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Bacharelado em Engenharia Civil
ALANNA DE SANTANA PASSOS
O USO DO SISTEMA FOTOVOLTAICO COMO ALTERNATIVA ENERGÉTICA EM RESIDÊNCIAS DE MÉDIO
PADRÃO NA CIDADE DE LAGARTO (SE)
Paripiranga 2021
ALANNA DE SANTANA PASSOS
O USO DO SISTEMA FOTOVOLTAICO COMO ALTERNATIVA ENERGÉTICA EM RESIDÊNCIAS DE MÉDIO
PADRÃO NA CIDADE DE LAGARTO (SE)
Monografia apresentada no curso de graduação do Centro Universitário AGES como um dos pré-requisitos para obtenção do título de bacharel em Engenharia Civil. Orientador: Prof. Me. Raphael Sapucaia dos Santos
Paripiranga
2021
Passos, Alanna de Santana, 1994 O uso do sistema fotovoltaico como alternativa energética em residências de médio padrão na cidade de lagarto (SE). – Paripiranga, 2021.
64 f.: il. Orientador: Profª. Me. Raphael Sapucaia dos Santos Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia
Civil) – UniAGES, Paripiranga, 2021.
1. Energia solar. 2. Sistema fotovoltaico. 3. Dimensionamento. I. Título. II. UniAGES.
ALANNA DE SANTANA PASSOS
O USO DO SISTEMA FOTOVOLTAICO COMO ALTERNATIVA ENERGÉTICA EM RESIDÊNCIAS DE MÉDIO PADRÃO NA CIDADE
DE LAGARTO (SE)
Monografia apresentada como exigência parcial para obtenção do título de bacharel em Engenharia Civil à Comissão Julgadora designada pela Coordenação de Trabalhos de Conclusão de Curso do Centro Universitário AGES. Paripiranga, _ 8 de julho de 2021 .
BANCA EXAMINADORA
Prof. Me. Raphael Sapucaia dos Santos Ages
Prof. Me. Alberto Brigeel Noronha de Menezes Ages
AGRADECIMENTOS
Em primeiro lugar, а Deus, que fez com que meus objetivos fossem alcançados,
durante todos esses anos de estudos.
À instituição de ensino UniAges, essencial no meu processo de formação
profissional, e por tudo o que aprendi ao longo dos anos do curso.
Ao meu orientador, que conduziu o trabalho com dedicação e extrema
competência, sempre disponível a compartilhar todo o seu grande conhecimento.
Aos professores, pela ajuda e pela paciência que guiaram o meu aprendizado.
Aos meus colegas de curso, José Nelson e Jonanthas, com os quais convivi
durante os últimos anos, pelo companheirismo e pela troca de experiências que me
permitiram crescer não só como pessoa, mas também como formanda.
Aos meus pais, Josefa Maria e Nelson Menezes pelo amor, incentivo e por
sempre estarem ao meu lado me apoiando ao longo de toda a minha trajetória. Aos
meus irmãos e irmãs, pela amizade e carinho. Especialmente a minha irmã Vitória
Paulina, por estar sempre do meu lado. E ao meu cunhado Rogério Reis, pelo imenso
incentivo a essa graduação desde o início. Muito obrigada a todos!
Ao meu noivo, Matheus Cornago, pelo imenso apoio, compreensão e paciência
demonstrada durante todos esses anos. Sem você ao meu lado não teria chegado até
aqui.
A todos que participaram, direta ou indiretamente, do desenvolvimento deste
trabalho de pesquisa, enriquecendo o meu processo de aprendizado.
RESUMO
Com o aumento populacional no Brasil, aumenta-se também o consumo de energia elétrica, consequentemente, há um aumento no preço das concessionárias de energia. Desse modo, buscando uma alternativa eficiente e limpa para a geração de energia, houve a descoberta da energia fotovoltaica On-Grid ou conectada à rede, a qual vem crescendo de forma gradativa no mercado brasileiro. Através de uma revisão bibliográfica, o presente trabalho apresenta a metodologia para a realização do dimensionamento de um sistema fotovoltaico conectado à rede de uma residência de médio padrão, trazendo ainda a viabilidade econômica e rentabilidade do sistema. Foram indicados análises e informações relevantes para o correto dimensionamento do sistema, bem como uma metodologia de cálculo simplificada para otimizar a geração de energia diante dos equipamentos selecionados. O SFCR dimensionado demonstrou capacidade de suprir totalmente o consumo médio solicitado pela unidade consumidora. Foi estimado um tempo de retorno do investimento em torno de 7 anos após a implantação do sistema e uma taxa de rentabilidade de 13,96%. Esse tempo de retorno que foi estimado é extremamente satisfatório, visto que ficou abaixo de todos os prazos de garantias fornecidos pelos fabricantes e fornecedores para os equipamentos fotovoltaicos descritos no dimensionamento. PALAVRAS-CHAVE: Energia solar. Dimensionamento. Eficiência energética. Viabilidade.
