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MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO
UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DA AMAZÔNIA CURSO DE ENGENHARIA AMBIENTAL E ENERGIAS RENOVÁVEIS
ABRAÃO SMITH PINHO DA SILVA
DIMENSIONAMENTO DE UM SISTEMA FOTOVOLTAICO ISOLADO (SFI) E/OU CONECTADO A REDE ELÉTRICA (SFCR) PARA UM TRAILER DE CONVENIÊNCIA DA
UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DA AMAZÔNIA.
BELÉM 2019
ABRAÃO SMITH PINHO DA SILVA
Dimensionamento de um sistema fotovoltaico isolado (SFI) e/ou conectado a rede elétrica (SFCR) para um trailer de conveniência da universidade federal rural da
Amazônia.
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao curso de graduação em Engenharia Ambiental e Energias Renováveis da Universidade Federal Rural Da Amazônia como requisito para a obtenção do grau de Engenheiro Ambiental e de Energias Renováveis. Área de concentração: Energias renováveis. Orientador: Prof. Dr. Glauber Tadaiesky Marques.
BELÉM 2019
__________________________________________________________________________________________________ Da Silva, Abraão Smith Pinho.
Dimensionamento de um sistema fotovoltaico isolado (SFI) e/ou conectado a
rede elétrica (SFCR) para um trailer de conveniência da universidade federal rural da Amazônia. /Abraão Smith Pinho Da Silva. – Belém, 2019.
53f.: il.
Orientador: Prof. Dr. Glauber Tadaiesky Marques. Trabalho de Conclusão de Curso (graduação) – Universidade Federal Rural Da
Amazônia, Curso de Engenharia Ambiental e Energias Renováveis, 2019.
1. Energia – Modelagem. 2. Energia Solar. 3. Sustentabilidade. Renováveis. 4. Engenharia. 5. Economia I. Título.
CDD – 333.7923
Bibliotecária-Documentalista:
ABRAÃO SMITH PINHO DA SILVA
Dimensionamento de um sistema fotovoltaico isolado (SFI) e/ou conectado à rede elétrica (SFCR) para um trailer de conveniência da universidade federal rural da
Amazônia.
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Universidade Federal Rural da Amazônia como parte das exigências do Curso de graduação em Engenharia Ambiental e Energias Renováveis, para obtenção do título de Engenheiro Ambiental e de Energias Renováveis. Área de concentração: econometria aplicada a sistemas de energia.
Data de Aprovação
Banca Examinadora:
Prof. Dr. Glauber Tadaiesky Marques ICIBE/UFRA Orientador
Prof. Dr. Otávio André Chase ICIBE/UFRA
Membro
Prof. Dra. Silvana do Socorro Veloso Sodré ISARH/UFRA
Membro
AGRADECIMENTOS
À Deus, meus familiares e amigos que sempre estiveram ao meu lado em todos os
momentos dentro e fora da universidade, especialmente nos momentos difíceis da minha
jornada.
Agradeço ao meus professores pelo incentivo e pelo conhecimento adquirido durante as
aulas ministradas, em especial ao meu orientador Glauber Tadaiesky Marques, pela
disposição e aprendizado nesta jornada.
Agradeço ao professor Otávio André Chase pelas orientações, disponibilização de notas
de aulas ministradas no qual contribuíram para construção desse trabalho.
Por fim, a Universidade Federal Rural da Amazônia(UFRA), pela estrutura e ambiente,
para desenvolver minhas atividades como discente dessa instituição.
A imaginação é mais importante que o
conhecimento.
- Albert Einstein
RESUMO
A sociedade moderna tem sido movimentada desde o início do século XVIII através de
matriz energética altamente poluente e que tem se tornado cada vez mais escassa. O
petróleo, carvão e gás natural por muitos anos tem sido a pedra angular da sociedade
industrializada muito embora se esteja percebendo agora seus efeitos devastadores sobre
o meio ambiente. Nesse contexto, o surgimento das energias renováveis se dá como uma
alternativa ao uso racional da energia uma vez que promove a diversificação dos sistemas
energéticos e detém pegada de carbono muito reduzida. A energia solar fotovoltaica tem
sido uma das formas de energia renovável que mais tem crescido em todo o mundo e suas
aplicações abarcam inúmeros setores da indústria e sociedade civil. Nesta investigação
procuramos aplicar o dimensionamento de um sistema fotovoltaico conectado à rede bem
como um isolado à uma proposta de trailer sustentável localizado na UFRA. Nossos
resultados concluíram que o sistema on-grid é a melhor opção para o empreendimento
pois gera maior segurança financeira bem como benefícios a médio e longo prazo.
Calculamos que um sistema autônomo projetado para alimentar apenas dois dos itens que
mais consumem energia deva custar quase 72% do valor do SFCR muito do qual onerado
pelo banco de baterias.
Palavras-chave: Energia solar. Sustentabilidade. Ônibus fotovoltaico.
ABSTRACT
Modern society has been moving since the early eighteenth century through the
increasingly polluting and increasingly scarce energy matrix. Oil, coal and natural gas
have for many years been the cornerstone of industrialized society, but can still now
realize their devastating effects on the environment. In this context, the emergence of
renewable energies is an alternative to the rational use of energy as it promotes the
diversification of energy systems and the very low carbon retention. Photovoltaic solar
energy has been one of the fastest growing forms of renewable energy in the world and
its applications span numerous sectors of industry and civil society. In this investigation,
we request the request or scale of a grid-connected photovoltaic system as well as an
isolated system for a sustainable towing proposal located at UFRA. Our results concluded
that the on-grid system is the best option for the company as it generates greater financial
security and medium and long term benefits. It is estimated that a stand-alone system
designed to power only two power-consuming items should cost almost 72% of the highly
qualified battery bank SFCR value.
Key-words: Solar energy. Sustainability. Photovoltaic bus.
Sumário
1. INTRODUÇAO ....................................................................................................................................... 10
2. JUSTIFICATIVA .................................................................................................................................... 11
3. OBJETIVOS ............................................................................................................................................. 12
3.1. Objetivos gerais ......................................................................................................................... 12
3.2. Objetivos específicos .............................................................................................................. 12
3.3. Escopo do trabalho .................................................................................................................. 12
4. ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA .............................................................................................. 13
4.1. Radiação solar ou Irradiação Solar ................................................................................. 16
4.2. Módulo fotovoltaico ................................................................................................................ 17
4.3. Classes de sistemas fotovoltaicos .................................................................................... 22
4.3.2. Sistema Fotovoltaico Isolado (SFI) .............................................................................. 24
4.3.3. Sistemas híbridos ............................................................................................................... 26
5. Possíveis impactos ambientais .................................................................................................. 27
5.1. Ganhos sociais, ambientais e econômicos com os Sistemas Fotovoltaicos 28
6. METODOLOGIA ................................................................................................................................... 29
6.1. Dimensionamento do Sistema Fotovoltaico (SFCR) ............................................... 32
6.2. Dimensionamento do Sistema Fotovoltaico ON GRID (conectado à rede) . 33
6.3. Dimensionamento do Sistema Fotovoltaico Off Grid (Isolado) ........................ 35
6.3.1. Observações sobre o Dimensionamento do Banco de Baterias ........................ 35
7. RESULTADOS E DISCUSSÕES ........................................................................................................ 40
7.1. Componentes do sistema on-Grid..................................................................................... 41
7.2. Componentes e custos do sistema off-Grid .................................................................. 43
7.3. Considerações econômicas .................................................................................................. 46
7.4. Payback e o custo da eletricidade .................................................................................... 46
7.5. Evitação CO2/ano ..................................................................................................................... 49
8. CONCLUSÃO .......................................................................................................................................... 50
REFERÊNCIAS ....................................................................................................................................... 51
10
1. INTRODUÇAO
A busca por fontes mais sustentáveis e menos prejudiciais ao meio ambiente ganhou força
em meados da década de 1970 quando a crise dos combustíveis fósseis afetou as grandes
potências econômicas da época, evidenciando assim a necessidade da busca por fontes
alternativas de produção energética que possam suprir as necessidades e demandas das
sociedades modernas, e que sejam menos impactantes ao meio ambiente, e isso passa por
uma mudança na matriz energética mundial. (PINTO, 2013).
O Brasil apresenta um dos maiores índices de irradiação solar do mundo. A maior
parte do território nacional encontra-se próxima à linha do Equador, não apresentando
assim grandes variações de radiação solar ao longo do dia (ANEEL, 2002). Os valores
anuais de radiação solar global incidente variam entre 1.550 e 2.400 kWh/m2 ao longo
do território nacional e são superiores aos da maioria dos países da União Europeia, como,
por exemplo, a Alemanha (900 – 1.250 kWh/m2) e a França (900 – 1.650 kWh/m²).
(PEREIRA et. Al., 2006).
Nesse cenário, a preocupação ambiental é crescente, na maioria dos países. Por
consequência, as fontes de energias renováveis vêm ganhando cada vez mais espaço no
mercado mundial (JARDIM, 2007). Os principais motivos para o aumento na participação
de energias renováveis, conforme descreve Lodi (2011) são as preocupações ambientais,
desenvolvimento social e econômico, o aumento da competitividade diante da geração
convencional, a volatilidade no preço do combustível fóssil, aumento na demanda
energética, a segurança energética e as políticas governamentais
A participação de energias renováveis na matriz energética no Brasil, conforme
dados da Empresa de Pesquisa Energética - EPE (2014), empresa pública, vinculada ao
Ministério de Minas e Energia, foi de 41% em 2013, enquanto a média mundial foi de
apenas 13% em 2011. Fazendo-se uma repartição da oferta interna dos 41% de energias
renováveis, têm-se: biomassa da cana (16,1%); hidráulica (12,5%); lenha e carvão vegetal
(8,3%); lixívia e outras renováveis (4,2%) (EPE, 2014).
Diante o exposto, o presente trabalho tem como objetivo apresentar um projeto de
Ônibus Sustentável (Trailer de Conveniência) da UFRA com uso de painéis fotovoltaicos,
ou seja, um sistema fotovoltaico isolado (SFI) e/ou conectado à rede elétrica (SFCR)
observando o custo de implantação e manutenção, além dos benefícios gerados ao meio
ambiente. Com base nos princípios da sustentabilidade e respeito ao planeta.
11
O Ônibus Sustentável apresenta-se como um modelo ou protótipo como alternativa
de aplicação e geração de energia solar fotovoltaica e na reutilização de um veículo como
Trailer de Conveniência contribuindo para diminuição na geração de resíduos a natureza.
Este projeto de Ônibus Sustentável vem de encontro aos valores da Universidade como
centro produtor e disseminador de conhecimento, pesquisa, tecnologia e inovação
comprometidas com desenvolvimento sustentável da região amazônica.
