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UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMIÁRIDO DEPARTAMENTO DE CIENCIAS AMBIENTAIS E TECNOLOGICAS BACHARELADO EM CIÊNCIA E TECNOLOGIA APARECIDA BEZERRA DA SILVA ENAILMA LUCIANA SILVA DIMENSIONAMENTO SIMPLIFICADO DE UM SISTEMA SOLAR FOTOVOLTAICO CONECTADO À REDE ELÉTRICA PARA UMA RESIDÊNCIA UNIFAMILIAR Mossoró 2013

DIMENSIONAMENTO SIMPLIFICADO DE UM SISTEMA SOLAR FOTOVOLTAICO CONECTADO À REDE ELÉTRICA PARA UMA RESIDÊNCIA UNIFAMILIAR

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UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMIÁRIDO

DEPARTAMENTO DE CIENCIAS AMBIENTAIS E TECNOLOGICAS

BACHARELADO EM CIÊNCIA E TECNOLOGIA

APARECIDA BEZERRA DA SILVA

ENAILMA LUCIANA SILVA

DIMENSIONAMENTO SIMPLIFICADO DE UM SISTEMA SOLAR

FOTOVOLTAICO CONECTADO À REDE ELÉTRICA PARA UMA RESIDÊNCIA

UNIFAMILIAR

Mossoró

2013

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APARECIDA BEZERRA DA SILVA

ENAILMA LUCIANA SILVA

DIMENSIONAMENTO SIMPLIFICADO DE UM SISTEMA SOLAR

FOTOVOLTAICO CONECTADO À REDE ELÉTRICA PARA UMA RESIDÊNCIA

UNIFAMILIAR

Trabalho apresentado no curso de

Bacharelado em Ciência e Tecnologia como

requisito para complementar a disciplina

Fontes Alternativas de Energia, UFERSA,

Campus Central.

Orientador: Profª. Dra. Fabiana Karla de O.

M. Varella

Mossoró

2013

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LISTA DE SIGLAS

CC Corrente Contínua

CA Corrente Alternada

SFCR

Sistemas Fotovoltaicos Conectados à

Rede

FV Fotovoltaico

PRS Previsão de Retorno Simples

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1 (a) Anotações de Fuller para Chapin sugerindo um modelo para as células solares

(KAZMERSKI, 2006); (b) Foto do primeiro módulo solar do Bell Laboratory (KAZMERSKI,

2006); (c) Extrato da patente da primeira célula solar, registrada em 1954 por D. M. Chapin e

colaboradores, do Bell Laboratories (BRITO, 2005). ................................................................ 8

Figura 2 – Célula de Silício Monocristalino ............................................................................ 10

Figura 3 – Célula de Silício Policristalino ............................................................................... 10

Figura 4 – Módulo Fotovoltaico de c-Si .................................................................................. 11

Figura 5 - Representação de uma célula HIT ........................................................................... 11

Figura 6 – Módulo Fotovoltaico .............................................................................................. 12

Figura 7 – Painel Fotovoltaico ................................................................................................. 12

Figura 8 – Representação de um sistema de geração de energia elétrica a partir de um sistema

fotovoltaico isolado .................................................................................................................. 13

Figura 9 – Representação de um sistema fotovoltaico híbrido ................................................ 14

Figura 10 – Exemplificação de um sistema fotovoltaico conectado a rede ............................. 14

Figura 11 – Sistema Fotovoltaico Distribuído ......................................................................... 15

Figura 12 – Central Solar com capacidade de 42MW em Moura, Portugal. ........................... 16

Figura 13 – Célula, módulo, série e arranjo FV. ...................................................................... 16

Figura 14 – Número de sistemas fotovoltaicos conectados à rede: (a) dois e (b) apenas um. . 17

Figura 15 – Configuração de um sistema fotovoltaico com inversor central. ......................... 17

Figura 16 – Configuração de um subsistema fotovoltaico com inversores string. .................. 18

Figura 17 – Configuração de um subsistema fotovoltaico com inversor multi-string. ............ 18

Figura 18 – Configuração de um subsistema fotovoltaico com micro-inversor integrados aos

módulos fotovoltaicos (módulos ca). ....................................................................................... 18

Figura 19 .................................................................................................................................. 19

Figura 20 .................................................................................................................................. 20

Figura 21 .................................................................................................................................. 21

Figura 22 – Especificações Físicas do Módulo Fotovoltaico SM-83KSM. ............................. 24

Figura 23 – Ilustração do Módulo Fotovoltaico SM-83KSM. ................................................. 24

Figura 24 – Arranjo do SFCR .................................................................................................. 26

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LISTA DE TABELAS

Tabela 1 – Potência Total Instalada ......................................................................................... 21

Tabela 2 – Consumo de Energia Mensal ................................................................................. 22

Tabela 3 – Especificações Técnicas ......................................................................................... 23

Tabela 4 – Especificações Técnicas ......................................................................................... 23

Tabela 5 – Especificações Técnicas do Inversor Windy Boy 1200/1700 ................................ 24

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SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO

2. OBJETIVOS

3. BREVE HISTÓRICO

4. DEFINIÇÕES E TECNOLOGIA

5. IMPACTOS

6. PANAROMA NACIONAL E MUNDIAL

7. DIMENSIONAMENTO SIMPLIFICADO DE UM SISTEMA

FOTOVOLTAICO CONECTADO A REDE PARA UMA RESIDÊNCIA

UNIFAMILIAR

8. PREVISÃO DE RETORNO DO INVESTIMENTO

9. CONCLUSÃO

10. REFERÊNCIAS

ANEXOS

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1. INTRODUÇÃO

Com a crise do petróleo foi necessário pensar em outras fornas de produção de energia, e

com isso a energia solar foi sendo desenvolvida por estudiosos que viram no Sol uma

forma limpa e inacabável de energia, com isso cada vem mais as técnicas foram sendo

estudadas e hoje se torna indispensável do uso da energia solar, sendo ela responsável pela

principal forma de abastecer eletricamente alguns países.

No Brasil este método de energia ainda vem sendo incrementada nos tipos de

abastecimento elétrico, mas devido a grande abundancia da irradiação solar neste país, é

possível que em breve ela torne-se uma das principais fontes de energia do mesmo. Para

que isso aconteça faz- se necessário a elaboração de novas técnicas para que a energia

solar torne-se acessível as famílias brasileiras que ainda não possuem este bem

indispensável e para que a mesma possa melhorar a qualidade da energia já existente no

pais.

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2. OBJETIVOS

2.1. Objetivo Geral

Dimensionar um Sistema Fotovoltaico Conectado a Rede de uma Residência

Unifamiliar e verificar o tempo de retorno financeiro do mesmo.

2.2. Objetivo Específico

Aprofundar os conhecimentos com o tema proposto;

Caracterizar um Sistema Fotovoltaico Conectado a Rede;

Expandir o uso de energias limpas;

Minimizar consumo e gastos com eletricidade.

3. BREVE HISTÓRICO

Em 1839 Edmond Becquerel verificou pela primeira vez que placas metálicas, de platina

ou prata, mergulhadas num eletrólito causavam uma pequena diferença de potencial

quando sujeitadas à luz, nascia assim o que hoje se conhece como efeito fotovoltaico. No

ano de 1877, dois pesquisadores norte americanos, W. G. Adams e R. E. Day usaram as

propriedades fotocondutoras do selênio para elaborar o primeiro dispositivo de produção

de eletricidade por exposição à luz.

Mas a primeira célula solar só surgiu em Março de 1953 quando Calvin Fuller, um

químico dos Bell Laboratories (Bell Labs), em Murray Hill, New Jersey, nos Estados

Unidos da América, elaborou um processo de difusão que injetava impurezas em cristais

de silício, de modo a controlar as suas propriedades elétricas (um processo chamado

“dopagem”). Fuller construiu uma barra de silício dopado com uma pequena concentração

de gálio para que o mesmo pudesse tornar-se condutor, sendo conhecido como silício do

“tipo p” (por conter cargas móveis positivas). Baseando-se nas informações de Fuller, o

físico Gerald Pearson, experimentou mergulhar esta barra de silício dopado num banho

quente de lítio, criando na superfície dessa barra uma zona que continha elétrons livres em

excesso, este silício foi chamado de “tipo n” (por conter carga negativa). A junção entre as

regiões do silício “tipo n” fica em contato com o silício “tipo p” é denominada “junção p-

n”, esta região contem um campo elétrico constante. Quando analisou esta amostra

eletricamente, Pearson observou que era produzida uma corrente elétrica sempre que a

amostra entrava em contato com a luz, assim o físico acabará de inventar a primeira célula

de silício da história.

Ao observar sua descoberta, Pearson entrou em contato com um colega da Bell Labs, o

engenheiro Daryl Chapin que já estudava as células solares de selênio que já eram

bastante conhecidas, mas continham resultados insatisfatórios, sendo sua eficiência

máxima menor que 1 %. Ao avaliar as células de Pearson observou-se uma eficiência de

aproximadamente 4 %, o que a tornava mais vantajosa em relação à de selênio.

Os estudos de nova célula continuaram e Fuller usou uma difusão de fósforo para fazer

uma dopagem tipo n, e conseguiu uma junção p-n ainda mais eficaz que a antecedente.

Com isso o físico foi usando novas substâncias trocando o gálio por arsênio entre outras.

Os novos experimentos renderam para o estudioso, células com eficiência de 6 %.

Em 25 de abril de 1954 teve sua primeira publicação e pela primeira vez na história a

célula solar foi apresentada numa conferência de imprensa. Os resultados foram

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publicados no Journal of Applied Physics e sendo registrada uma patente. A Figura 1

exibe um extrato de tal patente e ainda fotos históricas do primeiro módulo solar e mais

uma anotação extraída dos documentos de projeto do laboratório, em que Fuller indica a

Chapin um exemplo de como montar um módulo da célula solar.

Figura 1 (a) Anotações de Fuller para Chapin sugerindo um modelo para as células solares

(KAZMERSKI, 2006); (b) Foto do primeiro módulo solar do Bell Laboratory

(KAZMERSKI, 2006); (c) Extrato da patente da primeira célula solar, registrada em 1954

por D. M. Chapin e colaboradores, do Bell Laboratories (BRITO, 2005).