ABSTRACT
With the population increase in Brazil, the consumption of electricity also increases, consequently, there is an increase in the price of energy concessionaires. Thus, looking for an efficient and clean alternative for energy generation, there was the discovery of On-Grid photovoltaic energy or connected to the grid, which has been growing gradually in the Brazilian market. Through a literature review, the present work presents the methodology for performing the dimensioning of a photovoltaic system connected to the network of a medium standard residence, also bringing the economic feasibility and profitability of the system. Analyzes and relevant information for the correct system sizing were indicated, as well as a simplified calculation methodology to optimize energy generation for the selected equipment. The dimensioned SFCR demonstrated the ability to fully supply the average consumption requested by the consumer unit. A payback time of around 7 years after system implementation and a 13.96% investment were estimated. This estimated turnaround time is extremely satisfactory, as it was below all warranty periods provided by manufacturers and suppliers for the photovoltaic equipment described in the dimensioning. KEYWORDS: Solar energy. Sizing. Energy efficiency. Viability.
LISTA DE FIGURAS
1: Estrutura interna e da superfície do sol. ................................................................ 17
2: Energia solar, fontes nucleares e fósseis comparadas ao consumo de energia
mundial em um ano. .............................................................................................. 18
3: Reflexão solar. ...................................................................................................... 19
4: Irradiação Solar no Brasil. ..................................................................................... 20
5: Sistema FV Off-Grid. ............................................................................................. 22
6: Sistema FV On-Grid. ............................................................................................. 23
7: Componentes do sistema fotovoltaico. .................................................................. 24
8: Célula Silício Monocristalina. ................................................................................. 26
9: Célula Silício Policristalina. .................................................................................... 26
10: Célula Silício Amorfo. .......................................................................................... 27
11: Camadas de um módulo fotovoltaico de silício cristalino. ................................... 28
12: Célula solar, módulo, painel e constituição da matriz. ......................................... 28
13: Tipos de Baterias. ............................................................................................... 29
14:Tipos de Inversor Off-Gride e On-Grid. ................................................................ 30
15: Consumo energético mundial de 1990 a 2040. ................................................... 34
16: Geração mundial de eletricidade por tipo de combustível, de 2010 a 2040.
....................................................................................................................................35
17: Estrutura de participação das fontes de energia no Brasil....................................36
18: Localização da cidade de Lagarto.........................................................................39
19: Localização da local de estudo via satélite........................................................... 45
LISTA DE TABELAS
1: Dados da irradiação solar diária média mensal no município de Lagarto - SE.........46
2: Especificações do painel solar fotovoltaico.............................................................48
3: Custos do Sistema Fotovoltaico on-grid..................................................................52
4: Payback do sistema fotovoltaico.............................................................................54
LISTA DE GRÁFICOS
1: Consumo energético do local. ............................................................................... 47
2: Consumo energético x Geração esperada. ........................................................... 51
LISTA DE EQUAÇÕES
1. ............................................................................................................................... 40
2. ............................................................................................................................... 41
3. ............................................................................................................................... 42
4. ............................................................................................................................... 43
5. ............................................................................................................................... 44
6. ............................................................................................................................... 44
7 ................................................................................................................................ 44
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ....................................................................................................... 14
2 REFERENCIAL TEÓRICO ..................................................................................... 17
2.1 Energia Solar .................................................................................................. 17
2.2 Sistema Fotovoltaico ....................................................................................... 21
2.2.1 Componentes do sistema fotovoltaico ................................................... 24
2.2.1.1 Células fotovoltaicas ......................................................................... 25
2.2.1.2 Módulos ou painéis fotovoltaicos ..................................................... 27
