeito Fotovoltaico

O Efeito Fotovoltaico foi observado pela primeira vez em 1839 por Edmond

Becquerel que verificou que placas metálicas, de platina ou prata, mergulhadas

num eletrólito, produziam uma pequena diferença de potencial quando expostas

à luz (BRITO; VALLÊRA, 2006).

Os mesmos autores afirmam que em 1877, dois inventores norte americanos W.

G. Adams e R. E. Day, utilizaram as propriedades fotocondutoras do selênio para

desenvolver o primeiro dispositivo sólido de produção de eletricidade por

exposição à luz. Este dispositivo tinha eficiência de aproximadamente 0,5 por

cento. A história da energia fotovoltaica teve de esperar os grandes

desenvolvimentos científicos da primeira metade do século XX, nomeadamente a

explicação do efeito fotovoltaico por Albert Einstein em 1905, o advento da

mecânica quântica e, em particular, a teoria de bandas, física dos

semicondutores e as técnicas de purificação e dopagem associadas ao

desenvolvimento do transístor de silício.

Os autores também afirmam que a história da primeira célula solar começou em

março de 1953 quando Calvin Fuller, um químico da Bell Laboratories (Bells

Labs), em Murray Hill, New Jersey, nos EUA, desenvolveu um processo de

difusão para introduzir impurezas em cristais de silício, de modo a controlar as

suas propriedades elétricas (um processo chamado “dopagem”). Fuller produziu

uma barra de silício dopado com uma pequena concentração de gálio, que o

torna condutor, sendo as cargas positivas (e por isso é chamado silício do “tipo

p”). Seguindo as instruções de Fuller, o físico Gerald Person, seu colega nos Bell

Labs, mergulhou esta barra de silício dopado num banho quente de lítio, criando

assim na superfície da barra uma zona com excesso de elétrons livres,

portadores com carga negativa (e por isso chamado silício do “tipo n”). Na região

onde o silício “tipo n” fica em contato com o silício “tipo p”, a “junção p-n”, surge

um campo elétrico permanente. Pearson verificou que produzia uma corrente

27

elétrica quando a amostra era exposta à luz. Pearson tinha acabado de fazer a

primeira célula solar de silício.

Figura 9 – Patente da primeira célula solar registrada em 1954.

Fonte: BRITO; VALLÊRA, 2006, p. 12

A primeira aplicação das células solares de Chaplin, Fuller e Pearson foi

realizada em Americus, no estado da Geórgia, para alimentar uma rede telefônica

local (BRITO; VALLÊRA, 2006).

Figura 10 – Instalação da primeira célula solar.

Fonte: BRITO; VALLÊRA, 2006, p. 12.

28

O efeito fotovoltaico dá-se em materiais da natureza denominados

semicondutores que se caracterizam pela presença de uma banda de energia

onde é permitida a presença de elétrons (banda de valência) e de outra

totalmente “vazia”, a banda de condução (BARROS, 2011).

Segundo o autor, hoje o semicondutor mais usado é o silício. Seus átomos

formam uma rede cristalina, pois possuem quatro elétrons de ligação que se

ligam aos vizinhos. Quando adicionado com átomo de fósforo (dopante n), que é

átomo com cinco elétrons de ligação, haverá um elétron em excesso e então fica

“sobrando” e sua ligação com o átomo de origem, se torna fraca. Com pouca

energia térmica este elétron se torna livre, indo para banda de condução. Quando

o semicondutor é dopado com boro (dopante p), que é um átomo com três

elétrons de ligação, haverá falta de um elétron para satisfazer as ligações como

os átomos de silício. Esta falta de elétron é denominada buraco ou lacuna e

ocorre, que com pouca energia térmica, um elétron de um sítio vizinho pode

passar a esta posição fazendo com que o buraco se desloque.

Barros também afirma que se a partir de um silício puro, forem introduzidos em

uma metade, átomos de boro e em outra, átomos de fósforo, será formada a

chamada junção pn onde os elétrons livres passam a preencher as lacunas.

Estas cargas aprisionadas formam um campo elétrico permanente que dificulta a

passagem de mais elétrons de n para p até que nenhum elétron remanescente

consiga mais passar para o lado p. Se uma junção pn for exposta a fótons com

energia maior que o gap, ocorrerá a geração de pares elétron-lacuna; se isto

acontecer na região onde o campo elétrico é diferente de zero, as cargas dão

origem a uma diferença de potencial a qual se chama de Efeito Fotovoltaico. Se

as duas extremidades do silício forem conectadas a um fio, haverá circulação de

corrente.

29

Figura 11 – Barreira de potencial numa região de transição pn.


5.2. SISTEMA FOTOVOLTAICO

O Sol fornece energia na forma de radiação e calor. O Sistema Fotovoltaico,

através de um gerador, converte radiação em energia elétrica (BARROS, 2011).

O gerador é composto basicamente por um conjunto de módulos fotovoltaicos e

respectivos suportes, que podem ser instalados sobre telhados, terraços ou em

locais não sombreados, e por um conversor eletrônico (inversor). A energia

elétrica gerada pelos módulos fotovoltaicos em corrente contínua (CC) é

convertida em corrente alternada (CA) através do inversor e injetada diretamente

na rede elétrica de baixa tensão do consumidor. Para que as células fotovoltaicas

possam ser utilizadas em sistemas fotovoltaicos, onde são necessários pelo

menos dezenas de watts, torna-se necessário associá-las. Podem ser agrupadas

em série e/ou em paralelo, dependendo da característica elétrica requerida

(RÜTHER, 2006).

O mesmo autor afirma que as vantagens de se utilizar estes geradores são a alta

confiabilidade e a fácil portabilidade. Os módulos permitem montagens simples e

são adaptáveis a várias necessidades energéticas, o custo de operação e

manutenção é reduzido e há evidente ganho ecológico quanto ao seu uso.

Sistemas fotovoltaicos, para operarem conectados à rede, são compostos por

módulos, inversores, dispositivos de proteção, sistema de fixação e suporte dos

módulos e cabos.

30

De forma geral, considerando a existência de um mecanismo internacionalmente

conhecido como net metering:

(i) O sistema injeta energia na rede no intervalo de geração (dia),

gerando um “crédito energético” na conta de energia.

(ii) Esse “crédito” seria utilizado nos meses seguintes como

compensação pecuniária na conta de energia.

(iii) O objetivo final, para uma edificação autossuficiente é que o “débito

energético” esteja próximo de zero.

Em qualquer instalação fotovoltaica o módulo solar fotovoltaico é a célula básica

do sistema gerador. A corrente CC do gerador solar é definida pela conexão em

paralelo de painéis individuais ou de strings (conjunto de módulos conectados em

série). A potência total é dada pela soma da potência nominal de cada módulo

(RÜTHER, 2006).

Figura 12 – Exemplos de módulos fotovoltaicos.

Fonte: RÜTHER, 2006, p. 22.

É necessária uma análise dos requisitos técnicos estabelecidos pela

concessionária para instalação deste tipo de sistema e uma autorização da

mesma. Normalmente, o armazenamento de energia nos sistemas fotovoltaicos

autônomos é assegurado por baterias e recentemente, diante da resolução 482

31

da ANEEL, é possível injetar este excedente de energia diretamente na rede

pública em regime de compensação. O seu dimensionamento é essencial para o

bom funcionamento do sistema. O armazenamento ou compensação de energia

representa 13 a 15% do investimento inicial, considerando uma duração de vida

de 20 anos (RÜTHER, 2006).