Fonte: CÂMARA, 2011

Em 1955 foi o ano que se colocou em prática o uso das células solares, este procedimento

foi realizado em Americus, Georgia, sendo usado para alimentar uma rede telefônica da

região. Para tal efeito foram montados nove células de 30 mm de diâmetro cada.

Observou-se que mesmo sendo um método promissor os custos com as células era muito

alto, fazendo com que suas aplicações fossem limitadas a aplicações mais limitadas como

a produção de energia no espaço. O que logo ganhou o apoio da NASA, que em 1958

lançou ao espaço a primeira pilha convencional.

Daí em diante o governo espacial norte americano passou a usar as células solares como a

principal fonte de energia em seus satélites. Não custou para o governo soviético também

adotasse este método de energia e atualmente todos os veículos espaciais utilizam células

solares. Com todo o investimento vindo das empresas espaciais aumentou a tecnologia

desta fonte de energia nas décadas seguintes. Como por exemplo, a substituição do

contacto frontal único por uma rede de contactos cada vez mais fino, o que fez com que

diminuísse a resistência e aumentasse a eficiência.

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Somente na década de setenta que começou a utilização das células em energia terrestre,

usando a energia solar fotovoltaicos para os sistemas de telecomunicação em regiões

remotas e para boias de navegação.

Em 1973 com o aumento do petróleo foi que começou a cogitar a utilização da energia

solar o que aumentou ainda mais os investimentos para baratear esta tecnologia. A década

de oitenta e noventa foi o auge do incentivo para este desenvolvimento e todos os países

financiavam estudos para conseguir a redução de custo e aumentar a eficiência, as

universidades recebiam verbas dos governantes para financiar estudos na área.

Os países que se destacaram foram à Alemanha, Estados Unidos e o Japão. E os países

sabem cada vez mais que para aumentar a produção desta energia não é necessário apenas

investimentos em células e módulos, mas é preciso a redução do custo unitário.

Em 1998 atingiu-se a marca recorde (24,7 %) de na eficiência com células de silício

monocristalino e em 2005 o grupo Fraunhofer Institut for Solar Energy Systems fez um

anuncio de 20 % de eficiência com celulas de silicio multicristalino. E hoje já é possível a

obtenção de células mais complexas como, por exemplo, as células em cascata (in

tandem) que é fornada com a sobreposição de muitas células semicondutoras, onde cada

uma tem a função de aperfeiçoar um dado comprimento de onda da radiação, o que

permite alcançar aproveitamento superior que 34 %.

4. DEFINIÇÕES E TECNOLOGIA

Através da energia solar foram desenvolvidos sistemas capazes de captar a radiação solar,

transformá-la em energia elétrica, consumi-la e armazena-la. Este tipo de sistema é

denominado de Sistema Fotovoltaico (FV). De maneira geral, um FV possui módulo

fotovoltaico, banco de baterias e controlador de carga, no caso de sistemas autônomos e

inversores. A seguir serão explicitadas algumas definições sobre as principais tecnologias

dos sistemas fotovoltaicos.

4.1. Tecnologias Disponíveis

Os principais semicondutores utilizados para o desenvolvimento das células

fotovoltaicas são: o silício cristalino c-Si, o silício amorfo hidrogenadao a-Si:H, o

Silício do tipo HIT, o teleruto de cádmio CdTe e os compostos relacionados ao

dissulfeto de cobre e índio CuInSe2 ou CIS.

Segundo Câmara, 2011, o C-Si é o que apresenta eficiência em termos de geração

fotovoltaica utilizados em aplicações terrestres. Apresenta na faixa de 15% em

relação aos módulos disponíveis no mercado.

4.1.1. Silício Cristalino (c-Si)

Os silícios monocristalinos e policristalinos são bastantes utilizados para a

produção de células fotovoltaicas. Os monocristalinos (Figura 2) são obtidos a

partir de barras cilíndricas de silícios produzidos em fornos especiais. As células

são obtidas por corte das barras em forma de pastilhas finas, com espessura atual

em torno de 200 µm (PROGRESS IN PHOTOVOLTAICS, 2008, apud

VARELLA, 2009). Os policristalinos (Figura 3) são obtidos a partir da fusão de

porções de silício puro em moldes especiais. Neste processo os átomos não se

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organizam em um único cristal, formando-se uma estrutura policristalina com

superfícies de separação entre os cristais A eficiência deste tipo de célula, na

conversão de luz em eletricidade, é menor do que as células de silício

monocristalino, variando de 14% (IEA, 2008a) a 20,3% (PROGRESS IN

PHOTOVOLTAICS, 2008, apud VARELLA, 2009). A Figura 4 apresenta um

módulo fotovoltaico de silício.

Figura 2 – Célula de Silício Monocristalino

Fonte: Energia Solar Princípios e Aplicações, Cresesb.

Figura 3 – Célula de Silício Policristalino

Fonte: Energia Solar Princípios e Aplicações, Cresesb.