2. JUSTIFICATIVA
No contexto do atual cenário, onde há uma crescente demanda por recursos
naturais e a exploração do mesmo pelo homem, observando que a ação desenfreada de
consumo da população e as consequências da ação antrópica vêm causando impactos
catastróficos a biodiversidade e ao próprio homem, faz necessário uma conscientização
coletiva no qual busca um desenvolvimento sustentável. Dessa forma, visando diminuir
os impactos ao meio ambiente, nota-se que há uma crescente expansão por fontes de
energias alternativas.
A emergência do desenvolvimento sustentável atrelado as mudanças climáticas,
poluição atmosférica e demais problemas ambientais justifica estudos e trabalhos como
este sobre novas aplicações, uso de tecnologias e investimentos em energias renováveis.
Diante do exposto, visando contribuir com o tema destacado, este trabalho justifica-se em
fazer um estudo sobre um projeto de Ônibus Sustentável (Trailer de Conveniência) da
UFRA com uso de painéis fotovoltaicos.
Serão feitos levantamentos sobre os diversos tipos de tecnologias disponíveis, seus
rendimentos, disponibilidade de acesso, materiais e estruturas que poderão ser
necessários para o bom funcionamento do sistema, levando em consideração a localização
de aplicação, o clima característico da região e outros fatores ambientais que possam
interferir no desempenho dos sistemas fotovoltaicos. Além de mensurar os benefícios
econômicos, sociais e ambientais advindos da aplicação do modelo proposto neste
trabalho.
Neste trabalho será dimensionado um sistema fotovoltaico para um Ônibus
Sustentável, no qual será transformado em um Trailer de Conveniência da UFRA,
mostrando dessa forma a importância em desenvolver projetos com energia solar através
de diversas aplicações, onde este modelo contribui com meio ambiente, eficiência
12
energética e a sustentabilidade com reutilização de um veículo, ajudando também a
diminuição de resíduos, pois o veículo poderia virar uma sucata, porém foi dada outra
destinação ao mesmo, objeto de estudo do referido trabalho.
3. OBJETIVOS
3.1. Objetivos gerais
O objetivo deste trabalho é dimensionar e aplicar um sistema fotovoltaico para um
Ônibus Sustentável (Trailer de Conveniência) da UFRA. Além disto, analisar a eficiência
energética e o desempenho do sistema fotovoltaico instalado no mesmo.
3.2. Objetivos específicos
Calcular o consumo energético de um Ônibus Sustentável (Trailer de
Conveniência) da UFRA a partir do levantamento dos aparelhos eletrodomésticos
e eletrônicos.
Calcular o custo de implantação e manutenção dos módulos fotovoltaicos.
Identificar as principais vantagens e limitações existentes na aplicação destes
sistemas.
Analisar o custo benefício de implantação e manutenção do sistema para
microgeração de energia em um Ônibus Sustentável (Trailer de Conveniência) da
UFRA.
3.3. Escopo do trabalho
Existe uma ampla gama de aplicações para os sistemas fotovoltaicos nas mais
diversas áreas da sociedade e da ciência. Talvez a mais marcante e longeva delas tenha
sido a aplicação desses sistemas para o fornecimento de energia para satélites e missões
espaciais.
Nos dias atuais, com o avanço da tecnologia de células solares bem como o
decaimento de preços ao consumidor dos componentes desses sistemas, o alcance das
aplicações fotovoltaicas passou a atingir nichos cada vez mais distintos. Vemos, por
13
exemplo, a aplicação desses sistemas para o fornecimento de água para o consumo em
regiões carentes, bem como para o fornecimento de irrigação de campos e unidades
produtivas.
Mais recentemente, há uma nova abordagem de negócios surgindo em países da
Europa, que vem testando modelos de embarcações e carros utilitários completamente
autossuficientes em energia através da conversão fotovoltaica. É difícil prevê se tais
modelos de empreendimentos serão, de fato, bem sucedidos. Não obstante, esses sistemas
fornecem uma alternativa ambientalmente correta bem como econômica (à longo prazo)
para empreendimentos de pequeno porte e este é o principal interesse dessa pesquisa, na
medida em que se propõe a projetar um sistema fotovoltaico para a instalação integrada
à um ônibus ocioso da UFRA. Desta forma, procuramos mostrar que essa ação poderá
contribuir de forma verdadeira para um melhor aproveitamento do bem público e da
instituição como um todo.
4. ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
A energia solar fotovoltaica é obtida através da conversão direta da luz em
eletricidade (Efeito Fotovoltaico). O efeito fotovoltaico é conhecido desde 1839 quando
Edmond Becquerel o descreveu como sendo o aparecimento de uma diferença de
potencial nos extremos de uma estrutura de material semicondutor, produzida pela
absorção da luz. Mas esse efeito só começou a ser pesquisado em larga escala a partir de
1954 por cientistas da área espacial que buscavam uma forma eficiente de fornecer
energia aos equipamentos dos satélites de comunicação colocados em órbita.
As células de silício monocristalino são mais eficientes, gerando mais energia por uma
área semelhante, porém comumente são um pouco mais caras que as células de silício
policristalino. A célula monocristalino são melhores em situação de pouca luz e devem ser
preferidas em aplicações com restrição de espaço, peso e luminosidade (OLIVEIRA, 2017).
A Tabela 1 apresenta um comparativo entre os dois tipos de células fotovoltaicas de silício
cristalino.
14
TABELA 1 – Características das células fotovoltaicas de silício cristalino.
Tipo Densidade de
Potência
Célula solar fotovoltaica (a 1000 W/m²) 14 mW/ 𝑐𝑚2
Piezoeléctrica (captação de movimentos de ondas do mar)
330 𝜇W/ 𝑐𝑚3
Vibração (obtidas de um forno a microondas) 116 𝜇W/𝑐𝑚3
Termoeletricidade (ambiente a 10°C) 40 𝜇W/ 𝑐𝑚3
Ruído Acústico (100 dB) 330 𝜇W/ 𝑐𝑚3
Fonte: Adaptado de Lu et. al., 2010.
O mercado global de energia fotovoltaica (PV) em 2013 testemunhou um
crescimento maciço com 38,4 GW (acima dos 30 GW em 2012) de nova capacidade em
todo o mundo e 11 GW instalados somente na Europa. O fato mais importante de 2013 foi
o rápido desenvolvimento de energia fotovoltaica na Ásia, tanto em termos de
implantação e fabricação de energia fotovoltaica. O mercado global de energia fotovoltaica
(PV) em 2004 foi de apenas 3,7 GW, o que atingiu significativamente 139 139 GW em 2013
e os principais países em desenvolvimento são Alemanha, China, Itália, Japão, Estados
Unidos, Espanha, França, Reino Unido, Austrália e Bélgica. Quase 11 GW de capacidade
fotovoltaica foram conectados à rede na Europa em 2013, comparado a 17,7 GW em 2012
e mais de 22,4 GW em 2011. Pela primeira vez desde 2003, a Europa perdeu a liderança
para a Ásia em termos de novas instalações. Como mostrado na Figura 1, a China foi o
principal mercado em 2013, com 12,9 GW, dos quais 500 MW representam sistemas fora
da rede. A China foi seguida pelo Japão com 6,9 GW e os EUA com 4,8 GW. A Alemanha foi
o principal mercado europeu com 3,3 GW. Vários outros europeus excederam a marca de
um GW: o Reino Unido (1,5 GW) e a Itália (1,5 GW).
15
FIGURA 1 – Capacidade instalada acumulando valores de 2012 com os incrementos de 2013.
Fonte: Mohanty et. al., (2016).
A utilização de sistemas fotovoltaicos tem crescido e a cada dia novas aplicações
vem sendo utilizada em diversos projetos, no qual vão desde residências a grandes
empreendimentos como usinas solares e a projeção no uso dos painéis solares na geração
de energia elétrica em larga escala tende a expandir vertiginosamente no Brasil e no
mundo, com a popularização e o baixo custo de manutenção. Além dos benefícios
econômicos atrelados ao investimento a energia solar, há os benefícios ao meio ambiente,
por ser uma tecnologia limpa, sustentável e com baixos impactos ambientais.
O Relatório Especial sobre Fontes Renováveis de Energia e Mitigação da Mudança
Climática, publicado pelo IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change), agregou a
energia solar direta em cinco grandes blocos:
1) solar passiva, onde se insere a arquitetura bioclimática;
2) solar ativa, onde se inserem o aquecimento e a refrigeração solares;
3) solar fotovoltaica, para produção de energia elétrica com e sem concentradores;
4) a geração de energia elétrica a partir de concentradores solares térmicos para
altas temperaturas e;
5) um processo inspirado na fotossíntese através do qual, em um reator
alimentado por dióxido de carbono (CO2), água e metal ou óxido metálico, exposto à
16
radiação solar, produz-se hidrogênio, oxigênio e monóxido de carbono (Pinho & Galdino,
2014).
O aumento acelerado da demanda de energia elétrica em todo o mundo, a
necessidade de diminuir a dependência de combustíveis fósseis e a preferência por fontes
de energia que não poluem têm levado à busca de novas fontes de energia para a geração
de eletricidade (Villalva & Gazoli, 2012).
No caso específico da energia solar, são conhecidas basicamente três formas de
captação e conversão, quais sejam: química, elétrica e térmica. Abordando os temas de
captação e conversão, alternativas de aproveitamento da energia solar- Energia solar
fototérmica, Células solares fotovoltaicas, Sistemas fotovoltaicos.
A evolução tecnológica levou o homem a um consumo cada vez maior de energia
em todas as formas disponíveis, com notável crescimento do consumo de combustíveis
fósseis, definindo uma matriz energética mundial amplamente baseada no petróleo.
Frente às previsões de exaustão das fontes de energia baseadas no petróleo, a ciência se
volta para a natureza tentando aproveitar os recursos disponíveis, que são abundantes,
limpos e renováveis.
A dependência geográfica e política das nações não produtoras de petróleo
daquelas ricas na ocorrência de bacias petrolíferas e as consequências de sua utilização
para o meio ambiente forçou a busca por fontes de energia renovável, com custo
potencialmente mais baixo a médio e longo prazo, custo esse aferido por critérios
econômicos, sociais e ambientais.
4.1. Radiação solar ou Irradiação Solar
O sol irradia em todas as regiões do espectro, de ondas de rádio a gama raios.
Nossos olhos são sensíveis a menos de uma oitava disso, de 400 a 750 THz (750 a 400
nm), uma região conhecida, por razões óbvias, como visível. Embora estreito, contém
cerca de 45% de toda a energia irradiada. À distância de uma unidade astronômica, a
densidade de potência da radiação solar é de cerca de 1360 W m-2, um valor chamado
constante solar, que não é realmente constante. Varia um pouco ao longo do ano, sendo
maior em janeiro quando a Terra está mais próxima do sol (Da ROSA, 2013). Algumas
características gerais desse astro são as seguintes:
O Sol dista em média cerca de 150.000.000 km da Terra.