A conexão do gerador com a rede se faz por meio da utilização de um inversor

(grid tie), e este deve atender aos requisitos estabelecidos nas normas ABNT

NBR 16.149, ABNT NBR 16.150 e NBR/IEC 62116 Sistemas fotovoltaicos (FV) –

Características da interface de conexão com a rede elétrica de distribuição.

Somente são aceitos inversores com certificação do INMETRO ou de outro órgão

reconhecido pelo INMETRO (ND 5.30 CEMIG, 2012).

Figura 13 – Sistema Fotovoltaico conectado à rede

Fonte: Energia Pura, 2013.

32

6. METODOLOGIA

O estudo se caracteriza como uma pesquisa experimental, que segundo Egg

(2008 apud Marconi e Lakatos, 1978:28, p.157), é “procedimento reflexivo

sistemático, controlado e crítico que permite descobrir novos fatos ou dados,

relações ou leis em qualquer campo do conhecimento”.

Os procedimentos metodológicos adotados nesta pesquisa iniciam-se com a

preparação do referencial teórico sobre os assuntos pertinentes ao tema, ou seja,

material de estudo sobre Geração Distribuída de energia, Energia Solar,

Legislação vigente sobre Sistema de Compensação de energia elétrica e Sistema

de cogeração fotovoltaico conectado à rede de baixa tensão.

Os objetivos conforme afirma Marconi/Lakatos (2008) torna explícito o problema,

portanto, a definição do objetivo inicia-se com pesquisa e levantamento das

diferentes tecnologias GD voltadas para sistemas fotovoltaicos; análise sistêmica

e técnica dos potenciais, custos, vantagens e desvantagens de um sistema de

cogeração fotovoltaico conectado à rede de baixa tensão e estudo de caso a

respeito de projeto de um sistema residencial de cogeração fotovoltaico

conectado à rede de baixa tensão.

33

7. RESULTADOS E DISCUSSÃO

7.1. ANÁLISE DE DADOS HISTÓRICOS

7.1.1 Primeiras Aplicações das Células Fotovoltaicas

As células fotovoltaicas tiveram pouca aplicação prática nos anos iniciais de sua

descoberta. Na primeira aplicação, em 1955 para alimentação de uma rede

telefônica local na cidade de Americus no estado da Geórgia, ficou evidente que

a utilização somente seria economicamente competitiva em aplicações muito

especiais. A principal razão era o fato de que a potência elétrica produzida era

mais cara que a produzida por usinas convencionais.

A grande mudança se deu a partir da necessidade de aumento da durabilidade

de baterias utilizadas em satélites e consequentemente a aumentar a vida útil dos

mesmos. Em 1958 células fotovoltaicas foram presas na fuselagem do satélite

Vanguard I para recarregamento de bateria química prevista no projeto original. A

bateria química falhou, mas o pequeno painel de 100 cm2 manteve o transmissor

do satélite em funcionamento por oito anos. Hoje, todos os veículos espaciais são

equipados com células solares.

Pelas décadas seguintes melhorias nas células ocorreram lentamente, mas a

principal aplicação era no setor espacial, uma vez que a relação potência-peso

era mais favorável do que as alternativas disponíveis na época. Devido este fato,

as pesquisas se restringiam a procura de melhor desempenho do ponto de vista

potência-peso do que especificamente para busca de soluções de menor custo

de produção e aumento de eficiência.

O alto custo envolvido na fabricação e a baixa eficiência dos módulos mostraram-

se como entraves para a pouca aplicação nos anos iniciais à sua descoberta. A

redução dos preços em virtude da grande mudança para circuitos integrados na

década de 1960 levou à disponibilidade de semicondutores a preços

relativamente baixos.

Na década de setenta surgiram as primeiras aplicações terrestres. Uma empresa

chamada SOLAREX, de Joseph Lindmeyer, começou a produzir módulos

fotovoltaicos para sistemas de comunicações remotos e bóias de navegação.

Estes tipos de aplicações eram economicamente interessantes devido à

inexistência de fontes alternativas à eletricidade solar.

34

A crise petrolífera, em 1973, levou a um súbito investimento em programas para

reduzir o custo de produção das células solares. Algumas tecnologias financiadas

por estes programas levou a utilização de novos materiais, dado os resultados

cita-se em particular o silício multicristalino. O resultado foi a redução do custo da

eletricidade solar de 80 $/Wp para 12 $/Wp em menos de uma década.

Desde então, melhorias nos processos de fabricação de células e ganhos de

escala trouxeram o custo para preços de varejo nos mercados internacionais.

Atualmente, os sistemas fotovoltaicos vêm sendo utilizados em instalações

remotas possibilitando vários projetos sociais de irrigação e comunicação, ou

conectados à rede elétrica para compensação em regime de empréstimo à

concessionária.

As facilidades como modularidade, baixos custos de manutenção e vida útil longa

fazem com sejam de grande importância para instalações em lugares

desprovidos de rede elétrica. Neste sistema de operação autônoma o sistema

fotovoltaico é conhecido com Sistema Fotovoltaico Off Grid.

O sistema fotovoltaico, quando conectado diretamente à rede elétrica é

conhecido como Sistema Fotovoltaico On Grid. Tendo em vista a busca por

serviços e tecnologias com reduzidos impactos ambientais, este sistema tem-se

mostrado como uma importante alternativa para Geração Distribuída.

7.1.2 Geração Distribuída

No presente estudo, a Geração Distribuída é constituída pelos módulos montados

diretamente nas edificações ou em outros locais, tais como coberturas de

estacionamentos, áreas livres. Essas edificações serão alimentadas pela energia

elétrica produzida por esses módulos, através de um inversor CC/CA,

concomitantemente com a rede elétrica de distribuição em baixa tensão na qual

estão interligadas.

Os sistemas solares fotovoltaicos interligados ao sistema de distribuição

oferecem uma série de vantagens para o sistema elétrico. Dentre elas, pode-se

destacar:

- A energia é produzida junto à carga, assim as perdas nas redes de

transmissão são minimizadas;

35

- A produção de energia elétrica ocupa um espaço já utilizado, uma vez que

está integrada à edificação;

- Investimentos em linhas de transmissão e distribuição são reduzidos;

- Existe a coincidência no consumo, principalmente em se tratando de prédios

comerciais onde a maior utilização acontece no horário de maior produção de

energia pelos módulos;

- Edificações solares fotovoltaicos têm a capacidade de oferecer suporte kVAr

a pontos críticos da rede de distribuição (melhoria da qualidade de energia)

- O sistema possui modularidade, ou seja, pode ser ampliado conforme haja

carga da edificação se houver espaço para isso;

- A montagem do sistema pode substituir materiais de revestimento e de

cobertura;

- É uma fonte de energia inesgotável, que está disponível praticamente em

todos os locais, e produz energia limpa, silenciosa e renovável, sem emitir gases

causadores do efeito estufa.

7.1.3 Sistema Fotovoltaico Autônomo (Off Grid)

O Sistema Fotovoltaico Autônomo ou Sistema Fotovoltaico Off Grid não é

conectado à rede pública e depende unicamente da radiação solar para gerar

energia elétrica através de painéis fotovoltaicos.