2.2.1.3 Matriz ................................................................................................ 28
2.2.1.4 Bateria .............................................................................................. 29
2.2.1.5 Inversor ............................................................................................. 30
2.2.1.6 Controlador de carga ........................................................................ 30
2.2.1.7 Cabos ............................................................................................... 31
2.2.1.8 Contra surtos .................................................................................... 31
2.3 Vantagens e Desvantagens ............................................................................ 31
2.4 Legislação Brasileira – Normas ANEEL .......................................................... 32
2.5 Matriz Energética Mundial ............................................................................... 33
2.6 Matriz Energética Brasileira ............................................................................ 35
2.7 Energia Solar Fotovoltaico Brasileira .............................................................. 36
3 METODOLOGIA .................................................................................................... 38
3.1 Definição do Ambiente de Estudo ................................................................... 38
3.2 Procedimentos para Cálculo ........................................................................... 39
3.2.1 Identificar o Local de Estudo para a Implantação do Sistema Solar e a
Irradiação ....................................................................................................... 40
3.2.2 Dados do Consumo Energético do Local de Estudo e o Tipo de Ligação
........................................................................................................................ 41
3.2.3 Determinar o Tipo do Painel Fotovoltaico On-Grid ................................ 41
3.2.4 Escolha do Inversor ou Microinversores ................................................ 42
3.2.5 Potência de Pico do Painel Fotovoltaico ............................................... 42
3.2.6 Estimativa do Número de Módulos Fotovoltaico ................................... 43
3.2.7 Geração Fotovoltaica Esperada ............................................................ 43
3.2.8 Viabilidade Econômica do Sistema ....................................................... 44
4 RESULTADOS ....................................................................................................... 45
4.1 Local de Estudo .............................................................................................. 45
4.2 Dados Coletados de Irradiação Solar do Local ............................................... 46
4.3 Consumo Energético do Local ........................................................................ 47
4.4 Potência do Sistema ...................................................................................... 48
4.5 Tipo do painel fotovoltaico............................................................................... 48
4.6 Escolha do Inversor ........................................................................................ 49
4.7 Potência de pico do painel fotovoltaico ........................................................... 49
4.8 Estimativa de módulos Fotovoltaicos .............................................................. 50
4.9 Geração Esperada .......................................................................................... 50
4.10 Viabilidade econômica do sistema fotovoltaico ............................................. 52
4.11 Rentabilidade do sistema fotovoltaico ........................................................... 55
CONSIDERAÇÕES FINAIS ...................................................................................... 56
REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 57
ANEXOS ................................................................................................................... 61
14
1 INTRODUÇÃO
Desde os tempos remotos que as civilizações antigas utilizam a inesgotável
energia do sol para a realização de diversas atividades. O Sol é a principal fonte de
energia de nosso planeta, sendo que todas as outras fontes conhecidas de energia
(eólica, hidrelétrica, biomassa) derivam de forma direta ou indireta da energia solar
(CRESESB, 2006).
A conversão de energia solar em energia elétrica a partir do princípio do
elemento fotovoltaico é uma das formas mais promissoras de energia alternativa,
sabe-se que painéis fotovoltaicos podem ser os grandes responsáveis pelo aumento
da produção de energia limpa em grandes centros, seja para demandas residenciais
ou empresariais, ganhando cada vez mais adeptos. Muitos autores acreditam que
adotar geração própria de energia solar é uma decisão acertada e que garante
eficiência à produção e redução de custos em médio e longo prazo (BRUSCHI et al.,
2011).
Partindo do que é observado no consumo energético de combustíveis fósseis
ao redor do mundo e levando em consideração a diversidade de energias limpas e
renováveis, sem a produção de poluição, o presente trabalho tem como problemática
responder se é possível a inserção da energia fotovoltaica nas residências de
pequeno porte para a busca da eficiência energética para grande parte da população.
As fontes de geração de energia se dividem em não renováveis, como
combustíveis fósseis e a nuclear, e renováveis, como hídrica, eólica, solar e biomassa.
Os combustíveis fósseis são grandes causadores de problemas climáticos, que
colocam em risco a sustentabilidade e o abastecimento de longo prazo do planeta.
Em virtude desses fatores, assuntos relacionados à preservação do meio ambiente e
aos recursos naturais têm sido amplamente discutidos em eventos nacionais e
internacionais, estando entre as prioridades e as preocupações atuais da comunidade
mundial (VENTURA FILHO, 2009).