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Figura 4 – Módulo Fotovoltaico de c-Si

Fonte: SunLab Power, 2013

4.1.2. Silício Amorfo Hidrogenado (a-Si)

A eficiência das células de a-Si, filmes delgados, é menor que a eficiência das

células de silício policristalino. Os processos de produção de produção de a-Si

ocorrem em temperaturas menores que 300°C, em processos de plasma, o que

possibilita que estes filmes finos sejam depositados sobre substratos de baixo

custo, como vidro, aço inox e alguns plásticos. Desta forma foram desenvolvidos

painéis solares mais flexíveis, inquebráveis, mais leves, semitransparentes, com

superfícies curvas, que estão ampliando o mercado fotovoltaico por sua maior

versatilidade. Eficiência estabilizada de 13% tem sido demonstrada para células

de pequena área (SHAH et al, 1999, apud CÂMARA).

4.1.3. Silício HIT

As células de Si baseadas em heterojunções, com filmes finos intrínsecos,

surgem como alternativa para fabricação de células solares. Esta célula combina

silício cristalino (c-Si) na forma de wafer e filme fino de silício amorfo

hidrogenado (a-Si:H) na mesma estrutura. A alta absorção na camada de a-Si

reduz a densidade de corrente de curto circuito das células HIT, então a camada

de a-Si tem que ser finas para reduzir perdas na absorção (Zhao et al., 2004).

Figura 5 - Representação de uma célula HIT

Fonte: Câmara, 2011

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4.1.4. Módulos Fotovoltaicos

São formados por um agregado de células fotovoltaicas. As células produzem,

em geral, uma média de 0,7 Vcc sendo necessária associá-las em série adquirindo

um maior nível de tensão. Os módulos variam na sua forma de acordo com os

fabricantes, sendo conveniente escolhê-los a partir das especificações requeridas

em seu sistema fotovoltaico. Os módulos quando associados, em série ou em

paralelo, são chamados de painéis fotovoltaicos. A Figura 6 mostra um módulo

fotovoltaico e a Figura 7 à representação de um painel fotovoltaico.

Figura 6 – Módulo Fotovoltaico

Fonte: Alibaba, 2013

Figura 7 – Painel Fotovoltaico

Fonte: Energia Solar 2012, Wordpress.

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4.2. Principais Componentes e Tipos de Sistemas Fotovoltaicos

Os sistemas fotovoltaicos podem ser isolados, híbridos e conectados a rede.

4.2.1. Sistemas Isolados

Sistemas isolados são compostos basicamente pelos módulos fotovoltaicos,

baterias, controladores de carga e inversores. Os módulos são responsáveis pela

captação da energia solar e pela transformação da mesma em energia elétrica. O

banco de baterias serve para armazenar energia para ser utilizada posteriormente,

mas existem alguns casos de sistemas isolados que não necessitam de baterias,

como exemplo há os sistemas fotovoltaicos para abastecimento de água. O

controlador de carga tem a função de comandar a carga e descarga da bateria a

fim de evitar possíveis defeitos na mesma. E os inversores são utilizados para

conversão de corrente contínua em corrente alternada. A Figura 8 representa um

sistema isolado.

Figura 8 – Representação de um sistema de geração de energia elétrica a

partir de um sistema fotovoltaico isolado

Fonte: Energia Solar, Aneel.

4.2.2. Sistemas Híbridos

Este tipo de sistema é mais complexo que os demais, pois possui mais formas de

geração de energia agregadas. Desta forma, a unidade de controle e

condicionamento de potência, irá maximizar a eficiência na entrega da energia

para o consumo. Estes sistemas são bastante utilizados em locais com consumo

de médio e grande porte. Além da unidade de controle há também inversores

para converter CC em CA. Uma simples representação deste tipo de sistema pode

ser visualizada através da Figura 9.

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Figura 9 – Representação de um sistema fotovoltaico híbrido

Fonte: Energia Solar Princípios e Aplicações, Cresesb.

4.2.3. Sistemas Conectados a Rede

Nestes tipos de sistemas não há armazenamento de energia e o consumo é

realizado instantaneamente. A potência máxima extraída da radiação solar é

injetada na rede e à medida que a demanda de consumo é maior que a potência

disponível pelo sistema, há a opção de consumo da rede elétrica. Por

conseguinte, quando a demanda de consumo é menor que a potência disponível

pelo sistema, a energia passa a ser injetada na rede sendo vendida para a

concessionária. Os sistemas conectados a rede têm uma grande vantagem que é a

não utilização de banco de baterias e de controladores de carga, reduzindo

bastante o valor final do projeto. Eles necessitam basicamente de módulos

fotovoltaicos e inversores. A Figura 10 mostra a configuração básica do mesmo.

Figura 10 – Exemplificação de um sistema fotovoltaico conectado a rede

Fonte: Energia Solar Princípios e Aplicações, Cresesb.

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4.3. Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede Elétrica

Os sistemas fotovoltaicos conectados à rede elétrica (SFCR) podem ser definidos de

duas formas: sistemas fotovoltaicos distribuídos conectados à rede elétrica e sistemas

fotovoltaicos centralizados conectados à rede elétrica.