Esse tipo de sistema, geralmente, possui um sistema de armazenamento de

energia constituído por um banco de baterias e necessita, dependendo da

aplicação, de controladores de carga e inversores CC/CA. O controlador de carga

tem como principal função não deixar que haja danos na bateria por sobrecarga

ou descarga profunda.

Há sistemas que não necessitam de armazenamento de carga, como é o caso da

irrigação onde toda a água bombeada é diretamente consumida ou estocada em

reservatórios.

O Sistema Fotovoltaico Autônomo é utilizado para fornecimento de energia em

áreas remotas, onde não é possível estabelecer ligação a uma rede pública ou

quando esta é uma opção muito dispendiosa. É um sistema comumente utilizado

para satisfazer necessidades básicas, tais como:

36

- Bombeamento e purificação de água;

- Refrigeração de alimentos;

- Iluminação;

- Eletrificação rural.

Figura 14 – Sistema Fotovoltaico Autônomo.

Fonte: CRESESB, 1999.

7.1.4 Sistema Fotovoltaico conectado à rede (On Grid)

O Sistema Fotovoltaico On Grid não utiliza armazenamento de energia, toda

geração é entregue diretamente na rede que age como uma carga absorvendo a

energia elétrica gerada. São caracterizados por estarem integrados à rede

elétrica que abastece a população e diferentemente dos sistemas isolados que

atendem a um propósito específico e local, estes sistemas são capazes de

abastecer a rede elétrica com energia. Representam uma fonte complementar ao

sistema elétrico de grande porte ao qual estão conectados, pois tem uma grande

vantagem com relação aos sistemas isolados: não utilizam baterias e

controladores de carga. Isso os torna cerca de 30% mais eficientes e também

garante que toda a energia seja utilizada, ou localmente ou em outro ponto da

rede.

37

Quando aplicados às edificações, estes sistemas também são chamados de

sistemas fotovoltaicos de autoconsumo. Se o proprietário do sistema produzir

mais energia do que consome, a energia produzida fará com que o medidor “gire

para trás”. Quando produzir menos do que consome, o medidor deverá “girar

mais devagar”. O medidor deve ser bidirecional, ou seja, apropriado para medir o

fluxo de energia nos dois sentidos.

O sistema On Grid não deve operar em caso de falta de energia na rede ao qual

está conectado. Em caso de manutenção, a rede não pode estar energizada. O

sistema fotovoltaico On Grid não deve operar isoladamente.

O sistema fotovoltaico é conectado em inversores e estes fazem a interface com

a rede elétrica conforme exposto na figura 15.

Figura 15 – Sistema Fotovoltaico On Grid.

Fonte: CRESESB, 1999.

Figura 16 – Diagrama de blocos de um Sistema Fotovoltaico On Grid.

38

Na figura 16 está a representada simbologia de um módulo fotovoltaico, que

também é utilizada para ilustrar uma fileira de módulos, um arranjo fotovoltaico,

uma célula solar ou uma série dessas.

7.2. ACESSO AO SISTEMA DE DISTRIBUIÇÃO

7.2.1 Legislação Brasileira

Em abril de 2012, por meio da resolução ANEEL 482, o governo regulamentou

que as distribuidoras de energia elétrica deveriam adequar seus sistemas

comerciais e elaborar ou revisar normas técnicas para tratar do acesso da

minigeração e microgeração distribuída. Antes disso, o pleno aproveitamento do

potencial de energia solar apresentava vários obstáculos de natureza regulatória.

O sistema de compensação descrito nessa resolução é o sistema no qual a

energia injetada por unidade consumidora com micro ou minigeração distribuída é

cedida, por meio de empréstimo gratuito, à distribuidora local e posteriormente

compensada com consumo de energia elétrica ativa dessa mesma unidade

consumidora ou de outra unidade consumidora de mesma titularidade da unidade

consumidora onde os créditos foram gerados, desde que possua o mesmo

Cadastro de Pessoa Física (CPF) ou Cadastro de Pessoa Jurídica (CNPJ). Para

fins desta compensação, a energia ativa injetada no sistema de distribuição pela

unidade consumidora, será cedida a título de empréstimo gratuito para a

distribuidora, passando a unidade consumidora a ter um crédito em quantidade

de energia ativa a ser consumida por um prazo de trinta e seis meses.

O consumo de energia elétrica ativa a ser faturado é a diferença entre a energia

consumida e a injetada. Sendo assim, o excedente de energia produzido pelo

sistema fotovoltaico pode alimentar outros consumidores da rede da

concessionária. Tal sistema é muito comum em países onde os produtores dessa

energia alternativa vendem a concessionária local o excedente de produção

(durante o dia, por exemplo) e compram de volta quando o consumo aumenta

(por exemplo, à noite).

Segundo HANSEN, o setor residencial brasileiro é responsável por vinte e quatro

por cento de toda energia elétrica consumida do país. Geradores fotovoltaicos

integrados ao envoltório de edificações e operando conectados à rede de baixa

tensão apresentam-se como opção para utilização em sistema de compensação.

39

A utilização de gerador fotovoltaico neste sistema de compensação é conhecida

internacionalmente como Net Metering, que é uma forma de incentivo ao

consumo de energia solar fotovoltaica por meio de injeção à rede do excesso de

eletricidade gerada pelo consumidor, usualmente através de créditos em

quilowatt/hora. É necessária a existência de um medidor que seja capaz de

registrar o consumo e geração da instalação (consumo líquido bidirecional).

Os sistemas geradores fotovoltaicos são facilmente adaptáveis aos mais diversos

locais de instalação, sendo ideais para alocação em telhados de casas, indústrias

e comércios estabelecendo assim o conceito de Geração Distribuída.

Figura 17 – Forma de conexão do gerador fotovoltaico com a rede.

Fonte: ND 5.30 CEMIG, 2012, p. 3-2.

O sistema gerador fotovoltaico é composto basicamente de módulos

fotovoltaicos, que convertem a luz solar em energia elétrica em corrente contínua,

inversores fotovoltaicos, responsáveis por fazer a interligação com a rede da

concessionária, e materiais de instalação.

40

O custo de instalação do sistema gerador fotovoltaico vai se pagando ao longo

dos anos. Logo, quanto mais intensa a utilização no dia a dia, mais rapidamente o

sistema vai se pagar.

7.2.2 Módulos Fotovoltaicos

O módulo fotovoltaico é o elemento central de todo o sistema gerador sendo

composto por um conjunto de células solares conectadas em arranjos produzindo

tensão e corrente suficientes para a utilização da energia (CRESESB, 1999).

Devido ao baixo valor de tensão de circuito aberto de cada célula fotovoltaica, na

ordem de 0,5-0,6 Volts para células de silício cristalino, é necessário o

agrupamento em módulos de maneira a atingir a potência desejada. Os módulos

podem ser ligados em série e/ou em paralelo dependendo dos níveis de corrente

e tensão que se pretende atingir (ABINEE, 2012).

A tensão e correntes resultantes das ligações dos módulos precisam ser

definidas observando-se a faixa de operação dos inversores. A potência dos

módulos é especificada pela potência de pico expressa em unidades de watt-pico

(ABINEE, 2012).

Uma atenção especial deve ser dada às células a serem reunidas, devido suas

características elétricas. Uma incompatibilidade das características pode

acarretar em módulos “ruins” uma vez que as células de maior corrente e tensão

acabam dissipando o excesso de potência nas células com desempenho inferior.

Como consequência tem-se uma redução da eficiência global do módulo

fotovoltaico (ABINEE, 2012).