É sabido que a forma de energia mais consumida no mundo está relacionada
aos combustíveis fósseis, a qual se trata de um recurso esgotável. Desse modo, a
hipótese para a problemática desse trabalho está na implantação do sistema
fotovoltaico em residências que oferecem ao consumidor autonomia em eficiência
15
enérgica e com redução de danos ao meio ambiente, justamente por se tratar de uma
energia limpa e renovável advinda do sol.
Novas fontes de energias alternativas têm sido demasiadamente investigadas
nas últimas décadas, a fim de complementar a matriz energética atual, que baseia
majoritariamente em hidráulica e biomassa. Estudos mais recentes apontam que uma
energia que começou a ser utilizada em 1950 tem ganhado espaço e atenção no
cenário nacional (VENTURA FILHO, 2009).
O objetivo principal desse projeto é apresentar a viabilidade da introdução do
sistema fotovoltaico para a busca da eficiência energética em edificações de médio
padrão. No tocante aos objetivos específicos atrelados a esse trabalho têm-se:
demonstrar os conceitos que se referem à geração de energia elétrica com o uso do
sistema fotovoltaicos, elucidar as vantagens e desvantagens desse modelo de
alternativa energética e analisar a implantação do sistema de energia solar
fotovoltaica para uma residência unifamiliar de pequeno porte. Desse modo, será
dimensionado sistema fotovoltaico para uma residência em um centro urbano na
cidade de Lagarto/SE.
A realização desse trabalho justifica-se em função da relevância da energia
solar, visto que possui diversas vantagens se comparada a outras fontes energéticas.
Por ser renovável, inesgotável e não emitir gases poluidores, é considerada de baixo
impacto ambiental, bem diferente das hidrelétricas, o sistema fotovoltaico não
necessitam de uma grande área de instalação nem o desmatamento de vegetações
ou inundações para que possam funcionar.
Este trabalho foi desenvolvido por intermédio de uma revisão bibliográfica, por
meio de livros e artigos, com o intuito de analisar a viabilidade da implantação da
energia solar para residência de pequeno porte, visando descrever detalhadamente o
dimensionamento do sistema fotovoltaico on-grid. Quanto ao tipo de pesquisa,
identifica-se o delineamento como estudo de caso, com objetivos de caráter
exploratório e descritivo, assim como de uma abordagem qualitativa.
Por todos os motivos aqui descritos, é considerada uma energia limpa e
importante para o controle e preservação do meio ambiente. Além de não retirar da
natureza recursos essenciais à vida, a saber: a água potável, não emitir gases do
efeito estufa, como os combustíveis fósseis, além de não poluir rios e mares com
vazamentos como o petróleo, por exemplo. Dessa forma, este trabalho contribui como
um estudo de caso da instalação do Sistema Fotovoltaico on-grid, estabelecendo um
16
sistema de compensação de energia e se tendo como utilização de uma fonte de
energia elétrica sustentável.
Diante do exposto, o presente trabalho está dividido em 6 capítulos que
abordam os seguintes assuntos: O capítulo 1 corresponde à introdução. O capítulo 2,
apresenta a revisão bibliográfica necessária ao desenvolvimento do trabalho. O
capítulo 3 apresenta os procedimentos para cálculo referente ao dimensionamento do
sistema fotovoltaico para uma residência. O capítulo 4 expõe a metodologia de
desenvolvimento adotada na pesquisa. O capítulo 5 traz os resultados encontrados a
partir dos procedimentos de cálculo e o capítulo 6 apresenta as considerações finais.
17
2 REFERENCIAL TEÓRICO
2.1 Energia Solar
É notável que com o passar dos tempos o consumo de energia relacionado aos
combustíveis fósseis tem aumentado, mesmo sabendo que se trata de um recurso
esgotável e gera grandes poluições através da sua queima. Com esse fato, questiona-
se o modelo energético atual. O sol se trata da maior fonte primária de energia
existente no planeta terra, sendo que ela influencia diretamente nas águas, nos
ventos, nas plantas e nos próprios combustíveis fósseis (BORGES et al., 2012).