17
As radiações emitidas pelo Sol atingem a camada externa da atmosfera terrestre
com intensidade que depende da distância Sol-Terra.
A intensidade média da radiação solar (irradiância) que chega ao topo da
atmosfera é conhecida como “constante solar” e vale 𝐺0 = 1366 𝑊/𝑚².
Componentes da radiação solar: direta, difusa e devida ao albedo (figura 2):
Radiação global (ou horizontal) – com as componentes direta e difusa, recebida em
uma superfície plana horizontal.
Radiação total (ou inclinada) – com as componentes direta, difusa e de albedo,
recebida em uma superfície plana com inclinação qualquer.
FIGURA 2 – Principais formas de radiação que são produzidas pela dissipação da atmosfera e estruturas terrestres.
Fonte: Adaptado de Chase (2018).
4.2. Módulo fotovoltaico
A célula fotovoltaica é o dispositivo fotovoltaico básico. Uma célula sozinha produz
pouca eletricidade, então várias células são agrupadas para produzir painéis, placas ou
módulos fotovoltaicos. Os termos módulos, placa ou painel têm o mesmo significado e são
usados indistintamente na literatura para descrever um conjunto empacotado de células
fotovoltaicas disponíveis comercialmente. Um módulo fotovoltaico é constituído de um
conjunto de células montadas sobre uma estrutura rígida e conectadas eletricamente.
18
Normalmente as células são conectadas em série para produzir tensões maiores
(VILLALVA e GAZOLI, 2012).
Para Burdick & Schmidt (2017), um módulo fotovoltaico (figura 3) padrão é pouco
mais que uma estrutura metálica ao redor de um sanduíche feito de um material rígido de
apoio, camadas finas de células solares de silício, uma folha de ligação transparente e uma
tampo de vidro temperado. Cada célula mede tipicamente cerca de 10 a 15 cm quadrados
e um módulo de tamanho normal geralmente contém 60 ou 72 células interconectadas
dispostos em um padrão de grade. As células são mais comumente feitas de silício
cristalino (c-Si), um material semicondutor capaz de produzir cerca de 0,5 volt de
eletricidade.
FIGURA 3 – Estrutura anatômica de um módulo fotovoltaico padrão.
Fonte: Burdick & Schmidt (2017).
As principais características elétricas no qual desempenham melhor a
funcionalidade dos módulos são (CHASE, 2018) (veja a figura 4):
Condições padrões de teste (STC – Standard Test Conditions): é o conjunto de
critérios em que um módulo fotovoltaico é testado. Todos os módulos fotovoltaicos
são testados nas mesmas condições de teste padrão. Isto inclui a temperatura de
célula em 25 ºC, irradiância solar em 1000 W/m2 e densidade atmosférica em 1,5
(AM – Air Mass);
Condições normais de operação (NOCT – Normal Operating Cell Temperature): é
19
mais realista que o STC, pois representa as condições reais de operação para o
módulo fotovoltaico. Em vez de 1000 W/m2, o NOCT considera 800 W/m2,
situação mais próxima de um dia de sol com nuvens esparsas. Também considera
a temperatura ambiente em 20 ºC e não a temperatura de célula.
FIGURA 4 - Especificações da potência nominal de módulos fotovoltaicos
Fonte: Adaptado de (MARANHÃO, 2015).
Tensão de circuito aberto (VOC – Open Circuit Voltage): é o valor de saída em volts
(V) de um módulo fotovoltaico quando não está conectado a uma carga. Estará
produzindo tensão sem corrente (usar um voltímetro para obter um valor próximo
de VOC);
Corrente de curto circuito (ISC – Short Circuit Current): é o valor de saída em
amperes (A) de um módulo fotovoltaico quando não está conectado a uma carga,
mas sim quando houver uma ligação entre o positivo e o negativo do módulo (usar
um amperímetro para obter um valor próximo de VOC);
Tensão em máxima potência (VMP – Maximum Power Voltage): é o valor de saída
em volts (V) de um módulo fotovoltaico quando está conectado a uma carga;
Corrente em máxima potência (IMP – Maximum Power Current): é o valor de saída
em amperes (A) de um módulo fotovoltaico quando está conectado a uma carga;
Ponto de máxima potência (PMP – Maximum Power Point): é o valor de saída da
maior potência de um módulo fotovoltaico quando está conectado a uma carga,
cujo ponto está localizado no “joelho” da curva. O PMP é a combinação da tensão e
corrente que resultam em maior potência (PMP = VMP x IMP).
20
Outro fator importante dos módulos fotovoltaicos são suas disposições ou
associações. De acordo com Pinho e Galdino (2014) eles podem ser dispostos:
Associações de células e módulos fotovoltaicos
Dispositivos fotovoltaicos podem ser associados em série e/ou em paralelo, de forma
a se obter os níveis de corrente e tensão desejados. Tais dispositivos podem ser células,
módulos ou arranjos fotovoltaicos. Os arranjos são constituídos por um conjunto de
módulos associados eletricamente em série e/ou paralelo, de forma a fornecer uma saída
única de tensão e corrente.
Associação em série
Na conexão em série, o terminal positivo de um dispositivo fotovoltaico é
conectado ao terminal negativo do outro dispositivo, e assim por diante. Para dispositivos
idênticos e submetidos à mesma irradiância, quando a ligação é em série, as tensões são
somadas e a corrente elétrica não é afetada, ou seja:
𝑉 = 𝑉1 + 𝑉2 + … + 𝑉𝑛 = ∑ 𝑉𝑖
𝑛
𝑖=1
𝐼 = 𝐼1 = 𝐼2 = … = 𝐼𝑖
Este resultado está ilustrado na Figura 3.16(a), por meio da característica I-V. Se
os dispositivos são idênticos e encontram-se sob as mesmas condições de irradiância e
temperatura, então, as correntes elétricas individuais são iguais. No caso de se associarem
os dispositivos em série com diferentes correntes de curto-circuito, a corrente elétrica da
associação será limitada pela menor corrente. Entretanto, a associação de módulos de
correntes diferentes não é recomendada na prática, pois pode causar superaquecimento.
21
FIGURA 5 – Curvas características para o arranjo das células em série.
Fonte: Pinho & Galdino (2014).
Associação em paralelo
Na associação em paralelo, os terminais positivos dos dispositivos são interligados
entre si, assim como os terminais negativos. A Figura 3.16 (b) ilustra o resultado da soma
das correntes elétricas em células ideais conectadas em paralelo. As correntes elétricas
são somadas, permanecendo inalterada a tensão. Ou seja:
𝐼 = 𝐼1 + 𝐼2 + . . . + 𝐼𝑛 = ∑ 𝐼𝑖
𝑛
𝑖=1
𝑉 = 𝑉2 = 𝑉2 = . . . = 𝑉𝑛
FIGURA 6 – Curvas características para o arranjo das células em paralelo.
Fonte: Pinho & Galdino (2014).
22
FIGURA 7 – Exemplo de arranjo série-paralelo de módulos fotovoltaicos.
Fonte: Burdick & Schmidt (2017).
Uma vez projetados, a disposição dos módulos deve ter a forma mais ou menos
parecida com a da figura 7. Cada uma dessas duas séries mostra módulos conectados
juntos em série (leads positivos a negativos). As duas séries são então conectados juntas
em paralelo (positivo a positivo potenciais e negativos para negativos).
4.3. Classes de sistemas fotovoltaicos
Dependendo da aplicação, os sistemas fotovoltaicos podem ser classificados como
on-grid (ou conectado à rede) e off-grid (isolado). Na maioria dos sistemas fotovoltaicos
seja ele isolado ou conectado à rede, equipamentos básicos são necessários e
desempenham funções cruciais para a operação adequada de cada um. Nas próximas
linhas procuraremos dar um panorama geral das características de cada sistema bem
como de cada equipamento que o compõe.
4.3.1. Sistema Fotovoltaico Conectado à Rede (SFCR)
Estes sistemas utilizam grande número de painéis fotovoltaicos e não utilizam
armazenamento de energia, pois toda a geração é entregue diretamente na rede. Tais
sistemas representam uma fonte complementar ao sistema elétrico de grande porte ao
23
qual está conectada. Todo o arranjo é conectado em inversores e logo em seguida ligado
diretamente na rede. Estes inversores devem satisfazer as exigências de qualidade e
segurança da concessionária do serviço para que a rede não seja afetada. Os sistemas
fotovoltaicos ligados à rede estão sempre conectados à concessionária de energia elétrica
e não possuem meios para armazenar energia no local. Uma linha do sistema inversor é
mostrada na figura 8.
O principal objetivo do sistema conectado à rede é produzir energia para consumo
próprio, reduzindo ou eliminando a dependência da energia elétrica da rede pública ou
vender o excedente de energia a concessionária.
FIGURA 8 – Exemplo de arranjo de um sistema fotovoltaico conectado à rede (SFCR).
Fonte: Burdick & Schmidt (2017).
Segundo (VILLALVA e GAZZOLI, 2012), os sistemas fotovoltaicos conectados à rede
podem ser centralizados, constituindo usinas de geração de energia elétrica ou micro e
minissistemas descentralizados de geração distribuída instalados em qualquer tipo de
consumidor. Os sistemas fotovoltaicos conectados à rede elétrica podem ser classificados
em três categorias, de acordo com seu tamanho, segundo as definições utilizadas pela
Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL). São elas:
24
Microgeração: potência instalada até 75 kW;
Minigeração: potência instalada entre 75 kW e 5 MW;
Usina de eletricidade: potência acima de 5 MW.
4.3.2. Sistema Fotovoltaico Isolado (SFI)
Sistemas isolados, por sua própria concepção original, necessitam de alguma
forma de armazenamento da energia coletada e convertida. Uma primeira forma de
armazenamento é um conjunto de baterias utilizado para o abastecimento de aparelhos
elétricos nos períodos noturnos ou de alta nebulosidade. Outra maneira interessante de
armazenamento dessa energia é na forma de energia gravitacional, porém existem
exceções, visto que existem alguns sistemas isolados não necessitam de armazenamento,
como por exemplo, sistemas de irrigação em que toda água bombeada é diretamente
consumida.
Em termos de equipamento, vamos analisar os elementos básicos de um sistema
fotovoltaico fora da rede uma vez que existe componentes adicionais além daqueles
necessários para uma rede ligada sistema.
Desligamento rápido: sistemas fora da rede usam inversores de string (não micro
inversores), o que significa que eles precisam de um sistema dedicado para atender aos
requisitos de desligamento rápido. Isso geralmente assume a forma de um interruptor de
controle de desligamento rápido que se comunica com um desconectar a caixa
combinadora na matriz, como em um sistema padrão de inversor de linha com grade.