A potência real do módulo é descrita pela curva característica I x V que é obtida

através da aquisição de valores de tensão e corrente para diversas condições de

carga. Essa curva está associada às condições em que foi obtida, tais como

intensidade de radiação solar e temperatura de operação. Dentre os diversos

pontos que formam essas curvas, existe um denominado ponto de potência

máxima (MPP). Nesse ponto, determinam-se dois parâmetros: a tensão no ponto

de potência máxima (VMPP) e a corrente no ponto de potência máxima (IMPP)

conforme ilustrado na figura 18.

41

Figura 18 – Curva característica I x V e P x V.

Fonte: BARROS, 2011, p. 17.

A eficiência do módulo fotovoltaico é definida pela relação entre a potência

gerada pelo módulo e a irradiação incidente sobre este ou também pela relação

entre toda energia diária produzida e a energia diária incidente na superfície do

módulo (CRESESB, 1999).

A eficiência n1 do módulo pode ser obtida pela equação:

%100Im

AIs

Vmn

IM: Corrente máxima de pico em ampères.

VM: Tensão máxima de pico em volts.

IS: Irradiância solar em W/m2.

A: Área útil do módulo em m2.

Os módulos fotovoltaicos são sensíveis à temperatura, que causa uma influência

negativa em sua eficiência. Isso ocorre por que os valores de tensão diminuem

consideravelmente com o aumento da temperatura enquanto os níveis de

corrente sofrem discreta elevação, dessa forma o aumento da intensidade da luz

42

incidente no módulo aumenta a temperatura das células, diminuindo sua

eficiência (ABINEE, 2012).

Nos módulos fotovoltaicos, as células solares são conectadas por pequenas tiras

metálicas e encapsuladas em materiais plásticos, normalmente EVA (acetato de

vinil-etila). O lado exposto ao sol recebe uma cobertura de vidro temperado e

antirreflexivo e na parte posterior um plástico resistente, vidro ou outro substrato.

Toda esta estrutura recebe uma moldura de alumínio anodizado, que lhe dá

rigidez e proteção contra intempéries. A ligação dos módulos é feita através de

uma caixa de junção colocada na parte posterior do módulo. Os componentes de

um módulo fotovoltaico podem ser visualizados na figura 19.

Figura 19 – Componentes de um módulo fotovoltaico.

Fonte: ABINEE, 2012, p. 132.

O mercado oferece diversas tecnologias especiais para utilização dos módulos

integrados ao entorno construído, porém o modelo mais utilizado é o painel solar

fotovoltaico para adaptação direta sobre o telhado das edificações, conforme

mostrado nas figuras 20 e 21.

43

Figura 20 – Módulos fotovoltaicos instalados: (a) em telhado e, (b) fabricados

diretamente sobre telhas.

Fonte: RÜTHER, 2006, p. 15.

Os materiais mais utilizados hoje para a fabricação das células fotovoltaicas são

o silício monocristalino (31%) e policristalino (57%) e os chamados filmes finos:

silício amorfo e silício microcristalino (μc-Si) (a-Si + μc-Si: 3,4%), telureto de

cádmio (CdTe) (5,5%) e (dis) seleneto de cobre (gálio) e índio (CIS e CIGS)

(2,4%) (ABINEE, 2012).

Figura 21 – Tipos de módulos fotovoltaicos.


Para a produção das células fotovoltaicas de material cristalino utiliza-se silício

com 99,9999% de pureza, chamado grau solar. Para obtenção do silício de grau

44

solar existem duas diferentes tecnologias: a rota química, mais onerosa e com

maior gasto energético, e a rota metalúrgica que envolve uma linha de produção

mais enxuta, resultando em um menor volume de investimento em capital

(ABINE, 2012).

As células fotovoltaicas cristalinas podem ser formadas de fatias de silício

monocristalinos ou policristalinos conforme ilustrado na figura 22.

Figura 22 – Lingotes e fatias de silício cristalino.


As células de cristais monocristalinos são formadas por fatias de um único grande

cristal e resultam em células de alto rendimento energético, de produção mais

difícil e mais cara. Este material é basicamente o mesmo utilizado na fabricação

de circuitos integrados para microeletrônica (ABINE, 2012).

Células de cristais policristalinos são fatias obtidas de um bloco composto de

muitos pequenos cristais e, portanto, representam a parcela mais acessível de

células solares. A presença de interfaces entre os vários cristais reduz a

eficiência destas células, porém, a energia necessária para produzi-las é

significativamente menor (ABINE, 2012 & CRESESB, 1999).

Na busca de formas alternativas de se produzir células fotovoltaicas com menor

custo, um dos principais campos de estudo é o desenvolvimento de células de

filmes finos. Com esta tecnologia é possível desenvolver células fotovoltaicas

confiáveis, empregando pouco material semicondutor, obtido de forma passível

45

de produção em larga escala, resultando em custo mais baixos do produto. No

entanto, as células baseadas em filmes finos reduzem sua vantagem ao

apresentar menores eficiências de conversão (ABINE, 2012 & CRESESB, 1999).

No passado o silício amorfo foi a tecnologia responsável pela maior parte da

produção de filmes finos, sendo atualmente células produzidas a partir da

tecnologia CdTe a que possui maior capacidade instalada de módulos.

Comercialmente, a eficiência dos filmes finos varia de 6% a 12%, sendo que o

silício amorfo varia de 6% a 9%, CdTe 9 a 11% e CIGS entre 10 e 12% (ABINE,

2012).

Segundo o mesmo autor, a mais recentemente tecnologia desenvolvida, CIGS, já

demonstrou eficiências maiores em laboratório, chegando a 20% para célula e

16% para o módulo.

7.2.3 Inversores

Inversores são dispositivos elétricos ou eletromecânicos com a finalidade de

converter corrente contínua CC em corrente alternada CA. Entretanto, em um

sistema fotovoltaico conectado à rede (SFCR) este equipamento pode ser

considerado o cérebro, pois além da conversão de corrente contínua em

alternada, esse equipamento conhecido como Grid Tie, possui também diversas

funções que possibilitam a conexão entre a rede elétrica e o gerador (PINTO

NETO, 2012).

Por não apresentar partes móveis como os geradores síncronos estes

equipamentos são denominados conversores estáticos de potência e realizam a

transformação da potência CC em potência CA de forma a possibilitar a injeção

direta na rede. Para que o inversor funcione em paralelo com a rede devem ser

respeitados os padrões de tensão, frequência e Qualidade de Energia Elétrica

(QEE) estabelecidos para a mesma (PINTO NETO, 2012).

Outro ponto importante que o equipamento deve ser capaz de identificar é a

ausência do sinal da rede, e neste caso realizar a desconexão do sistema. A

operação do sistema FV sem a presença do sinal da rede é definido como

ilhamento e deve ser evitado por trazer problemas de segurança (PINTO NETO,

2012).

46

Além de monitorar os padrões da rede o inversor também deve possuir

dispositivos de proteção contra condições anormais da rede elétrica e pode

oferecer o seguimento do ponto de máxima potência (MPPT) que são

equipamentos, normalmente conversores de potencia CC/CC, capazes de

realizar a alteração do ponto de operação dos módulos fotovoltaicos visando

entregar a máxima potência disponível (PINTO NETO, 2012).