A busca por uma alternativa energética sustentável a longo prazo vem
despertando interesse em formas de energias limpas e renováveis, de modo a
satisfazer as necessidades energéticas e sem ocasionar grandes mudanças para o
planeta. Para a resolução dessa questão, é que se insere a energia fotovoltaica, a
qual se trata da forma de energia gerada a partir da luz solar e pode ser vista com
variadas vantagens sobre as formas de geração tradicional (BORGES et al., 2012).
De acordo com Moreira (2017), a energia do sol é gerada a partir do fenômeno
da fusão nuclear que acontece nas camadas internas do sol. Na Figura 1 é possível
observar a estrutura solar.
Figura 1: Estrutura interna e da superfície do sol. Fonte: NASA (2017).
18
A energia do sol vem sendo usada desde os tempos remotos para realizar
diversas atividades. De acordo com Moreira (2017), a história traz que o primeiro uso
essa energia foi século VII a.C., quando elementos vitrificados foram utilizados como
concentradores para a produção de fogo. E em 1931, as células fotovoltaicas foram
desenvolvidas nos EUA. Já em 1999, a capacidade instalada de energia solar
fotovoltaica no mundo todo já ultrapassava 1000 MW.
Com esse breve histórico, é possível observar que a energia solar veio sendo
incrementada pelo homem com o passar dos anos e com isso, criando diversas formas
de utilização para essa fonte de energia. O uso dos sistemas relacionados à energia
solar tem potencial para suprir grande parte da necessidade de energia do planeta.
Porém, há uma grande diversidade de limitações e barreiras que devem ser
ultrapassadas (MOREIRA, 2017).
Segundo Philippi Jr. et al. (2016), essas questões estão relacionadas
principalmente ao rendimento dos sistemas, aos seus custos e às necessidades de
armazenamento, isso porque a energia solar não está disponível no período da noite.
Os avanços tecnológicos têm tido o papel de superar esses problemas, sendo que a
adoção em massa dos sistemas solares auxiliaria muito neste sentido.
Figura 2: Energia solar, fontes nucleares e fósseis comparadas ao consumo de energia mundial em um ano. Fonte: The German Energy Society (2008).
Conforme Moreira (2017), a transmissão da energia do sol para a Terra, se dá
através das ondas curtas da radiação eletromagnética. Os comprimentos de onda de
97% da radiação solar variam entre 0,3 e 3,0 μm. Além disso, a radiação solar
19
incidente no limite superior da atmosfera sofre uma série de reflexões, dispersões e
absorções, por causa das flutuações climáticas, em seu caminho até o solo.
A consequência da incidência total da radiação solar em contato de um corpo
no solo é o somatório de três componentes, uma direta, outra difusa e refletida. A
radiação direta é aquela oriunda diretamente do disco solar sem sofrer nenhuma
mudança de direção, além da provocada pela refração atmosférica. A radiação difusa
é aquela que um corpo recebe após a modificação da direção dos raios solares por
reflexão ou espalhamento na atmosfera. E a radiação refletida é influenciada pelas
características do solo e da inclinação do equipamento captador (PHILIPPI JR. et al.,
2016).
Na superfície terrestre, chega aproximadamente 51% a irradiação que incide
sobre a Terra, os outros 49% são refletidos ou absorvidos por outros meios e
fenômenos naturais. O efeito de reflexão da energia solar é demonstrado abaixo, na
Figura 3 (GOSWAMI, 2014).
Figura 3: Reflexão solar. Fonte: Pereira e Oliveira (2015).
A radiação solar total incidente sofre variações diferentes nos locais da
superfície da Terra. Enquanto uma superfície horizontal no Sul da Europa ocidental
(Sul da França) recebe em média por ano uma radiação de 1.200 kWh/m² e 1.500
kWh/m², ou mais, e no Norte, a energia anual varia entre 800, uma superfície no
deserto do Saara recebe cerca de 2.600 kWh/m² por ano, ou seja, duas vezes a média
europeia (BORGES et al., 2012).
20
No Brasil, há um ótimo índice de radiação solar, principalmente no Nordeste
brasileiro. Na região do semiárido estão os melhores índices, com valores típicos de
200 a 250 W/m2 de potência contínua o que equivale a cerca de 1.752 a 2.190
kWh/m2 por ano de radiação incidente. Isso coloca o local entre as regiões do mundo
com maior potencial de energia solar (PHILIPPI JR. et al., 2016). A figura 4 mostra a
irradiação solar nos estados brasileiros.