Controlador de carga e baterias: em um sistema fora da rede, a energia CC gerada
por energia solar do conjunto passa por um controlador de carga a caminho das baterias.
O controlador de carga regula o fluxo de energia e diminui a tensão para o nível adequado
para o projeto do banco de baterias. O controlador de carga é essencial para um
carregamento seguro e para a saúde da bateria. Acende quando a tensão da bateria está
baixa e o banco de bateria precisa ser cobrado. Apaga quando a voltagem da bateria está
alta e as baterias estão totalmente carregadas.
Inversor CC - CA: A energia CC armazenada nas baterias funciona através de um
inversor para ser convertido em energia CA para uso no sistema elétrico doméstico.
Lembrando que inversores para sistemas fora da rede são chamados de inversores
independentes, enquanto os sistemas de rede são chamados de "inversores de ligação à
25
rede". Convencionalmente, microinversores não são usados para sistemas fora da rede,
porque as baterias vão requerer energia CC, e os microinversores são convertidos em CA
no módulo. No entanto, existem sistemas acoplados a CA que os utilizam (em uma
configuração às vezes chamada de “micro-rede”), mas isso implica em problemas para a
maioria dos sistemas residenciais.
FIGURA 9 - Diagrama de sistemas fotovoltaicos isolados comumente organizados em um sistema residencial.
Fonte: Burdick & Schmidt (2017).
GERADOR: Locais para os quais não há disposição da rede convencional, que
dependem da energia solar, quase sempre precisam de um gerador para energia de
segurança quando o armazenamento da bateria está em níveis baixos e/ou o sol não está
brilhando.
Banco de baterias: Os bancos de baterias são normalmente conectados por baterias
de 12, 24 ou 48 volts. Lembrando que quando a fiação dos módulos ou baterias estão em
série, as tensões aumentam. Uma sequência de séries de oito baterias de 6 volts (ou quatro
baterias de 12 volts) tem uma potência nominal tensão de 48 volts. Este é o valor nominal
26
mais comumente usados tensão para sistemas fotovoltaicos residenciais fora da rede.
FIGURA 10 – Esquema representativo da configuração de um sistema fotovoltaico isolado.
Fonte: Burdick & Schmidt (2017).
De forma geral, as disposições desses equipamentos devem seguir, dependendo do
projeto, a estrutura geral de conexão mostrada na figura 10. Percebe-se por essa figura o
papel crucial que o controlador de carga desempenha na manutenção da saúde do banco
de baterias e do sistema como um todo.
4.3.3. Sistemas híbridos
Sistemas híbridos são aqueles que, desconectados da rede convencional,
apresentam várias fontes de geração de energia como, por exemplo: turbinas eólicas,
geração diesel, módulos fotovoltaicos entre outras. Nos sistemas híbridos o que temos é
uma conexão de vários sistemas diferentes de geração de energia, que busca otimizar o
fornecimento pelo aproveitamento racional da melhor situação para cada sistema
interligado para isso há a necessidade de um bom sistema de controle dessas fontes.
Em geral, os sistemas híbridos são empregados para instalações de médio a grande
porte visando atender um número maior de usuários. Por trabalhar com cargas de
27
corrente contínua, o sistema híbrido também apresenta um inversor. Naturalmente,
podemos nos deparar com uma grande complexidade de arranjos e opções de instalações.
Com isso será preciso realizar estudos complexos a respeito do usuário final para que se
defina a melhor situação de trabalho dos diversos sistemas de geração de energia.
5. Possíveis impactos ambientais
Como impacto ambiental pode-se entender qualquer alteração das características
do sistema ambiental, seja esta física, química, biológica, social ou econômica, causada por
ações antrópicas, as quais possam afetar direta ou indiretamente o comportamento de
parâmetros que compõem os meios físico, biótico e/ou socioeconômico do sistema
ambiental na sua área de influência. (FILHO et. al., 2019).
Na maioria dos casos os impactos ambientais negativos sobre a sociedade e o meio
ambiente provocados pelas tecnologias fotovoltaicas geralmente está relacionada à
própria cadeia produtiva dos equipamentos (principalmente as células solares). Por
exemplo, como menciona Neff (1981), o estágio final na fabricação de células é a aplicação
de um condutor de metal fino para permitir a extração de energia elétrica em uso. Isso é
considerado por aqueles envolvidos em pesquisa fotovoltaica como potencialmente uma
das etapas de produção mais perigosas, envolvendo a presença de vapores de metais
pesados ou organometálicos e o uso de outras substâncias perigosas, como cianetos.
Esforços estão sendo feitos desenvolver métodos de metalização que permitam o
isolamento dos trabalhadores nesta fase.
Contudo, tratando-se de um projeto com minigeração de energia solar, os impactos
ambientais são mínimos, porém ressalta-se que os impactos que alteram o meio ambiente
ocorrem na produção dos painéis fotovoltaicos. Ainda assim, de maneira geral, os
impactos negativos gerados pelos sistemas fotovoltaicos são menores comparados com
os impactos positivos e os benefícios advindos da implantação dos mesmos. Podemos
destacar de acordo com (FILHO et al., 2019):
Aumento da eficiência dos equipamentos - A maior aplicabilidade de sistemas
fotovoltaicos tende a aumentar os investimentos em projetos de Pesquisa &
Desenvolvimento & Inovação o que, por consequência, exigiria maiores níveis de
eficiência dos equipamentos componentes destes sistemas, no intuito de incrementar sua
28
viabilidade técnica e econômica, contribuindo assim para o desenvolvimento da curva de
aprendizado desta tecnologia.
Aproveitamento de fonte de energia - Haverá um aproveitamento de potencial de
uma fonte limpa e gratuita, disponível na natureza, extraindo-se de sua análise de
viabilidade econômico-financeira os custos de obtenção de combustível de geração
convencional.
Melhoria na segurança, confiabilidade e oferta de energia elétrica - A produção de
energia por meio de fonte renovável é de considerável importância para suprir o setor
energético durante períodos de baixa capacidade de produção das usinas hidroelétricas
que, pelo Sistema Interligado Nacional, forneça energia para a região de implantação. A
descentralização no fornecimento de energia elétrica pode configurar menor
dependência das fontes convencionais, aumentando a confiabilidade e, por conseguinte,
melhorando a oferta de energia local.
5.1. Ganhos sociais, ambientais e econômicos com os Sistemas Fotovoltaicos
A economia é crucial para o sucesso de qualquer sistema de utilização de energia,
e conversores fotovoltaicos não são exceção. Atualmente, o desenvolvimento de tais
conversores está na fase em que os preços ainda estão caindo rapidamente. No entanto, é
difícil comparar a energia fotovoltaica com outros sistemas apenas com base no custo do
investimento. Embora a energia fotovoltaica tenha baixa custo operacional, como não
consomem combustível, seu pico de potência pode ser apenas realizado em um dia claro,
com o conversor voltado para o sol. Devido à intermitência da luz solar, sistemas de
armazenamento ou geradores de energia em espera são frequentemente necessários,
aumentando substancialmente os custos de investimento. Exceções incluem energia
fotovoltaica usada para fornecer pico cargas que coincidem com períodos de insolação
máxima. Além disso, a energia fotovoltaica usada diretamente em sistemas de irrigação,
não precisa de provisões de armazenamento (Da ROSA, 2013).
A inserção da energia fotovoltaica nos últimos anos foi baseada em diferentes
modelos de negócios e esquemas regulatórios, majoritariamente apoiados por medidas
de incentivos (em 2013, estima-se que tenham sido destinados US$ 45 bilhões em
subsídios à geração fotovoltaica (IEA, 2014). Entre os esquemas, destacam-se:
29
Tarifa prêmio: Consiste na compra da energia gerada por um valor fixo por kWh
(geralmente superior às tarifas das distribuidoras), através de contratos de longo
prazo (15 a 20 anos).
Subsídios diretos: Consiste em conceder um benefício monetário direto (ou
abatimento de um imposto, por exemplo) ao consumidor que tiver um projeto
qualificado para instalação. Esta alternativa busca reduzir os altos custos iniciais
de aquisição dos sistemas.
Leilões: modelo de compra de energia com contratos de longo prazo, firmados
após processo de leilão com preço regressivo. Geralmente, envolve projetos de
grande porte.
Net metering: esse modelo permite, basicamente, que a geração fotovoltaica seja
utilizada para compensar o consumo de eletricidade da unidade onde o sistema
está instalado, reduzindo sua fatura.
Cotas: Instrumento que obriga as distribuidoras a comprarem determinado
patamar de geração elétrica a partir de fontes renováveis.
6. METODOLOGIA
A área de estudo do Projeto será na Universidade Federal Rural da Amazônia
(UFRA)-Campus Belém, localizada na cidade de Belém, no estado do Pará, com clima
equatorial a uma latitude 1"27’34.4S sul e longitude 48"26’03.1”W oeste, mais
especificamente um Ônibus no qual será transformado em um Trailer de Conveniência
com uso de painéis fotovoltaicos da referida Instituição de Ensino, uma abordagem
baseada no tripé da Sustentabilidade (Econômica, Social e Ambiental), através do uso de
Energias Renováveis (Energia Solar Fotovoltaica) com foco em:
Pesquisa de Dados: Buscar informações teóricas a respeito da geração,
implantação, utilização e manutenção de módulos fotovoltaicos em Trailers
(Ônibus).
Medir as dimensões do ônibus, em especial da área útil do teto;
Realizar o levantamento das cargas que deverão ser supridas pelo SFV;
Calcular a potência inicial do SFV a ser instalado no ônibus;
Realizar o levantamento do potencial ambiental para uso da radiação solar;
Iniciar o dimensionamento.
30
FIGURA 11 – Ônibus de circulação de alunos ocioso estacionado no campus da UFRA.
Fonte: Autor.
FIGURA 12 – Resultado da consulta ao sistema Sundata/CRESESB sobre a média diária de irradiação solar no plano horizontal em Belém, para a área mais próxima (4,9 km) do prédio da Engenharia Ambiental/UFRA.
Fonte: Autor.
Será aplicado um sistema misto no Ônibus (figura 11), no qual compreende o
Sistema Fotovoltaico Conectado à Rede (SFCR) e o Sistema Fotovoltaico Isolado (SFI),
onde o objetivo de ter os dois sistemas fotovoltaicos, será reduzir a dependência de
consumo de energia elétrica da rede pública. Dentro da classificação de geração energia
pelo sistema conectado à rede de acordo com (ANEEL) o projeto se enquadra na categoria
31
de Minigeração: potência instalada entre 75 kW e 5 MW. Nesse caso, a potência requerida
será de 5,7 kWp. As dimensões do ônibus são: 2,55m Largura por 9,75m Comprimento.