4.3.1. Sistemas Fotovoltaicos Distribuídos Conectados à Rede Elétrica

São chamados sistemas distribuídos por serem instalados na residência, ou em

estabelecimentos comercias que se deseja o uso da tecnologia. A energia é

consumida diretamente e esta ainda pode ser vendida para a distribuidora. Um

exemplo deste tipo de sistema é mostrado na Figura 11.

Figura 11 – Sistema Fotovoltaico Distribuído

Fonte: Ecopower – Itália, apud Lisita, 2005.

4.3.2. Sistemas Fotovoltaicos Centralizados Conectados à Rede Elétrica

Os sistemas centralizados, como podem ser visualizados na Figura 12,

correspondem às grandes centrais geradoras de eletricidade através da radiação

solar. Elas não abastecem somente um consumidor, como nos sistemas

distribuídos, mas pode ser responsável pelo consumo até de cidades inteiras

dependendo da sua capacidade de geração de energia. Ficam localizadas a

grandes distâncias do ponto de consumo.

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Figura 12 – Central Solar com capacidade de 42MW em Moura, Portugal.

Fonte: Zilles, 2012.

4.3.3. Gerador Fotovoltaico

O gerador fotovoltaico, por definição, é um conversor estático que transforma luz

em eletricidade. Fisicamente corresponde a uma variedade de dispositivos

capazes de realizar essa conversão, como as células fotovoltaicas, os módulos

fotovoltaicos ou algum tipo de combinação elétrica entre eles (ALMEIDA,

2012).

Dependendo da quantidade de energia que se pretende gerar, é necessária a

configuração de módulos em série, formando painéis. Ainda podemos associar

diversos painéis em paralelo para gerar ainda mais energia. De acordo com

Almeida, 2012, os módulos associados em série são chamados de Série FV

(fotovoltaico) e as séries de módulos associados em paralelo de Arranjo FV. A

Figura 13 ilustra estas configurações.

Figura 13 – Célula, módulo, série e arranjo FV.

Fonte: Almeida, 2012.

Page 18: DIMENSIONAMENTO SIMPLIFICADO DE UM SISTEMA SOLAR FOTOVOLTAICO CONECTADO À REDE ELÉTRICA PARA UMA RESIDÊNCIA UNIFAMILIAR

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4.3.4. Inversor Fotovoltaico

Um inversor fotovoltaico, ou simplesmente inversor, converte a potência em

corrente contínua proveniente do gerador fotovoltaico em potência em corrente

alternada que, em condições normais, é injetada na rede elétrica. Os inversores

modernos possuem alta eficiência, seguimento no ponto de máxima potência do

gerador fotovoltaico, medidas de segurança para desconexão da rede em

condições adversas, mecanismos de anti-ilhamento, medição de parâmetros

elétricos, dentre outas funções (ALMEIDA, 2012).

4.3.5. Configurações de Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede

Um sistema fotovoltaico pode ser configurado de duas formas: vários pontos de

conexões na rede ou apenas um. A Figura 14 ilustra estes dois tipos de conexões.

O sistema pode ainda apresentar vários inversores, conectados em paralelo no

caso de sistemas monofásicos, podendo existir vários subsistemas fotovoltaicos

interligados.

Figura 14 – Número de sistemas fotovoltaicos conectados à rede: (a) dois e (b)

apenas um.

Fonte: Almeida, 2012.

Um subsistema pode apresentar a configuração do inversor de forma central,

string (série), multi-string ou módulo ca.

Os sistemas com configuração de forma central (Figura 15) é utilizada para

baixas potências, sendo sua principal vantagem à redução de custos.

Figura 15 – Configuração de um sistema fotovoltaico com inversor central.

Fonte: Almeida, 2012.

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A ligação do inversor na forma string permite a conexão de apenas uma série FV

proporcionando um aumento da eficiência energética e da confiabilidade do

sistema. A Figura 16 ilustra esta configuração.

Figura 16 – Configuração de um subsistema fotovoltaico com inversores string.

Fonte: Almeida, 2012.

Na forma Multi-string, como pode ser visualizado na Figura 17, aumenta as

vantagens citadas para a forma string, pelo fato de permitir o controle individual

de tensão de operação de cada série fotovoltaica em apenas um inversor, que

possui um conversor cc/ca central (ALMEIDA, 2012).

Figura 17 – Configuração de um subsistema fotovoltaico com inversor multi-

string.

Fonte: Almeida 2012.

Os inversores no módulo ca (Figura 18), são assim chamados pois são micro-

inversores integrados e sua utilização implica na inexistência de perdas devido as

associações dos módulos fotovoltaicos.

Figura 18 – Configuração de um subsistema fotovoltaico com micro-inversor

integrados aos módulos fotovoltaicos (módulos ca).

Fonte: Almeida, 2012.

5. IMPACTOS

A utilização de Energia Solar como um todo implica em impactos socioeconômicos,

socioambientais, socioculturais e socioeducativos. Os socioeconômicos estão relacionados

com a baixa eficiência dos sistemas de conversão de energia, tornando necessária a

utilização de grandes áreas para a maior eficiência na captação de energia, os

socioambientais referem-se à energia limpa que ela produz, os impactos socioculturais e

socioeducativos estão ligados aos avanços tecnológicos, proporcionados às comunidades e

as redes de ensinos locais e as mudanças de hábitos de determinadas populações.