Segundo o mesmo autor, podemos classificar os inversores pelo tipo de

comutação, topologia e isolação galvânica.

a- Quanto à comutação

Os inversores podem ser comutados pela rede ou autocomutados.

Os equipamentos comutados pela rede utilizam a tensão da mesma para

sincronizar a mudança de estado das chaves de comutação utilizadas no

processo de conversão, e seu circuito básico é constituído por uma ponte de

tiristores, um filtro do lado CC e um do lado CA conforme ilustrado na figura 23

(PINTO NETO, 2012).

Figura 23: Circuito básico de um inversor comutado pela rede.

Fonte: PINTO NETO, 2012, p. 38.

Cada par de tiristores ilustrado na figura 23 comuta o sinal da fonte CC

primeiramente em um sentido e depois no outro, com uma velocidade igual à

frequência da rede. Como os tiristores podem apenas ser ligados por um sinal,

mas não desligados, a tensão da rede é utilizada para desligá-los, polarizando-os

reversamente, desta forma a corrente reduz até o tiristor comutar para o modo

“desligado”; assim estes inversores são chamados de comutados pela rede

(PINTO NETO, 2012).

Já nos equipamentos autocomutados a mudança de estado das chaves de

comutação ocorre independentemente do sinal da rede, pois estes inversores

47

possuem dispositivos, normalmente IGBT`s ou MOSFET`s, que controlam os

estados “ligado” e “desligado” conforme mostra a figura 24 (PINTO NETO, 2012).

Figura 24: Circuito básico de um inversor autocomutado.


Na maioria das vezes esse tipo de equipamento conta com modulação PWM,

ajudando na criação de uma forma de onda de tensão senoidal no lado CA.

Conforme o esquema de controle adotado pode-se controlar as formas de onda

de tensão e de corrente no lado CA, assim o fator de potência pode ser

adequado para se aproximar da unidade e, dependendo da potência de

operação, os harmônicos decorrentes podem ser suprimidos (PINTO NETO,

2012).

b- Quanto à topologia

Quanto à topologia os inversores podem ser do tipo central, série, multisérie ou

módulo com inversor integrado (PINTO NETO, 2012).

Em uma ligação do tipo central o grupo de módulos, em série e paralelo, está

ligado somente em um inversor conforme mostra a figura 25. Neste caso cada

conjunto de módulos ligados em série, cada série, deve ter um diodo de bloqueio

o que aumentam as perdas. No caso de falha do inversor todo o sistema é

desconectado (PINTO NETO, 2012).

Com todos os módulos conectados em somente um inversor, essa topologia

possui menor custo em comparação com outras topologias, porém, impossibilita o

seguimento individual do ponto de máxima potência e torna o sistema inflexível

quanto à configuração do gerador FV (PINTO NETO, 2012).

48

Figura 25: Topologia tipo central.


Já na topologia Série, cada grupo de módulos possui seu próprio inversor

conforme ilustrado na figura 26. Com este tipo de ligação o sistema se torna mais

flexível, possibilitando a montagem de cada série em diferentes planos sem

comprometer o MPPT, além aumentar a confiabilidade do sistema, pois na falha

de uma série específica o restante do sistema continua produzindo. Por utilizar

mais equipamentos essa topologia torna o sistema mais caro (PINTO NETO,

2012).

Figura 26: Topologia tipo Série.


49

Na topologia multisérie, um único inversor possui um seguidor do ponto de

máxima potência para cada sequencia de módulos conforme mostra a figura 27.

Com isso temos as vantagens da topologia série, porém sem o ônus de vários

equipamentos (PINTO NETO, 2012).

Figura 27: Topologia tipo Multisérie.


Existem também inversores integrados aos módulos, o que diminui as perdas

entre o sistema de MPPT e a inversão. Essa topologia também torna o sistema

bastante flexível e de fácil manipulação, porém, a proximidade entre os módulos

e a parte eletrônica do inversor diminui a vida útil do sistema devido às altas

temperaturas (PINTO NETO, 2012).

Essa topologia pode ser visualizada na figura 28.

Figura 28: Topologia para módulos integrados ao inversor.


50

c- Quanto à Isolação Galvânica

Os inversores podem ser com ou sem transformador, sendo o transformador um

isolante elétrico podendo ser projetado tanto para alta como para baixa

frequência (PINTO NETO, 2012).

Inversores com transformadores de baixa frequência (50 a 60 Hz) proporcionam o

casamento da tensão de saída do inversor com a tensão da rede elétrica além de

possibilitar que o gerador FV seja desenvolvido para trabalhar em baixas tensões

e reduzir as interferências eletromagnéticas produzidas pelo inversor (PINTO

NETO, 2012).

Segundo o mesmo autor, a utilização desse tipo de equipamento possui as

desvantagens de agregar perdas ao sistema e desviar o Fator de Potência da

unidade. Outro ponto negativo é aumento do volume e do peso do equipamento.

O esquema de um inversor com transformador de baixa frequência pode ser

visualizado na figura 29.

Figura 29: Inversor com transformador de baixa frequência.


Como forma de minimizar os impactos pode-se utilizar transformadores de alta

frequência. Com isto o equipamento fica mais leve, menor e mais eficiente.

Contudo esta solução torna o sistema mais caro e complexo (PINTO NETO,

2012).

O esquema de um inversor com transformador de alta frequência pode ser

visualizado na figura 30.

51

Figura 30: Inversor com transformador de alta frequência.


Inversores sem transformador geralmente apresentam problemas de correntes de

fuga, devido à conexão momentânea entre os polos do gerador e o neutro da

rede, e capacitâncias parasitas entre o gerador e o GND. O equipamento deve

ser capaz de limitar estas correntes devido à segurança e à compatibilidade

eletromagnética do sistema, bem como bloquear a injeção de corrente contínua

na rede mantendo os padrões de QEE (PINTO NETO, 2012).

Segundo o mesmo autor a utilização deste tipo de equipamento está sujeita a

regulamentação do país onde será instalado, podendo ser exigido separação

galvânica entre o lado CC e CA.

O esquema de um inversor sem transformador pode ser visualizado na figura 31.

Figura 31: Inversor sem transformador.


7.2.4 Materiais de Instalação

a- Cabos

Os condutores devem ser de cobre, dimensionados de forma a minimizar as

perdas de potência nas instalações devido à distância entre o arranjo de módulos

e o inversor. A seção do condutor deve ser especificada para suportar a corrente

máxima de serviço que atravessa o cabo, de forma que a queda máxima de

tensão entre o módulo e a carga não exceda 5% da tensão nominal do sistema,

ou 3% em qualquer circuito derivado (CRESESB, 1999).

52

No lado CC, o cabo de fileira deve ser capaz de conduzir uma corrente igual a

1,25 vezes a corrente de curto circuito do gerador fotovoltaico (BARROS, 2011).

Ainda do lado CC, os condutores devem estar claramente sinalizados quanto à

polaridade, respeitando a convenção de cores dos revestimentos, ou seja,

vermelha para o condutor positivo e preta para o condutor negativo. Os

condutores expostos a intempéries e ao sol devem ter revestimento plástico

resistente à radiação ultravioleta (CRESESB, 1999).

b- Medidores

No sistema Net Metering é possível a utilização de um medidor bidirecional, visto

que não há diferença na tarifa de importação e exportação de potencia, sendo

quando o sistema fotovoltaico gerar mais energia que a demandada pela

instalação consumidora, o medidor anda para trás, e quando a edificação

consumir mais energia do que a gerada pelo sistema o medidor gira no sentido

normal. Pode-se também utilizar dois medidores distintos, um para cada sentido

de potencia (RÜTHER, 2006).