O HSP (Horas de Sol Pico) é o meio dia solar, ou seja, são as horas de sol a 1000
W/m2 antes e depois do meio dia horário. Por exemplo, em Agosto o HSP máximo para
Belém foi de 5,38 kWh/m2dia-1, logo neste mês a média diária foi de 5,38 horas de sol a
pico (1000 W/m2), entre às 9:00hs e às 15:00hs. O mês de Fevereiro tem o menor HSP
(4,40 kWh/m2dia-1), com 4,40 horas de sol a pico por dia, entre às 10:00hs da manhã e às
14:00hs da tarde. A média anual do HSP para esta área é de 4,86 kWh/m2dia-1, como visto
na figura 12.
De forma geral, existem procedimentos metodológicos bem definidos para o
dimensionamento de sistemas solares sejam eles conectados à rede ou isolados. Neste
trabalho, o fluxograma de passos para o dimensionamento do sistema isolado deverá
seguir a rota representada no diagrama da tabela 2 (CHASE, 2018).
TABELA 2– Metodologia de dimensionamento do sistema fotovoltaico Off-Grid
1
Carga 𝐿 = (𝐿𝑐𝑐
𝜂𝑏𝑎𝑡) + (
𝐿𝑐𝑎
𝜂𝑖𝑛𝑣) Consumo
2
Capacidade 𝐶𝐵∗ =𝐿 × 𝑁
𝑃𝑑,𝑚𝑎𝑥
Armazenamento Tamanho 𝐶𝐵 =
𝐶𝐵∗
𝑉
Profundidade descarga/dia
𝑃𝐷 =𝐿
𝐶𝐵∗× 100
3
Potência de Pico 𝑃𝐹𝑉 = 1,25 ∙𝐿
𝐻𝑆𝑃𝛽 Geração
Fonte: Autor. Elaborado a partir de Chase (2018).
A modelagem do sistema autônomo se dará apenas para os equipamentos de
condicionamento de temperaturas. Isto é, a geladeira e o freezer do estabelecimento. É
claro que não faria qualquer sentido projetar um sistema autônomo completo para toda a
32
demanda energética do empreendimento dado que o mesmo já contará com a rede
elétrica a sua disposição (está funcionando como uma grande bateria). Dessa forma, o
projeto do sistema autônomo configura-se mais como um meio de segurança operacional
para o funcionamento do trailer sem que qualquer recurso perecível se perca. O sistema
deverá ter autonomia máxima de 2 dias.
6.1. Dimensionamento do Sistema Fotovoltaico (SFCR)
O primeiro passo na elaboração de qualquer projeto no âmbito da energia solar
fotovoltaica é a elaboração detalhada da ficha de consumo do local a ser atendido pelo
projeto. Em outras palavras, trata-se de um relatório preciso dos hábitos de consumo dos
mais diversos aparelhos eletroeletrônicos que compõe o local. Isso se faz necessário para
que o projetista tenha em mãos os parâmetros de projeto para o qual o sistema deve ser
construído.
TABELA 3 – Dimensionamento do sistema fotovoltaico conectado à rede(SFCR).
Cantina (mês comercial equivale a 23 dias)
Equipamentos Qtd. de Equip. Uso
(h/dia) Potência
(W) Consumo (Wh/dia)
Freezer 1 24 (x 1/3) 257 2056
Ar condicionado 1 8 2340 18720
Estufa 1 6 150 900
Impressora (Xerox) 1 2 400 800
Micro-ondas 1 0,25 1150 287,5
Sanduicheira 1 0,16 750 120
Geladeira 1 24 (x 1/2) 250 3000
Lâmpadas 4 2 30 240
Impressora 1 2 50 100
Computadores 1 6 180 1080
Exaustor 1 1 100 100
TOTAL 5657 27403,5
TOTAL (kWh/dia) 27,5
TOTAL (kWh/mês) (23 dias mês) 632,5
TOTAL (kWh/mês) (30 dias mês) 825
Fonte: Autor.
33
Este aspecto do projeto é de primeira importância porque nos fornece as
dimensões que o sistema deve ter. Isso tem consequências tanto estruturais quanto
econômicas no momento da construção e operação de qualquer sistema.
No presente caso, nós elaboramos a ficha de consumo para o trailer com base nos
equipamentos que comumente são usados nesse tipo de empreendimento. Também
relatamos seus períodos de consumo com base na troca de informações de
estabelecimentos que por anos já funcionam na universidade nesse modelo de negócio. A
tabela 3 sintetiza as principais contribuições previstas no consumo e servirá de base para
o dimensionamento de ambos os sistemas (off e on-grid).
6.2. Dimensionamento do Sistema Fotovoltaico ON GRID (conectado à rede)
Para fazer o dimensionamento do Sistema Fotovoltaico Conectado à Rede (SFCR),
usa-se o HSP médio. Nesse caso, a média do HSP é de 4,86 horas considerando a localidade
de Belém.
Cálculo da potência do sistema fotovoltaico (PFV) que irá suprir o consumo
diário:
𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑑𝑖á𝑟𝑖𝑜 (𝑘𝑊ℎ) =𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑚𝑒𝑛𝑠𝑎𝑙 (𝑘𝑊ℎ)
30=
825
30
𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑑𝑖á𝑟𝑖𝑜 = 𝐿 = 27,5 𝑘𝑊ℎ
𝑃𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝐹𝑉 = 1,25 × 𝐿
HSP̅̅ ̅̅�̅�
=27,5
4,86 × 1,25
𝑃𝐹𝑉 = 7,07 𝑘𝑊𝑝 = 7070 𝑊𝑝
Sendo, 𝑃𝐹𝑉 a potência do módulo fotovoltaico, em Wp, (HSP̅̅ ̅̅�̅�) como o valor médio
diário de irradiação no plano horizontal, em kWh/m²dia; Para se determinar o número
de módulos que mais se adeque ao sistema utiliza-se a seguinte equação:
34
𝑁𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜𝑠 =𝑃𝐹𝑉
𝑃𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜
𝑁𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜𝑠 =7070 𝑊𝑝
350 𝑊
𝑁𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜𝑠 = 20,2~21
Dimensionamento do inversor de frequência
Usando a relação do fator de dimensionamento do inversor podemos calcular a quantidade
de energia em que o inversor deverá funcionar e, por conseguinte, selecionar o inversor
adequado no catálogo dos fornecedores.
𝐹𝐷𝐼 =𝑃𝑁𝐶𝐴|𝑖𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜𝑟
𝑃𝐹𝑉
Sendo 𝑃𝑁𝐶𝐴|𝑖𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜𝑟 a potência nominal em corrente alternada do inversor e
𝑃𝑃𝑖𝑐𝑜|𝑝𝑎𝑖𝑛𝑒𝑙 é potência de pico do painel fotovoltaico.
Onde o 𝐹𝐷𝐼 (fator de dimensionamento) representa uma métrica bastante
celebrada entre fabricantes e instaladores que diz respeito a relação de custo benefício de
um dado inversor. O 𝐹𝐷𝐼 depende tanto da tecnologia do módulo, inclinação e tipo de
inversor. Valores sugeridos estão na faixa de 0,85 − 1,05. Usamos aqui 0,9. Sendo assim,
𝑃𝑁𝐶𝐴|𝑖𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜𝑟 = 𝑃𝐹𝑉 ∙ 𝐹𝐷𝐼
𝑃𝑁𝐶𝐴|𝑖𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜𝑟 = 6365,7 𝑊~ 6500 𝑊
No sistema on-grid não há a necessidade do controlador de carga uma vez que a
rede elétrica funciona como a bateria (por assim dizer) do sistema. No sistema off-grid
porém, eles são de extrema importância pois quando o nível de irradiação está baixo, o
nível de tensão do sistema fotovoltaico será menor do que o do banco de baterias fazendo
com que estas se descarreguem no SFV e para evitar isso os controladores possuem
diodos de bloqueio integrados.
35
6.3. Dimensionamento do Sistema Fotovoltaico Off Grid (Isolado)
Projetar sistemas fotovoltaicos fora da rede é um pouco mais complexo do que
para sistemas ligados à rede, mas provavelmente é mais simples do que se pensa. Os dois
tipos de sistema têm muito em comum e, para começar, as três principais coisas que são
adicionadas fora da rede são: baterias, controlador de carga e gerador - existem duas
coisas com as quais o projetista não precisa se preocupar: medidores e as contas de
serviços públicos. Com as semelhanças em mente, pode-se ter um entendimento completo
do design, fundamentos e processos discutidos neste trabalho como base para projetar
sistemas Off-Grid.
Assim como já comentamos em linhas anteriores, o dimensionamento de um
sistema Off-Grid começa com um exame cuidadoso da demanda elétrica - as cargas
elétricas diárias. O balancete pode ser encontrado na mesma tabela 3 da qual extraímos
apenas os dados para o freezer e geladeira.
6.3.1. Observações sobre o Dimensionamento do Banco de Baterias
Existem muitos tipos, tamanhos, preços, características e comportamentos das
baterias bem como inúmeras experiências e opiniões na academia e na indústria, sem
mencionar o fato de que as mesmas baterias costumam ter desempenho diferente para
diferentes sistemas fotovoltaicos, temperaturas e condições de carga elétrica. A realidade
é que as baterias duram cerca de 5 a 8 anos em média. Uma regra universal é usar apenas
baterias de ciclo profundo, que são projetados para descargas profundas regulares de um
sistema fotovoltaico. Não obstante, baterias iniciantes, como baterias de carro, são
projetadas para rajadas de descarga rápidas para dar partida no motor, seguidas por
recarga imediata enquanto o motor estiver em funcionamento. A descarga profunda de
um ciclo de recarga fotovoltaica destruiria rapidamente uma bateria de carro (BURDICK
& SCHMIDT, 2017).
O ciclo de vida útil, portanto, é uma estimativa de como muitas vezes uma bateria
pode completar ciclos únicos de descarga e recarga. Sob condições normais, baterias em
sistemas Off-Grid completam um ciclo por dia. Classificações da vida útil do ciclo profundo
36
as baterias podem variar de cerca de 500 a cerca de 3.000 ciclos. As baterias Deepcycle1
duram mais se descarregadas não mais que 50% 80% a cada ciclo, dependendo do tipo de
bateria. As baterias de Chumbo ácido devem ser descarregadas para 50%, enquanto de
níquel-ferro (Ni-Fe) podem tolerar até 80% de descarga. Nenhuma bateria deve ser
descarregada mais de 80%, o que reduz significativamente sua vida útil. Observar,
portanto, a profundidade de descarga recomendada pelo fabricante (DOD) ao comparar a
vida útil e a capacidade da bateria é essencial no momento da elaboração do projeto.