Os impactos, positivos e negativos, estão citados nos tópicos a seguir:

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Impactos positivos: Gera energia mesmo em dias nublados; Gera energia de 12 volts

(corrente contínua); Sistema Modular levíssimo; simples instalação, com fácil

manuseio e transporte, podendo ser ampliado conforme sua necessidade; Grande vida

útil, acima de 25 anos; Compatível com qualquer bateria; funcionamento silencioso;

Manutenção quase inexistente; Não possui partes móveis que possam se desgastar;

Não produzem contaminação ambiental; Redução de perdas por transmissão e

distribuição de energia, já que a eletricidade é consumida onde é produzida; Redução

de investimentos em linhas de transmissão e distribuição; Baixo impacto ambiental; A

não exigência de área física dedicada; Fornecimento de maiores quantidades de

eletricidade nos momentos de maior demanda (ex.: o uso de ar-condicionado é maior

ao meio-dia no Brasil, quando há maior incidência solar e, consequentemente, maior

geração elétrica solar); Rápida instalação, devido à sua grande modularidade e curtos

prazos de instalação, aumentando assim a geração elétrica necessária em determinado

ponto ou edificação.

Impactos negativos: as células fotovoltaicas necessitam de tecnologia sofisticada para

sua fabricação; possuem custo de investimento elevado; o rendimento real de

conversão de um módulo é reduzido (o limite teórico máximo numa célula de silício

cristalino é cerca de 28%), face ao custo do investimento; Necessita de um

armazenador de energia; seu rendimento é dependente do índice de radiação,

temperatura, quantidade de nuvens, dentre outros.

6. PANAROMA MUNDIAL E NACIONAL

Nos países desenvolvidos a energia solar fotovoltaica já está em funcionamento a bastante

tempo, o que os leva a possuir uma tecnologia bastante desenvolvida em relação aos

países em desenvolvimento. O que os levou a utilizar este tipo de energia foi o fato de ser

uma fonte limpa de geração de energia e pela falta de outros recursos naturais. Dentre

estes países destacam-se os EUA, Espanha, Alemanha e Japão de acordo com a figura 1.

Figura 19 - Potência acumulada instalada de sistemas fotovoltaicos na Alemanha,

Espanha, Japão e EUA, em MW (1992-2007).

Fonte:IEA-PVPS, 2008b apud Jannuzzi, Varella, Gomes, 2009

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De acordo com a figura1 observa-se que a energia solar vem aumentando a cada ano,

tornando-se responsável por aproximadamente 8000 MW de potencia em todo mundo,

sendo está energia conectada a rede ou isolada.

Figura 20 - Potência acumulada instalada de sistemas fotovoltaicos em países no mundo

conectados ou não à rede elétrica, em MW (1992–2007). Fonte:

Fonte: IEA-PVPS, 2008b apud Jannuzzi, Varella, Gomes, 2009

O Brasil está em fase de desenvolvimento neste tipo de tecnologia, levando em

consideração o grande potencial de irradiação solar do país (Figura 21) vem aumentando o

interesse em estudar e aplicar a energia solar. As principais formas de utilização são para

aquecimento de água, principalmente na região Sul e para o abastecimento de luz elétrica,

em especial nas regiões Norte e Nordeste, onde ainda é precário o sistema de iluminação

elétrica.

Page 22: DIMENSIONAMENTO SIMPLIFICADO DE UM SISTEMA SOLAR FOTOVOLTAICO CONECTADO À REDE ELÉTRICA PARA UMA RESIDÊNCIA UNIFAMILIAR

21

Figura 21 - Media anual de insolação diária no Brasil (horas)

Fonte: ANEEL, 2013.

7. DIMENSIONAMENTO SIMPLIFICADO DE UM SISTEMA FOTOVOTAICO

CONECTADO À REDE PARA UMA RESIDÊNCIA UNIFAMILIAR

A metodologia utilizada será baseada nos seguintes autores: Joaquim Carneiro (2009),

Valderi Silva (2013) e Marcelo Almeida (2012).

O dimensionamento de um SFVCR envolve uma série de etapas, entre as quais se

destacam aquelas associadas ao processo de cálculo da energia elétrica produzida pelo

gerador fotovoltaico. É conveniente determinar como será à saída de potência de cada um

dos módulos e, partir daí, entender como será o comportamento deles ao serem reunidos

dentro de um gerador em operação (ZILLES et al., 2012, apud SILVA, 2013).

O dimensionamento do sistema FV será realizado com base na potência instalada da

residência, consumo de energia e área disponível para instalação do sistema. A Tabela 1

mostra a potência total instalada na residência.

Tabela 1 – Potência Total Instalada

POTÊNCIA INSTALADA DA RESIDÊNCIA

Descrição Potência

(W) Quantidade

Potência Final

(KW)

Geladeira 85,00 01 0,09

Televisão 54,00 01 0,05

Lâmpada Fluorescente 98,00 07 0,69

Liquidificador 750,00 01 0,75

Computador 400,00 02 0,80

Microondas 700,00 01 0,70

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Aparelho de DVD 420,00 01 0,42

Ventilador 240,00 03 0,72

TOTAL 2747,00 17,00 4,22

O consumo mensal foi tomado com base nos dados do ano de 2012 (ANEXO). A Tabela

2 apresenta os valores de consumo da residência no ano de 2012. O custo com o consumo

de energia anual da residência foi igual a R$ 1.047,27 (Dado obtido a partir dos valores

cobrados nas faturas pela concessionária, ver ANEXO).