Os medidores também deverão ser capazes de registrar alguns indicadores de

qualidade de energia, estando estes disponíveis em formato cuja análise seja

possível com os softwares em uso pela Cemig (ND 5.30 CEMIG, 2012).

c- Dispositivo de Seccionamento Visível (DSV)

O Dispositivo de Seccionamento Visível é uma chave visível e acessível que a

acessada usa para garantir, por questões de segurança, a desconexão da central

geradora durante manutenção em seu sistema. (ND 5.30 CEMIG, 2012).

Deve permitir a abertura de condução de corrente, em valores compatíveis com a

potência da unidade consumidora, e ser instalada após a caixa de medição do

padrão de entrada, conforme ilustra a figura 32 (ND 5.30 CEMIG, 2012).

53

Figura 32 – Local de instalação do DSV.

Fonte: ND 5.30 CEMIG, 2012, p. 3-6.

O DSV utilizado pelos consumidores para conexão de Microgeração a rede de

Baixa Tensão da CEMIG, deverá apresentar características conforme descrito

abaixo e ilustrada na figura 33.

Chave seccionadora:

Abertura sob carga;

Acionamento com dispositivo para trava com cadeado (bloqueio) nas posições

aberto e fechado (para CM voltada para via pública);

Capa protetora para os contatos elétricos;

Tampa transparente (para visualização dos contatos);

Acionamento fixo;

Tensão de isolamento: 1000 V.

Caixa:

Utilizar caixa CM-DSV (caixa padronizada);

Sinalização:

Placa de advertência confeccionada em PVC, com espessura mínima de 1

mm, a ser instalada próximo a caixa de medição/proteção com os

seguintes dizeres: “CUIDADO – RISCO DE CHOQUE ELÉTRICO –

GERAÇÃO PRÓPRIA”.

54

Figura 33 – Chave, Caixa e Sinalização que constitui o DSV.

d- Estrutura de fixação

A estrutura de fixação tem como objetivo posicionar o módulo de forma estável,

assegurando uma ventilação apropriada para que o calor proveniente dos raios

solares possa ser dissipado, evitando assim queda na eficiência dos módulos

(CRESESB, 1999).

De forma geral, a estrutura de fixação é planejada visando o melhor

aproveitamento da radiação solar, e sua posição será em função do terreno e da

latitude local. A estrutura deve ser feita em material leve e resistente para

suportar intempéries, principalmente vento (CRESESB, 1999).

A estrutura de fixação também pode ser projetada para acompanhar o movimento

aparente do sol no céu, visando aumentar o valor de KW gerado. Para projetos

deste tipo o ganho econômico proveniente do aumento da produção de energia

deve ser maior que o valor do investimento na instalação e manutenção dos eixos

móveis. Na figura 34 está ilustrado exemplos de rastreamento de um e dois eixos

(ABINEE, 2012).

55

Figura 34: Sistema Fixo e de rastreamento de um e dois eixos.


7.3. ESTUDO DE CASO

7.3.1 Análise Preliminar do Projeto

O estudo de eficiência solar, viabilidade técnica, estrutural e econômica se faz

necessário quando se projeta um sistema fotovoltaico no entorno construído para

operação em regime de Net Metering. Este estudo tem como principal objetivo

analisar o projeto de adequação, em particular as etapas de: análise de

eficiência, estimativa de produção, projeto elétrico, compra dos materiais,

instalação, solicitação e ligação pela concessionária de energia elétrica.

O presente estudo objetiva o acompanhamento de projeto, instalação e conexão

de unidade consumidora residencial à rede elétrica de baixa tensão. A unidade

consumidora em estudo é trifásica, quatro fios, situada no Bairro Nossa Senhora

do Carmo em Sete Lagoas/MG nas coordenadas: latitude -19.438171 e longitude

-44.254003. A unidade consumidora trata-se da residência do Senhor Giusepe

Sarti Rangel e a concessionária do referido estado é a Companhia Energética de

Minas Gerais (CEMIG).

Os elementos básicos envolvidos na conexão de uma unidade consumidora à

rede elétrica de baixa tensão aérea são: o ramal de ligação, o ramal de entrada,

conexões, caixa de medição, disjuntor e medidor. Quando a ligação do padrão é

aérea, o ponto de entrega é na conexão do ramal de ligação ao ramal de entrada

do cliente e quando o quando a ligação do padrão é subterrânea o ponto de

56

entrega se encontra nas conexões do ramal de entrada à rede. Estas duas

situações podem ser vistas nas figuras 35 e 36.

Figura 35 – Elementos Básicos de Unidade Consumidora.

Fonte: ND 5.1 CEMIG, 2009, p. 8-1.

Figura 36 – Unidade consumidora ligada por ramal subterrâneo.

Fonte: ND 5.1 CEMIG, 2009, p. 8-2.

A unidade consumidora está ligada ao sistema elétrico da Cemig em baixa

tensão, conectada ao circuito do transformador trifásico, de número controle

CEMIG 9024 e potência de 75 kVA.

57

A rede conectada às buchas secundárias do transformador é constituída de três

cabos 1/0 AWG para as fases e cabo 2 AWG para neutro, e conforme exposto na

figura 37, o ponto de conexão da unidade consumidora à rede está cinco vãos

após o poste do transformador, a referida conexão é em rede multiplex três fases

unipolares de 35mm2 e neutro de 70mm2.

Figura 37 – Croqui circuito do transformador 9024-3-75.

Fonte: CEMIG, 2013.

Conforme se verifica na figura 38, o ramal de entrada é de cobre 16mm2 para

fases e neutro e, por tratar-se de ramal subterrâneo, a conexão é feita

diretamente na rede com conectores de perfuração.

58

Figura 38 – Conexão do ramal de entrada do cliente com a rede BT.

7.3.2 Avaliação do Potencial Energético

É necessário fazer uma avaliação do potencial energético solar, que constitui em

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

de forma que se possa calcular a energia gerada.

Os primeiros dados a coletar para o dimensionamento do sistema fotovoltaico são

os de incidência solar que podem ser obtidos através do mapa solarimétrico da

região na qual se pretende instalar os módulos fotovoltaicos.

Minas Gerais é quarta unidade da federação em extensão territorial,

apresentando 586.528 km2, o que corresponde a 7% do território do País. O

Estado está localizado entre os paralelos 14002’35’’ e 22054’00’’ de latitude sul e

os meridianos 39051’32’’ e 51002’35’’ a oeste de Grenwich. Minas Gerais possui o

território inteiramente formado por planaltos com destaque para o planalto

atlântico, que abrange mais da metade do Estado, com a predominância dos

“mares de morros” e altitude média de setecentos metros. O Estado apresenta

também áreas de planaltos e as depressões formadas pelos vales dos rios São

Francisco, Jequitinhonha, Doce e Paraíba do Sul (CEMIG, 2012).

As regiões desérticas do mundo são as mais bem dotadas de recurso solar. A

radiação solar global diária média anual em Minas Gerais varia de 4,5 a 6,5

kW/m2. As cartas de radiação solar global diária mostram que em Minas Gerais

esta grandeza varia entre 3,0 e 7,5 kWh/m2.dia, com um período de mínimo no

59

trimestre maio-junho-julho, em que as estações solarimétricas registram uma

intensidade de radiação na faixa de 3,0 a 4,0 kWh/m2.dia. No trimestre dezembro-

janeiro-fevereiro, observa-se que as estações solarimétricas registram

intensidades de radiação muito altas, atingindo um valor máximo de 7,5

kWh/m2.dia (CEMIG, 2012).