Com essas considerações apresentadas, passamos então ao dimensionamento do
sistema autônomo para o trailer. Segue abaixo as equações utilizadas:
Para calcular a energia ativa necessária diariamente leva-se em conta o tipo de
carga do sistema em corrente alternada e em corrente contínua (quando este estiver
presente) bem como a eficiência dos equipamentos que integram o sistema de
armazenagem e condicionamento da energia fornecida. A equação a baixo nos dá uma
forma de calcular a carga consumida total.
𝐿 = (𝐿𝑐𝑐
𝜂𝑏𝑎𝑡) + (
𝐿𝑐𝑎
𝜂𝑖𝑛𝑣)
Sendo,
𝐿 (Wh/dia): Quantidade de energia consumida ao dia;
𝐿𝑐𝑐 (Wh/dia): Quantidade de energia consumida diariamente em CC;
𝐿𝑐𝑎 (Wh/dia): Quantidade de energia consumida diariamente em CA;
𝜂𝑏𝑎𝑡 (%): eficiência global da bateria (média de 86%);
𝜂𝑖𝑛𝑣 (%): eficiência do Inversor (média de 75%).
Dimensionamento Freezer e geladeira
1 Uma bateria de ciclo profundo é uma bateria projetada para ser regularmente descarregada profundamente usando a maior parte de sua capacidade. O termo é tradicionalmente usado principalmente para baterias de chumbo-ácido no mesmo fator de forma que baterias automotivas; e contrastou com as baterias automotivas de partida ou de partida projetadas para fornecer apenas uma pequena parte de sua capacidade em uma explosão curta e de alta corrente para dar partida no motor.
37
Como vamos considerar as configurações do freezer e da geladeira funcionando
apenas em corrente alternada, 𝐿𝑐𝑐 = 0, a carga total consumida em 2 dias de ambos deve
ser2,
𝐿 = (𝐿𝑐𝑎
𝜂𝑖𝑛𝑣) =
5056 𝑊𝑝
0,75
= 6741 𝑊ℎ/𝑑𝑖𝑎
Potência de pico SFV
𝑃𝐹𝑉 = 1,25 ∙𝐿
HSP𝛽
𝑃𝐹𝑉 (Wp): Potência dos módulos fotovoltaicos;
HSP𝛽: Horas de Sol Pico do menor mês (mês crítico);
𝐿 (Wh/dia): Quantidade de energia consumida ao dia;
1,25: Fator de segurança (em termos de autonomia sem geração);
𝑃𝐹𝑉 = 1,25 ∙6741
4,82= 1398,5 𝑊𝑝 ~ 1,4 𝑘𝑊𝑝
Módulos fotovoltaicos
𝑁𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜𝑠 =𝑃𝐹𝑉
𝑃𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜=
1398,5
350= 4 𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜𝑠 𝑑𝑒 350 𝑊
𝑁𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜𝑠|𝑝𝑎𝑟𝑎 =1,2 ∙ 𝑉𝑠𝑖𝑠
𝑉𝑚𝑎𝑥𝑝(𝑇𝑚𝑎𝑥)
Onde 𝑉𝑚𝑎𝑥𝑝(𝑇𝑚𝑎𝑥) é a tensão máxima do sistema operando na maior temperatura
da localidade em questão. Aqui adotamos 𝑉𝑚𝑎𝑥𝑝(𝑇𝑚𝑎𝑥) = 17 𝑉. Considerando um módulo
fotovoltaico de 350 W e tensão de máxima potência de 39,2 V temos que
2 Note que aqui somamos os consumos dos dois eletrodomésticos conforme relatado na tabela 3.
38
𝑁𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜𝑠|𝑝𝑎𝑟𝑎 =1,2×39,2
17= 2,76 ~4(3)
Capacidade do banco de baterias
𝐶𝐵∗ =𝐿 × 𝑁
𝑃𝑑,𝑚𝑎𝑥
𝐿 (Wh/dia): Quantidade de energia consumida ao dia;
𝐶𝐵∗ (Wh): Capacidade da Bateria em Wh (em termos de energia necessária);
𝑁 (dias): Número de dias sem sol4 (em termos de autonomia sem geração);
𝑃𝑑,𝑚𝑎𝑥: Profundidade de Descarga Máxima (em termos de limite de consumo)
𝐶𝐵∗ =6741 × 2
0,4= 33705 Wh
Tamanho
𝐶𝐵 = 𝐶𝐵∗
𝑉
𝐶𝐵∗ (Ah): Capacidade da Bateria em Ah (em termos de tamanho a uma tensão);
𝑉(volts): Tensão da bateria (geralmente 12V, 24V ou 48V CC).
𝐶𝐵 =
𝐶𝐵∗
𝑉 =
33705
12= 𝐶𝐵 = 2808,7 Ah
Profundidade de descarga
𝑃𝐷 =𝐿
𝐶𝐵∗× 100
3 Como o arredondamento foi maior do que ½, segundo as boas práticas de projeto sugeridas no manual técnico da CRESESB, deve-se então adicionar um módulo fotovoltaico a mais. 4 Sistemas Críticos como Telecomunicações, Segurança, Estações meteorológicas, Farmácias (geladeiras), Postos de Saúde Isolados devem ter autonomias maiores. 5 a 7 dias.
39
Descarga/Dia
𝐿 (Wh/dia): Quantidade de energia consumida ao dia;
𝑃𝐷: Profundidade de Descarga Diária (em termos de limite de consumo)
𝑃𝐷 =6741
33705× 100 = 20%
O número de baterias em paralelo (supondo uma bateria de chumbo ácido de 220
Ah e 12 V) deve ser dado, por:
𝑁𝑏𝑎𝑡|𝑝𝑎𝑟𝑎 =𝐶𝐵
𝐶𝐵𝑏𝑎𝑡=
2808,7
220= 12,76 ~ 13 𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑠
Dependendo da tensão nominal do sistema (que no Brasil geralmente é de 12, 24
ou 48 V), monoblocos de baterias podem ser arranjados em séries de 1, 2 e/ou 4
respectivamente.
Seleção do controlador de carga
𝐼𝑐𝑜𝑛𝑡𝑟𝑜𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟 = 1,25 ∙ 𝑁𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜𝑠|𝑝𝑎𝑟𝑎 ∙ 𝐼𝑠𝑐
𝐼𝑐𝑜𝑛𝑡𝑟𝑜𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟 = 1,25 ∙ 4 ∙ 9,51 = 47,6 𝐴
Conforme o cálculo mostra, o sistema deverá contar com um controlador de carga
de no mínimo 48 A.
Seleção do inversor de frequência
O inversor é dos corações do sistema fotovoltaico. A boa escolha desse
equipamento deve satisfazer bons critérios econômicos e técnicos. Selecionamos o
inversor de frequência através das seguintes relações de projeto5:
5 Veja Chase (2018) & Pinho & Galdino (2014).
40
𝐹𝐷𝐼 =𝑃𝑁𝐶𝐴|𝑖𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜𝑟
𝑃𝐹𝑉
O cálculo aqui seguirá o que já foi mencionado quando do dimensionamento do
inversor para o sistema conectado à rede. Isto é,
𝑃𝑁𝐶𝐴|𝑖𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜𝑟 = 1,4 ∙ 0,9 = 1,26 ~ 1300 𝑊𝑝
Com essa métrica fecha-se o rol de informações técnicas necessária para compor o
sistema fotovoltaico isolado. No próximo tópico discutiremos as implicações econômicas
e de desempenho dos sistemas.
7. RESULTADOS E DISCUSSÕES
Nessa secção nos relataremos os principais achados da nossa pesquisa. Nós
mostramos os passos necessários que levaram ao dimensionamento do sistema off/on-
grid para o trailer proposto. Cabe ressaltar que nossa análise não se ateve ao
dimensionamento do sistema por inteiro sendo limitada a estimativa dos valores que
concernem apenas aos principais equipamentos que compõe cada sistema. É óbvio que
um sistema fotovoltaico projetado de forma completa deve levar em consideração
aspectos muito mais amplos de projetos que vão desde o projeto dos circuitos,
aterramento e itens de proteção e estruturais, mas entendemos que esses passos são
direcionados à uma abordagem da engenharia elétrica propriamente. Como um exemplo
dos acessórios que devem compor o SFCR que aqui projetamos, fornecemos os itens (que
não enceram o total de acessórios) na tabela 4.
TABELA 4 – Alguns componentes que devem fazer parte de um sistema fotovoltaico.
Equipamento Qtde
String BOX CC CC - 2/2 - ST 1
Painel 340 W POLI - RSM144-6-340P-R
21
Disjuntor CA-2P-32A/220V-415V ST
1
41
CABO 0,6/1KV 4,00 mm Vermelho
40
CABO 0,6/1KV 4,00 mm Preto
40
Fonte: Autor.
Nos próximos sub-tópicos relatamos as métricas e valores bem como discutiremos
suas implicações para o projeto levando em conta a economia a sustentabilidade e
principalmente a viabilidade do projeto dentro do contexto da instituição.
7.1. Componentes do sistema on-Grid
Uma vez que calculamos as principais métricas necessárias para o
desenvolvimento do projeto fotovoltaico do empreendimento em questão, podemos
agora sumarizar e discutir os pontos fortes e fracos que se relacionam no âmbito da
economia, eficiência e praticidade. Nós já vimos que o sistema on grid deverá contar com
21 módulos de 350W. e um inversor de 7000 Wp6. Compilando preços médios desses
equipamentos disponíveis no varejo construímos a tabela 5. Com base nesses valores
podemos estimar que o projeto do sistema deva ficar na casa dos R$ 28.200,00. As figuras
13 e 14 mostram exemplos dos módulos fotovoltaicos e do inversor de frequência que
devem compor o sistema on-grid.
TABELA 5 – Composição dos principais custos do sistema on-grid projetado para o caso.
Equipamento Qtde Preço (R$) Custo (RS)
Módulos 21 R$ 808,50 R$ 16.978,50
Comp. Segurança
- - R$ 2.000,00
Inversor 1 R$ 9.167,18 R$ 9.167,18
Total R$ 28.145,68 Fonte: Autor.
6 O único de uma boa marca para o qual a uma potência próxima da qual foi dimensionada.
42
O valor parece bem razoável dado a dinâmica de consumo e funcionamento que é
previsto para o estabelecimento proposto (trailer). Como nós veremos, este valor pode
ser resgatado em muito pouco tempo dado o tempo de vida útil do sistema (de 25 a 30
anos).
Esses indicativos fornecem segurança para afirmar que se a elaboração desse
projeto for levada a cabo pela universidade em parceira com algum fundo de
investimento/patrocínio deverá promover uma pegada de carbono menor para a
universidade com custos que serão recuperados em pouco tempo. É claro que a inflação,
taxas variáveis de consumo podem influenciar o payback, mas ainda assim não superarão
o benefício da geração própria.