Tabela 2 – Consumo de Energia Mensal

CONSUMO DE ENERGIA DA

RESIDÊNCIA

Mês Consumo (kWh)

Janeiro 263,00

Fevereiro 225,00

Março 274,00

Abril 256,00

Maio 275,00

Junho 266,00

Julho 249,00

Agosto 286,00

Setembro 292,00

Outubro 299,00

Novembro 250,00

Dezembro 250,00

ANUAL 3.185,00

A residência possui 6,80 m de comprimento e 5,90 m de largura com uma área total de

40,12 m².

7.1. Dimensionamento do Gerador Fotovoltaico

Em primeiro lugar deve ser escolhido o local de instalação do sistema. Deve ser livre

de sombra de árvores e edifícios vizinhos para que o sol seja aproveitado durante todo

o dia. Para este dimensionamento será levado em conta à instalação do sistema no

telhado da residência, ocupando entre 15 m² e 16 m².

Em segundo lugar deve ser analisada a potência do gerador. Segundo ALVARENGA

apud SILVA (2013), cada KW instalado necessita de 10 m², de um investimento de

R$ 6.000,00 a R$ 10.000,00 e gera em média 1,3 a 1,5 MWh/ano. Com base nestas

informações estipula-se que o gerador proposto com, aproximadamente, 15 m² de

área necessitará de um investimento de R$ 15.000,00. Com um potência de 1,5 KW, a

geração estimada será de 1,95 MWh/ano (1,3 MW/ano x 1,5 KW), ou seja, 162,5

KWh/mês.

7.2. Módulo Fotovoltaico

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23

O módulo fotovoltaico de ser escolhido com o certificado de qualidade

Procel/Inmetro, ISO 9001 e disponibilidade no mercado (SILVA, 2013). O módulo

selecionado para este sistema fotovoltaico possui o fabricante Kyocera, SM-83KSM.

As Tabelas 3 e 4 apresentam as especificações técnicas do módulo fotovoltaico SM-

83KSM.

Tabela 3 – Especificações Técnicas

Fonte: Koycera, 2013.

Tabela 4 – Especificações Técnicas

Fonte: Koycera, 2013.

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24

A área total do módulo fotovoltaico SM-83KSM, 0,623 m², é ilustrado na Figura 21

através de suas dimensões e a Figura 22 ilustra o mesmo.

Figura 22 – Especificações Físicas do Módulo Fotovoltaico SM-83KSM.

Fonte: Koycera, 2013.

Figura 23 – Ilustração do Módulo Fotovoltaico SM-83KSM.

Fonte: Koycera, 2013.

7.3. Inversor

O inversor deve estar de acordo com as normas da ABNT NBR 5410/04 e normas da

concessionária local (frequência, tensão, aterramento etc.). O inversor é especificado de

acordo com a disponibilidade no mercado, preço por watt etc. (SILVA, 2013).

O Inversor utilizado na proposta será o Windy Boy 1200/1700 da SMA com o custo

aproximado de R$ 4.000,00 e potência máxima de 1850 W. As principais especificações

técnicas do inversor estão citadas na Tabela 5.

Tabela 5 – Especificações Técnicas do Inversor Windy Boy 1200/1700

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25

Fonte: SMA, 2013.

7.4. Configuração dos Módulos Fotovoltaicos e do Inversor

Segundo Silva (2013), a potência nominal total de módulos ligados em cada inversor

não pode ser maior que 110% da potência máxima de corrente contínua do inversor:

Pmódulos = 1,1 x Pinversor

Pn = 1,1 x 1850

Pn = 2035 W

Cada painel tem potência de 83 W. Quando se divide a potência total de 1850 W pela

máxima potência máxima de cada módulo encontra-se a quantidade máxima de

módulos poderão ser ligados ao inversor, ou seja, de acordo com a área disponível

para a instalação do sistema e o gerador dimensionado, será ligados um inversor, 14

módulos.

Os painéis só podem ser ligados em série se a soma das tensões de curto circuito

aberto (19,7 V para o gerador Koycera proposto) não pode ser maior que 90% da

tensão de corrente contínua máxima do inversor. A tensão máxima de cada inversor é

igual a 480 V, então:

Tensão = 0,9 x Tinv

Tensão = 0,9 x 480 V

Tensão = 432 V

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26

Assim, dividindo 432 V por 33,2 V concluímos que apenas 21 módulos podem ser

instalados, na forma string, no inversor.

O arranjo do Gerador está ilustrado na Figura 24. O SFCR utilizará apenas um

inversor da SMA – Windy Boy 1200/1700, com 14 módulos Koycera no inversor.