Os menores índices de nebulosidades (maiores índices de radiação solar) se

concentram nas regiões Leste e Zona da Mata, onde a circulação marítima deixa

o tempo parcialmente nublado em quase todos os dias do ano. Os mapas

sazonais de insolação estão consistentemente correlacionados com a

precipitação. No inverno (junho a agosto), quando o índice de precipitação é

menor do ano, os números de horas de brilho solar atinge os valores máximos

entre oito horas e meia a nove horas e meia em uma vasta região da metade

oriental do estado e, de forma inversa, para o período de novembro a janeiro

ocorre um máximo anual de precipitação e, portanto um mínimo de horas de

brilho solar, entre cinco a seis horas por dia (CEMIG, 2012).

Figura 39 – Insolação Média Diária Anual.

Fonte: Atlas Solarimétrico de Minas Gerais, 2012. p. 65.

60

Na presente situação de estudo, a escolha do local para instalação de sistema

não foi discutido, visto que os módulos seriam instalados no telhado de residência

pré-estabelecida no município de Sete Lagoas.

Sete Lagoas é uma cidade situada a 70 km da capital Belo Horizonte, ou seja, na

região central de Minas Gerais. Conforme se observa nas figuras 39, 40 e 41, as

médias diárias anuais de insolação, radiação e radiação solar direta normal são

praticamente idênticas para as cidades de Belo Horizonte e Sete Lagoas.

Figura 40 – Radiação Solar Média Diária Anual.


61

Figura 41 – Radiação Solar Direta Normal Diária Média Anual.


A avaliação definitiva da eficiência no local de instalação dos módulos foi

inicialmente feita mediante a análise de mapas de radiação média diária anual,

(pois o valor médio do recurso solar era mais adequado), tem-se um caráter

indicativo preliminar para ressaltar o potencial da região. A avaliação definitiva

necessitou de medidas detalhadas do recurso no local para determinar seu valor

e principalmente a sua variabilidade temporal.

Conforme observado nos mapas solarimétricos, as condições de radiação para a

cidade de Sete Lagoas são bem favoráveis à instalação de geração fotovoltaica.

O teste de eficiência dos módulos foi realizado através da utilização de carga de

prova, wattímetro e variação dos ângulos de incidência para verificação do ponto

de melhor rendimento. A alteração do ângulo de incidência pouco contribuiu para

melhora da eficiência e decidiu-se, para redução de custos, instalar os módulos

acompanhando entorno construído.

A fim de diminuir perdas na incidência devido aos ângulos azimutais de

superfície, foi construída estrutura de apoio para direcionar os módulos no

62

sentido norte. O ângulo β de inclinação do módulo, deixado em definitivo foi de

sete graus no sentido Sul-Norte.

Conforme se vê na figura 42, o ponto de instalação é interface de logradouro

urbano com inicio de área rural e não há sombreamento causado por construções

vizinhas.

Figura 42 – Módulos Fotovoltaicos instalados.

7.3.3 Dimensionamento, Compra de Materiais e Projeto

Na instalação do Sistema Fotovoltaico já descrito e visto na figura 43, foram

utilizados 10 módulos fotovoltaicos de silício policristalino e com potência 235 Wp

cada um. Os módulos foram adquiridos por R$ 1.150,00 (um mil e cento e

cinquenta reais) cada, ou seja, R$ 4,89 por Wp, perfazendo um total de R$

11.500,00 (onze mil e quinhentos reais). Estes valores incluem todas as

despesas: impostos, frete e taxas.

63

Figura 43 – Módulos Fotovoltaicos instalados.

Para conversão da energia fotogerada de corrente CC para corrente CA, foi

adquirido um inversor de 3.8 kW da ELTEK VALERE, conforme observa-se na

figura 44, por R$ 6.400,00 (seis mil e quatrocentos reais). Trata-se de um

equipamento de topologia multisérie (três strings), com isolação galvânica através

de transformador de alta frequência, eficiência máxima de 97.3%, servidor Web

integrado para comunicação avançada com software de monitoramento, proteção

contra sobretensão, ilhamento, sobrecarga, sobreaquecimento e indicado para

todas as tecnologias de painel (monocristalino, policristalino ou película fina).

Este valor inclui todas as despesas: impostos, frete e taxas.

64

Figura 44 – Inversor de 3.8 kW da ELTEK VALERE.

O inversor possui potência nominal de 3.8KW dividida em três strings, cada uma

com seu respectivo seguidor do ponto de máxima potência. Neste projeto os dez

módulos foram ligados na primeira string do inversor, havendo a possibilidade

acrescentar mais seis módulos sem exceder sua potencia nominal.

Os demais gastos com estrutura de fixação, DSV, cabos, conectores e afins

totalizaram R$ 4.600,00 (quatro mil e seiscentos reais), sendo necessário

salientar a economia de aproximadamente R$ 600,00 (seiscentos reais) na

compra em separado do DSV da caixa de medição CM-DSV, ambos vistos na

figura 45.

65

Figura 45 – DSV instalado em caixa de medição CM-DSV.

Cabos flexíveis, unipolares de seção nominal 6mm2, com isolamento simples e

classe de tensão 1 kV conduzem a corrente CC proveniente dos módulos até o

inversor.

Cabos flexíveis, unipolares de seção nominal 16mm2, com isolamento simples e

classe de tensão 1 kV foram usados para: conexão do inversor com o disjuntor de

proteção do trecho CA, conexão do disjuntor de proteção trecho CA ao

barramento, e conforme observa-se nas figuras 45 e 46, também foram usados

para conexão do barramento ao DSV e conexão do DSV ao padrão de entrada

do cliente.

66

Figura 46 – Projeto Sistema Fotovoltaico.

7.3.4 Estimativa de Produção e Viabilidade Econômica

Para efeito de cálculo estimado da produção a radiação média diária anual

considerada foi de 5 kWh/m2/dia e a insolação média diária anual (IS) foi de

6h/dia, conforme valores mínimos dos gráficos do Atlas Solarimétrico de Minas

Gerais.

O Sistema Fotovoltaico instalado consiste em dez módulos com 1,652 m2 cada e

totalizando uma área incidente de 16,52m2 e potência nominal total (PN) de 2,35

kWp. O inversor utilizado tem eficiência (n1) de 97,3%.

A produção estimada para o período de um mês (PE) pode ser obtida através da

seguinte equação:

PE = PN * IS * n1 = 2,35 * 6 * 0,973 * 30 = 411,6 kWh

Considerou-se para efeito do estudo de viabilidade econômica o valor total gasto

na compra do material e mão-de-obra envolvida, e a informação de que o

consumo é superior a toda potência gerada, visto que o proprietário possui mais

67

outras duas residências. O custo total envolvido foi de R$ 22.500,00 assim

discriminados:

- 10 Módulos fotovoltaicos de 235 Wp por R$ 11.500,00.

- 1 Inversor 3.8 kW por R$ 6.400,00.

- Estrutura para fixação dos painéis e mão-de-obra por R$ 4.000,00.

- Cabos, conectores e acessórios por R$ 600,00.