FIGURA 13 – Módulo fotovoltaico de 350W da canadian7.
Fonte: Autor.
FIGURA 14 – Inversor de frequência de 7000 Wp8.
7 Disponível em: https://www.minhacasasolar.com.br/produto/painel-solar-350w-canadian-solar-policristalino-half-cell-79387 8 Disponível em: https://www.ecosist.net/fronius-symo-7-0-3-m-7kw.html
43
Fonte: Autor.
7.2. Componentes e custos do sistema off-Grid
Nossos cálculos mostram que o sistema off-Grid deve ter 13 baterias de 220 Ah, um
controlador de carga de 50 A, 4 módulos fotovoltaicos de 350W. Podemos, por exemplo,
selecionar o controlador de carga, as baterias bem como inversor de frequência,
mostrados, respectivamente, nas figuras 15, 16 e 17, disponíveis em vários sites de
compras.
FIGURA 15 – Controlador de carga9
9 Disponível em: https://produto.mercadolivre.com.br/MLB-1133682391-controlador-carga-50a-paineis-solares-fangpusun-mppt-10050-_JM?quantity=1#position=1&type=item&tracking_id=6b5ba15d-428b-4dc9-827e-b0beb1ef8c61
44
Fonte: Autor.
FIGURA 16 – Bateria estacionária de 220 Ah10.
Fonte: Autor.
A tabela 6 mostra os gastos sumarizados dos principais componentes do sistema
off-grid projetado. É notável o fato do banco de baterias representarem incríveis 77% do
custo total do sistema. Essa é de fato a maior barreira para o desenvolvimento de
aplicações fotovoltaicas remotas em pequena e média escala (em micro escala, como por
exemplo, a alimentação de estações meteorológicas, uma única bateria é, às vezes,
necessária).
FIGURA 17 – Inversor de frequência de 1300 Wp11.
10 Disponível em: https://www.neosolar.com.br/loja/bateria-estacionaria-moura-clean-12mf220-220ah.html 11 Disponível em: https://marsrock.com.br/inversor-solar/18vdc/micro-inversor-1300w-mppt-smart-grid-tie-36v-dc-220v-azul.html
45
Fonte: Autor.
TABELA 6 – Custos dos principais equipamentos que compõe o projeto do sistema isolado. Observe o grande peso financeiro que o banco de baterias coloca sobre o custo do projeto final.
Equipamento Qtde Preço (R$) Custo (RS)
Baterias 13 R$ 1.199,00 R$ 15.587,00 Módulos 4 R$ 808,50 R$ 3.234,00 Controlador de carga
1 R$ 380,59 R$ 380,59
Inversor 1 R$ 1.120,50 R$ 1.120,50 Total R$ 20.322,09
Fonte: Autor.
Diferentemente do sistema on-grid proposto, a elaboração do sistema autônomo
para funcionar como um complemento ao sistema ligado à rede não parece viável
economicamente falando. De fato ele representa 72% do valor do sistema on-grid além do
fato de que o banco de baterias deva durar de 5 a 10 anos. De fato, o banco de baterias
tem sido um fator crucial não só na área da indústria fotovoltaica, mas também como em
diversas outras áreas por exemplo na indústria de dispositivos móveis e mesmo de
notebooks e carros elétricos. Muito esforço cientifico tem sido feito nos últimos 10 anos
para elaborar formas novas de armazenar energia. Isso inclui a construção de baterias
baseadas em nanotecnologias (ver, por exemplo, os avanços em armazenamento de
energia com base no material grafeno), muito embora ainda estejamos distantes de uma
bateria barata e eficiente.
46
7.3. Considerações econômicas
O custo do ciclo de vida de um item consiste no custo total de propriedade e
operação durante sua vida útil. Alguns custos envolvidos na propriedade e operação de
um item são incorridos no momento da aquisição, e outros custos são incorridos tempos
posteriores. Para comparar dois itens semelhantes, que podem ter diferentes custos em
momentos diferentes, é conveniente referir todos os custos ao momento da aquisição. Por
exemplo, um refrigerador pode ser inicialmente menos caro que outro, mas pode exigir
mais energia elétrica e mais reparos durante sua vida útil. Os custos adicionais de energia
elétrica e reparos podem mais do que compensar a menor custo de aquisição.
Dois fenômenos afetam o valor do dinheiro ao longo do tempo. A taxa de inflação,
𝑖, é uma medida do declínio no valor do dinheiro. Por exemplo, se a taxa de inflação é de
3% ao ano, um item custará 3% a mais no próximo ano. Uma vez que é preciso mais
dinheiro para comprar a mesma coisa, o valor da unidade de moeda, na verdade, é
diminuída.
Com base nisso, a análise econômica do sistema fotovoltaico devem ser muito bem
feitas. Projeções que não levem em conta esses fatores podem subestimar o tempo de
retorno de investimento bem como a qualidade do sistema como um todo. Nós já vimos
que a proposta do sistema off-grid não tem viabilidade econômica pois além de
representar 72% do valor de um sistema on-grid, ele foi projetado como sistema auxiliar
para falhas de energia bem como ausência de geração em dias chuvosos ou nublados.
Dessa forma, nossa análise econômica se concentrará nas escalas de retorno do sistema
SFCR.
7.4. Payback e o custo da eletricidade
Usando valores atuais para as alíquotas do ICMS, PIS e COFINS, bem como o valor
da eletricidade com impostos, podemos avaliar o payback do sistema on-grid. Nossa
análise estende-se por 25 anos de funcionamento do sistema. O gráfico da figura 18
mostra o comportamento dos retornos.
FIGURA 18 – gráfico de retorno de investimento para o sistema conectado à rede.
47
Fonte: Autor.
A tabela 7 fornece a evolução de diversas métricas econômicas relacionadas ao
sistema conectado à rede. Combinadas com a figura 18 pode-se perceber que,
funcionando com máxima eficiência e sem perdas consideráveis, estabilidade tarifária de
reajuste, o sistema deve retornar o investimento jeito em aproximadamente 5 anos.
Como já mencionamos diversos fatores podem influenciar esse comportamento.
Principalmente custos com manutenção, possíveis trocam de equipamento, taxas de
empréstimos (caso o sistema seja financiado), reajustes de impostos federais e estaduais.
Isso pode deslocar a curva de payback mais para baixo, o que aumentará o tempo para
que o investimento seja compensado.
R$(50.000,00)
R$-
R$50.000,00
R$100.000,00
R$150.000,00
R$200.000,00
FLUXO DE CAIXA DO PROJETO
48
Ano 𝜂𝑝𝑎𝑖𝑛𝑒𝑙
𝑃𝐹𝑉 (kWh/ano) considerando perda do rendimento dos
painéis
𝑃𝐹𝑉|𝑎𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜
(kWh)
% de reajuste médio anual de
energia descontada a
inflação
Custo do kWh
(R$)
Economia Gerada/ano
(R$)
Economia acumulada
(R$)
Retorno do Investimento
0 -28145,5
1 0,975 5569,2 5569 0 1,090 6069,370 6069,370 -22076,1
2 0,968 5529,2 11098 0,03 1,123 6206,569 12275,938 -15869,5
3 0,961 5489,2 16588 0,03 1,156 6346,537 18622,476 -9523,0
4 0,954 5449,2 22037 0,03 1,191 6489,318 25111,793 -3033,7
5 0,947 5409,2 27446 0,03 1,227 6634,953 31746,746 3601,3
6 0,94 5369,2 32815 0,03 1,263 6783,486 38530,233 10384,8
7 0,933 5329,2 38145 0,03 1,301 6934,960 45465,193 17319,7
8 0,926 5289,3 43434 0,03 1,340 7089,417 52554,610 24409,1
9 0,919 5249,3 48683 0,03 1,381 7246,900 59801,511 31656,0
10 0,912 5209,3 53893 0,03 1,422 7407,452 67208,963 39063,5
11 0,905 5169,3 59062 0,03 1,465 7571,114 74780,077 46634,6
12 0,898 5129,3 64191 0,03 1,509 7737,930 82518,007 54372,5
13 0,891 5089,3 69281 0,03 1,554 7907,940 90425,948 62280,5
14 0,884 5049,4 74330 0,03 1,600 8081,187 98507,135 70361,7
15 0,877 5009,4 79340 0,03 1,648 8257,712 106764,847 78619,4
16 0,87 4969,4 84309 0,03 1,698 8437,555 115202,401 87056,9
17 0,863 4929,4 89239 0,03 1,749 8620,756 123823,158 95677,7
18 0,856 4889,4 94128 0,03 1,801 8807,356 132630,514 104485,0
19 0,849 4849,4 98978 0,03 1,855 8997,394 141627,908 113482,4
20 0,842 4809,5 103787 0,03 1,911 9190,906 150818,814 122673,3
21 0,835 4769,5 108557 0,03 1,968 9387,932 160206,747 132061,3
22 0,828 4729,5 113286 0,03 2,027 9588,508 169795,255 141649,8
23 0,821 4689,5 117976 0,03 2,088 9792,669 179587,924 151442,4
24 0,814 4649,5 122625 0,03 2,151 10000,450 189588,374 161442,9
25 0,807 4609,5 127235 0,03 2,215 10211,885 199800,259 171654,8
TOTAL R$ 1.641.681,72
Fonte: Autor.
TABELA 7 – Métricas relacionadas à análise econômica do sistema on-grid do trailer sustentável.
49
Se nos ativermos aos dados da tabela 7 podemos perceber que, além do tempo de retorno
de investimento situar-se na faixa dos 5 anos, precisamos observar a quantidade de
retorno positivo que deve ser acumulado ao longo dos anos de vida útil do sistema.
Conforme a análise mostra, aproximadamente 1.650.000,00 reais serão gerados como
retorno financeiro decorrentes da independência da rede de consumo convencional.
Além disso, a economia gerada ao longo de todo o funcionamento do sistema deve
girar em torno de 200.000,00 reais.
7.5. Evitação CO2/ano
De acordo com Dantas et. al., (2019), o elevado crescimento da energia FV no
cenário mundial tem contribuído significativamente para a redução de emissões de CO2.
Segundo IRENA (2017a), estima-se que a geração de energia FV já reduz globalmente na
faixa de 200 a 300 milhões de toneladas anuais de CO2. Esta redução equivaleria à
quantidade de emissões anuais de países como a Argentina em 2015 na faixa inferior (191
milhões) e da Polônia na faixa superior (294 milhões). A título de comparação a redução
na faixa superior corresponderia a 62% das emissões feitas no Brasil em 2015, emissões
estas que foram superiores a 486 milhões toneladas de CO2.