Figura 24 – Arranjo do SFCR

7.5. Produção de Energia

De acordo com SOLENERG, apud SILVA (2013), a estimativa de produção pode ser

encontrada utilizando as seguintes expressões:

Geração anual (MWh/ano) = Potência de cada módulo (Wp) x número de

módulos x nível médio de radiação solar (h) x eficiência global x 365 dias x

10-6

Geração anual (MWh): Estimativa da geração de energia elétrica injetada na

rede;

Potência de cada módulo (Wp): Potência nominal do módulo selecionado em

Wp;

Número de módulos: Quantidade de unidades de módulos fotovoltaicos;

Nível médio de radiação solar (h): Nível médio anual de radiação solar do

local de instalação, plano inclinado igual à latitude, em horas de insolação

máxima ou kWh/m²/dia;

Eficiência global (pu): Performance ratio – Fator que leva em conta as perdas

nos módulos fotovoltaicos, no inversor, na instalação etc. e que poderá ser

otimizado e calculado pelo software. Valor típico: 0,7 a 0,8. Utilizamos para

cálculos preliminares o valor de 0,8.

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De acordo com o programa Sundata, o nível médio da radiação solar obtido no

plano horizontal para a cidade de Mossoró, latitude 5,187500º Sul e longitude

37,344166º, foi 5,50 kWh/m²dia. Aplicando a expressão, temos:

Geração anual = 83 Wp x 14 x 5,50 h/dia x 0,8 x 365 x 10-6

Geração anual = 1,9 MWh/ano ou 158,33 Wh/mês

8. PREVISÃO DE RETORNO DO INVESTIMENTO

A estimativa de custos, segundo SOLENERG, apud, SILVA (2013), pode ser feita com

um cálculo simplificado do MWh gerado usando-se a expressão:

Custo (R$/MWh) = valor do investimento x (taxa anual de juros + taxa

de depreciação + taxa de depreciação)/100 )/Geração

Para o valor do investimento (MWh/ano), deve ser considerado o custo do projeto e

instalação acrescendo um valor entre 20% a 25% dos custos dos módulos e dos

inversores. A taxa anual de juros reais poderá ser considerada uma taxa real subsidiada de

3% ao ano e sem inflação. A taxa de depreciação será de acordo com a vida útil do

gerador que está em torno de 30 anos, ou seja, uma taxa de 3,33%ao ano. Para a

manutenção do sistema FV, vamos considerar uma taxa de 1% ao ano (SOLENERG, apud

SILVA, 2012).

O custo estimado para os módulos foi R$ 1.000,00, portanto, como o SFCR será instalado

com 14 módulos temos um total de R$ 14.000,00 e o inversor custa, aproximadamente,

R$ 4.000,00.

Logo, o custo total para investimento do sistema fotovoltaico conectado à rede elétrica,

acrescido de mais 20% da instalação é de R$ 21.600,00.

Para avaliação da viabilidade econômica, serão utilizados os dados fornecidos pela Aneel

e Cosern.

Custo Tarifa Convencional (B1-Residencial): 363,73 R$/MWh

O objetivo é calcular o custo do MWh gerado pelo sistema FV e compará-lo com o valor

do MWh da concessionária Cosern. Calculando o custo do MWh do sistema FV temos:

Custo (R$/MWh) = R$21.600,00 x ( 3% +3,33% + 1% ) / 100 / 1,9

Custo (R$MWh) = R$ 1.583,28 / 1,9 MWh

Custo = 833,31 R$/MWh ou 0,833 R$/kWh

O prazo necessário para recuperar o investimento realizado, LISITA (2005), resulta da

relação entre o investimento inicial em eficiência energética e as economias obtidas a cada

ano, logo:

PRS (Previsão de Retorno Simples) = Investimento R$ / Economia por ano R$

Na Tarifa Convencional = 1,9 MWh x 363,73 R$/MWh = R$ 691,09

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Considerando os custos das tarifas praticadas pela Cosern, haverá uma economia de R$

691,09 por ano e calculando o PRS,

PRS = R$ 21.600,00 / R$ 691,09 = 31 anos e 3 meses

O retorno do investimento está previsto para 31 anos e 3 meses, ou seja, a instalação do

sistema fotovoltaico conectado à rede não é viável..

Os valores foram encontrados considerando apenas a tarifa verde de consumo na ponta

disponível no Manual de Orientação da Cosern.

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9. CONCLUSÃO

Com a possibilidade de interligação de sistemas conectados à rede, tornou-se possível

mais uma forma de redução de custos com consumo de energia. Este tipo de tecnologia

está se desenvolvendo no país e tem capacidade de tomar conta do mercado.

O Brasil possui ótimos índices de radiação por toda a sua extensão, mas os custos ainda

são vistos como desvantagens ante ao leque de recursos disponíveis para exploração de

outras fontes alternativas de energia. Daí, com a aprovação da Resolução normativa n°

482 (ANEEL, 2012) torna-se promissor o investimento SFCR.

Apesar de promissora, ainda não é vantajosa à instalação de sistemas fotovoltaicos

conectados à rede, pois o tempo de retorno de investimento é muito alto. Não compensa a

instalação de um sistema visto que sua vida útil se torna menor que o tempo de retorno

previsto.

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30

10. REFERÊNCIAS

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ANEXOS

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