A análise foi feita mediante o cálculo do ganho pecuniário anual (GA) em regime

compensatório e tendo como base a quantidade de potência gerada

mensalmente (PE) e o custo de um quilowatt/hora, sem impostos, para cliente

classe residencial que é de R$ 0,347; valor de setembro de 2013 segundo

ANEEL.

GA = 12 * PE * 0,347 = 12 * 411,6 * 0,347 = R$ 1.713,90

O Período de Retorno Simples (PRS), em anos, é calculado mediante a divisão

do custo total do Sistema Fotovoltaico pelo ganho pecuniário anual.

PRS = (investimento inicial) / (economia por ano)

PRS = (R$ 22.500,00) / GA

PRS = (R$ 22.500,00) / (R$ 1.713,90)

PRS = 13,12 ≈ 13 anos e 45 dias

O Período de Retorno Simples para este projeto é de aproximadamente treze

anos e 45 dias. O Sistema como um todo tem durabilidade prevista para vinte e

cinco anos.

68

8. CONCLUSÃO

No momento em que o mundo se volta para debate sobre o esgotamento das

fontes de energia, alterações climáticas causadas por emissão de gases

poluentes e demais questões voltadas à sustentabilidade e ao impacto ambiental,

a necessidade do estudo e da implementação de fontes alternativas de energia

se torna cada vez mais presente.

Com este trabalho, conclui-se que é possível e viável, do ponto de vista técnico e

econômico, a instalação de Sistema Fotovoltaico de cogeração conectado a rede

de baixa tensão. Este estudo demonstrou a facilidade da instalação de Sistemas

Fotovoltaicos conectados à rede de baixa tensão e ficou claro que, não existem

dificuldades técnicas para consolidação dessa forma limpa de energia elétrica.

O estudo e levantamento das diferentes tecnologias de GD com sistemas

fotovoltaicos disponíveis no mercado e a legislação vigente atual possibilitaram o

esclarecimento sobre qual a topologia e arranjo mais adequados ao objetivo de

redução em consumo residencial por geração própria.

Os dados obtidos nos testes, cálculos, análises e avaliações no que concerne ao

dimensionamento, eficiência e operação do Sistema Fotovoltaico; deixam

explicito os potenciais, custos, vantagens e desvantagens deste

empreendimento.

O estudo de caso evidenciou que, com correto dimensionamento o Sistema

Fotovoltaico implementado gera cerca de 410 kWh de energia elétrica por mês,

que representará economia aproximada de R$ 1.713,90 (um mil e setecentos e

treze reais e noventa centavos) por ano, podendo variar dependendo das tarifas

contratadas com a concessionária local (CEMIG) para fornecimento de energia.

69

9. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Agência Nacional de Energia Elétrica (Brasil). Atlas de energia elétrica do Brasil.

Brasília: ANEEL, 2013. Disponível em:

http://www.aneel.gov.br/aplicacoes/Atlas/index.html. Acessado em 09/2013.

Associação Brasileira da Indústria Elétrica e Eletrônica. Propostas para Inserção

da Energia Solar Fotovoltaica na Matriz Elétrica Brasileira. São Paulo: ABINEE,

2012. Disponível em:

http://www.abinee.org.br/informac/arquivos/profotov.pdf. Acessado em 09/2013.

BARROS, Hugo Albuquerque. Anteprojeto de um sistema de 12KWp conectado à

rede. Rio de Janeiro: UFRJ/Escola Politécnica, 2011.

BISCARO, Guilherme Augusto. Meteorologia Agrícola Básica. 1ed.

Cassilândia/MS: UNIGRAF, 2007.

BRITO, Miguel Centeno; VALLÊRA, António. Meio século de história fotovoltaico.

Departamento de Física e Centro de Física da Matéria Condensada (CFMC): 2006.

Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio de Salvo Brito. Manual

de engenharia para sistemas fotovoltaicos. Rio de Janeiro: CRESESB, 1999.

Disponível em:

http://www.cresesb.cepel.br/publicacoes/download/Manual_de_Engenharia_FV_2

004.pdf. Acessado em 09/2013.

COMPANHIA ENERGÉTICA DE MINAS GERAIS. Alternativas Energéticas: uma

visão Cemig. Belo Horizonte: Cemig, 2012.

http://www.aneel.gov.br/aplicacoes/Atlas/index.html

http://www.abinee.org.br/informac/arquivos/profotov.pdf

http://www.cresesb.cepel.br/publicacoes/download/Manual_de_Engenharia_FV_2004.pdf

http://www.cresesb.cepel.br/publicacoes/download/Manual_de_Engenharia_FV_2004.pdf

70

COMPANHIA ENERGÉTICA DE MINAS GERAIS. Atlas Solarimétrico de Minas

Gerais. Belo Horizonte: Cemig, 2012.

HANSEN, Alice Maria Dreher. Padrões de consumo de energia elétrica em

diferentes tipologias de edificações residenciais, em Porto Alegre. Tese

(mestrado) – Universidade Federal do Rio Grande do Sul, 2000.

HALLIDAY, David; RESNICK, Robert. Fundamentos de física, volume 4: óptica e

física moderna. Rio de Janeiro: LTC, 2009.

LIOU, K.N. An Introduction to atmospheric radiation. Oxford Univ. Academic

Press, 1980.

Loja virtual Energia Pura – Sistema Solar Fotovoltaico Grid-Tie 7 kW.

Disponível em:

https://www.energiapura.com/content/sistema-solar-fotovoltaico-grid-tie-7-kw.

Acessado em 09/2013.

LORA, Electo Eduardo Silva; HADDAD, Jamill. Geração Distribuída – Aspectos

tecnológicos, ambientais e institucionais. 1 ed. Rio de Janeiro: Interciência. 2006.

Manual de Distribuição - ND 5.1: Fornecimento de Energia Elétrica em Tensão

Secundária. Rede de Distribuição Aérea – Edificações Individuais. Belo

Horizonte: Cemig, 2009.

Manual de Distribuição - ND 5.30: Requisitos para a conexão de Acessantes ao

Sistema de Distribuição. Conexão em Baixa Tensão. Belo Horizonte: Cemig,

2012.

https://www.energiapura.com/content/sistema-solar-fotovoltaico-grid-tie-7-kw

71

MARCONI, Maria de Andrade; LAKATOS, Eva Maria. Fundamentos de

Metodologia Cientifica. 6. ed. – 6 reimpr. – São Paulo: Atlas 2008.

PAULA, Claudio Paiva de. Geração Distribuída e Cogeração no Setor Elétrica:

Avaliação Sistêmica de um Plano de Inserção Incentivada. Tese (doutorado em

energia) – Universidade de São Paulo, 2004.

PINTO NETO, Aimé Fleury de Carvalho. Qualificação e Etiquetagem de

Inversores para Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede - USP. São Paulo:

USP, 2012.

RÜTHER, Ricardo. Edifícios solares fotovoltaicos: o potencial da geração solar

fotovoltaica integrada a edificações urbanas e interligada á rede elétrica pública

no Brasil. Florianópolis: LABSOLAR, 2004.

GERAÇÃO DISTRIBUÍDA Sistema de Cogeração Fotovoltaico Conectado à Rede Elétrica de Baixa...

Documents

Transcript of GERAÇÃO DISTRIBUÍDA Sistema de Cogeração Fotovoltaico Conectado à Rede Elétrica de Baixa...