Uma grande parcela das chamadas fontes de energias renováveis tem grande
potencial para reduzir a pegada ambiental gigantesca deixada pela econômica baseada
em combustíveis fósseis. Com o protocolo de Kyoto deu-se início a um novo mercado
baseado em créditos de carbono que emergiram não só do contexto das energias
alternativas, mas também como forma de proteger recursos naturais dos países
desenvolvidos.
Uma vez que se estabeleceu uma relação entre o consumo de energia baseado em
ER12 e sua taxa de créditos de carbono, pôde então ser possível mensurar quanto de CO2
deixaria de ser emitido para atmosfera. Com base em nossos dados, podemos fazer a
estimativa dessa relação segundo a seguinte equação:
𝑐𝑟é𝑑𝑖𝑡𝑜CO2 = 𝐸𝑒𝑙𝑒|𝑎𝑐𝑢|𝑎𝑛𝑜
𝑘𝑔CO2(𝑒𝑞/𝑘𝑊ℎ)
1000
12 Energias renováveis
50
Onde 𝐸𝑒𝑙𝑒|𝑎𝑐𝑢|𝑎𝑛𝑜 é a energia gerada acumulada durante o ano, 𝑘𝑔CO2(𝑒𝑞/𝑘𝑊ℎ) é a
relação entre quilograma de CO2 equivalente por kWh. Essa relação é assumida como
0,290 (MCTI, 2017). Com base nesses cálculos pudemos construir a tabela 8.
TABELA 8 – Créditos de carbono gerados ao longo da vida útil do sistema on-grid.
Ano Crédito Acumulado
de Carbono em Ton./ano
Ano Crédito Acumulado
de Carbono em Ton./ano
1 1,6 14 21,6 2 3,2 15 23,0 3 4,8 16 24,4 4 6,4 17 25,9 5 8,0 18 27,3 6 9,5 19 28,7 7 11,1 20 30,1 8 12,6 21 31,5 9 14,1 22 32,9
10 15,6 23 34,2 11 17,1 24 35,6 12 18,6 25 36,9 13 20,1
Fonte: Autor.
Com base nos dados dessa tabela podemos estimar que Aproximadamente 500
toneladas de carbono ao longo da vida útil. Se considerarmos que 1 tonelada de CO2
corresponde a 7,14 árvores13, podemos notar que o sistema compensará o desmate de
aproximadamente 2100 arvores ao longo de seu funcionamento. Concluímos por tanto
que o projeto em si deva trazer grandes benefícios tanto econômicos quanto sociais para
a instituição e também para a sociedade como um todo.
8. CONCLUSÃO
Ao longo dos últimos anos tem havido um enorme interesse em expandir a malha
de geração de energia limpa como solar, eólica e hidroelétrica, principalmente nos países
desenvolvidos e parte dos em desenvolvimento. As pressões sobre o meio ambiente bem
como sobre a segurança energética no médio e longo prazo tem feito mercado como de
13 Veja por exemplo Tribunal de Justiça do estado do Paraná, disponível em: https://www.tjpr.jus.br/web/gestao-ambiental/calculadoraco2
51
energia solar pulsarem com vigor o que tem influenciado a curva de aprendizado do setor
que por sua vez consegue oferecer matéria prima e insumos a preços mais competitivos
em relação ao início do século XXI (muito embora o preço do kWh ainda esteja bastante
alto em relação as fontes de energia convencional).
As aplicações mais excitantes dos sistemas fotovoltaicos modernos têm sido no
emprego em veículos como o carro elétrico. Tradicionalmente, o maior receptor dos
sistemas fotovoltaicos tem sido o comércio e a indústria não obstante, as aplicações no
setor residencial têm crescido de forma ampla.
Neste trabalho procuramos mostrar o contexto geral de como a energia solar
fotovoltaica tem se inserido no mercado global bem como suas potencialidades como uma
fonte primária de energia. Comentamos sobre os diversos arranjos os quais os sistemas
on/off-grid, suas vantagens e desvantagens e procuramos dimensionar ambos os sistema
para uma aplicação local em um possível trailer comercial para a UFRA. Demonstramos
que o empreendimento do trailer sustentável movido à energia solar fotovoltaica no
formato on-grid é possível e suas vantagens econômicas e sociais são relevantes. Os custos
associados são relativamente acessíveis e os retornos são consideráveis.
Nos achados sugerem também que um sistema autônomo para o mesmo
empreendimento não fornece atrativos, principalmente dado os custos dos sistemas e a
possível vida curta do banco de baterias. De fato, tratamos da análise do sistema off-grid
mais como um uma abordagem ad hoc, para possíveis falhas na rede convencional, do que
como uma proposta concreta, dado que a localização do trailer já confere acesso a rede
convencional.
Esperamos que com esse pequeno ensaio os esforços para a promoção (ou pelo
menos a consideração) deste empreendimento sejam levados a sério dado que tal projeto
pode trazer melhorias significantes tanto para a comunidade acadêmica quanto para a
promoção de uma visão mais sustentável da instituição que por si só tem o meio ambiente
como um dos pilares de sua fundação.
REFERÊNCIAS
ANEEL. Atlas de energia elétrica do Brasil. ANEEL, Brasília, 2002. BRAGA, R. P. Energia solar fotovoltaica: fundamentos e aplicações. Escola Politécnica – Universidade Federal do Rio de Janeiro, 2008.
52
BRASIL. Ministe rio da Cie ncia e da Tecnologia e Inovaça o. Fator médio de emissão do Sistema. Brasí lia, DF, 2017. BURDICK, J; SCHMIDT, P. Install your own solar panels _ designing and installing a photovoltaic system to power your home. Storey Publishing, 2017. CHASE, O. A. Arquitetura de uma plataforma de sensoriamento autônoma no contexto de tecnologia ambiental para monitoramento in situ de parâmetros ambientais e da super irradiância solar. Disponível em: www.ppgee.ufpa.br/ARQUIVOS/teses/TD%2021_2018%20Ot%C3%A1vio%20Andr%C3%A9%20Chase.pdf . Acesso em: 05/11/2019. CHASE, O. A. Notas de Aulas da Disciplina Eletiva Eficiência Energética. Universidade Federal Rural da Amazônia, 9º semestre do curso de Engenharia Ambiental e Energias Renováveis, 2015. Da ROSA, A. V. Fundamentals of renewable energy process. Elsevier, 3ed, 2013. DANTAS, O, L. APOLÔNIO, R; JUNIOR, A. A. Potencial da geração distribuída e seu impacto na redução de emissões de CO2: Estudo de uma micro usina fotovoltaica conectada à rede de energia elétrica. ENGEVISTA, V. 21, n.2, p.329-340, Maio 2019. EPE - Empresa de Pesquisa Energética. Balanço Energético Nacional 2014 – Ano base 2013. Rio de Janeiro, 2014. Disponível em: http://www.epe.gov.br. Acesso em 26/07/2019. FILHO, B. W. P; et., al. Expansão da energia solar fotovoltaica no brasil: impactos ambientais e políticas públicas. R. gest. sust. ambient., Florianópolis, n. esp, p.628-642, dez. 2015. Interligado Nacional do Brasil. Disponí vel em: http://www.mct.gov.br/index.php/content/view/321144.html#ancora. Acesso em: 09/02/2017. 2017a. JARDIM, C. S. A inserção da geração solar fotovoltaica em alimentadores urbanos enfocando a redução do pico de demanda diurno. Tese (Doutorado em Engenharia Civil) - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil da Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, 2007. JUNIOR, B. W. et., al. Difusão de conhecimentos em energia solar na região Norte do Brasil. XLI Congresso Brasileiro de Educação em Engenharia. Gramado- RS: COBENGE. 2013. JUNIOR, M. H. S; CAVALCANTE, R. L; GALHARDO, M. A. B; MACEDO, W. N. Aplicação de energia solar fotovoltaica – um estudo de caso na região amazônica. Revista GeoNorte, v.2, n. 4, p. 1303-1309, 2012.
53
LODI, C. Perspectivas para a Geração de Energia Elétrica no Brasil Utilizando a Tecnologia Solar Térmica Concentrada. Dissertação (Mestrado em Ciências em Planejamento Energético) - Programa de Planejamento Energético, COPPE, da Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2011. MEKHILEF, S.; SAIDUR, R.; KAMALISARVESTANI, M. Effect of dust, humidity and air velocity on efficiency of photovoltaic cells. Reneweable and Sustainable Energy Reviews, v.16, p.2920-2925, 2012. MOHANTY, P; MUNEER, T; KOLHE, M (eds.). Solar Photovoltaic System Applications: A Guidebook for Off-Grid Electrification. Springer International Publishing, 2016. MOORE, W. J. Físico-Química. São Paulo: Scipione, 1996. NEFF, T. L. (Aut.). The Social Costs of Solar Energy. A Study of Photovoltaic Energy Systems. Pergamon Press, 1981. PARÁ. Disponível em: https://revistas.ufpr.br/rber/article/view/46194/pdf. Acesso em: 06/11/2019. PEREIRA, E. B., MARTINS, F. R., ABREU, S. L. D; RÜTHER, R. Atlas brasileiro de energia solar. INPE, São José dos Campos, 2006. PERREIRA, E. B; MARTINS, F. R; ABREU, S. L; RUTHER, R. Atlas Brasileiro de Energia Solar (Brazilian Atlas of Solar Energy). 1. ed., São José dos Campos: INPE, 2006. PINHO, J. T; GALDINO, M (orgs). A. Manual de engenharia para sistemas fotovoltaicos. Grupo de trabalho de energia solar. GTES. CEPEL–DTE–CRESESB, Rio de Janeiro, 2014. PINTO JR, H. E. A. Economia da Energia: Fundamentos Econômicos, Evolução Histórica e Organização Industrial. Elsevier, Rio de Janeiro, 2007. PINTO, M. O. Fundamentos de Energia Eólica. LTC, Rio de Janeiro, 2013. SCOTTO, G; CARVALHO, I. C; GUIMARÃES, L. B. Desenvolvimento sustentável. 5° ed., Petrópolis, RJ: Vozes, 2010. SILVA, E. P. et al. Recursos energéticos, meio ambiente e desenvolvimento. 2003. SILVA, G. D. P; SOUZA, M. J. R. Estimativa de geração de energia através de um sistema fotovoltaico: implicações para um sistema flutuante no lago bolonha, Belém. Revista Brasileira de Energias Renováveis, v.6, n.2, p.149-164, 2017. TIRADENTES, A. A. R. Uso da energia solar para geração de eletricidade e para aquecimento de água. Monografia (especialização em energia solar) - Departamento de Engenharia da Universidade Federal de Lavras – UFLA - Lavras/Minas Gerais, 2006. VILLALVA, M.; GAZOLI, J. Energia solar fotovoltaica: conceitos e aplicações. Erica, São Paulo, 2012.