Figura 4: Irradiação Solar no Brasil. Fonte: Pereira et al., (2006).
Para a produção de energia elétrica, há uma diferenciação que se dá
principalmente no processo de captação da radiação solar e seu condicionamento
adequado aos requisitos da tecnologia de uso final. A exemplo disso, existe a
tecnologia fotovoltaica, que efetua transformação direta da radiação solar em energia
elétrica (PHILIPPI JR. et al., 2016).
21
2.2 Sistema Fotovoltaico
Um sistema fotovoltaico de energia se trata da composição de um ou mais
módulos fotovoltaicos, juntamente com um conjunto de equipamentos, como bateria,
controladores de carga, inversores e alguns equipamentos de proteção. Esses
equipamentos podem variar a depender da aplicação. Os sistemas fotovoltaicos
contêm células solares capazes de converter a energia solar diretamente em
eletricidade. Cada célula solar tem em sua composição de camada material
semicondutor. Quando a radiação solar incide sobre uma célula solar é gerado um
potencial elétrico (tensão) através das camadas de material semicondutor. Esse
potencial é responsável pela circulação de corrente elétrica por um circuito externo
quando este é fechado (PHILIPPI JR. et al., 2016).
A tecnologia fotovoltaica pode ser instalada em quase todas as regiões do
planeta. Por não conter partes móveis, esses sistemas podem operar de forma
silenciosa. Sistemas fotovoltaicos geralmente têm uma durabilidade de 25 anos
(PHILIPPI JR. et al., 2016).
Os Sistemas fotovoltaicos podem ser instalados próximos aos grandes centros
de consumo de energia, de forma centralizada ou descentralizada, conectada ou
desconectada da rede elétrica. Eles podem prover energia para pequenas ou grandes
aplicações. Nesse contexto, as aplicações de um sistema fotovoltaico podem ser
divididas em: sistemas autônomos (OFF-GRID) e sistemas conectados à rede elétrica
(ON-GRID) (BALFOUR, 2016).
Se faz necessário considerar que sistemas que não são integrados à rede
possuem baterias que armazenam a energia gerada, não sendo necessário nos
sistemas integrados, pois nesses casos a energia produzida excedente pode ser
transmitida para a rede e ser localizada em outros locais (CHUCO, 2007).
Nos sistemas OFF-GRID, que é retratado na Figura 5, possuem toda a energia
gerada guardada em baterias, o que assegura que o sistema atenda a demanda
mesmo em períodos em que a incidência solar seja insuficiente, funcionando da
seguinte forma: o sistema capta a luz solar a partir das placas fotovoltaicas, produz
energia elétrica a partir e corrente contínua, essa energia passa por um controlador
de carga responsável pela proteção das baterias contra descargas profundas e
22
excesso de carga, toda esta energia será armazenada em um banco de baterias e só
então, passa por inversor de frequência que a converte de corrente contínua para
corrente alternada e só então é utilizada para consumo (RIBEIRO, 2012).
Figura 5: Sistema FV Off-Grid. Fonte: Neosolar (2019).
Os sistemas ON-GRID, demostrado na Figura 6, possuem características
semelhantes ao do sistema off-grid, a diferença básica é que a energia elétrica
proveniente das placas fotovoltaicas passam por um inversor grid-tie que realiza a
conversão de corrente continua em corrente alternada, sincronizando-a com a
frequência da rede (60Hz) a partir de um oscilador interno e ao mesmo tempo limita a
tensão de saída para que não seja maior do que a da rede, e, então, utiliza-se um
relógio de luz bidirecional que medirá a energia da concessionária, utilizada em
períodos que a energia fotovoltaica for insuficiente para atender a demanda, bem
como a energia solar gerada em excesso pelo sistema, que será inserida na rede da
concessionária distribuidora de energia elétrica (BRAGA, 2008).
Segundo Rüther (2004), basicamente, os sistemas on-grid podem se dividir em
dois tipos: o de forma centralizada, como se fosse uma usina convencional e longe
dos consumidores (grandes centrais fotovoltaicas) e de forma integrada a edificação,
próxima ao consumidor e descentralizada (pequeno porte).
23
Os sistemas centralizados, por outro lado, podem produzir uma grande
quantidade de energia, de centenas de kW até vários MW, em um único local. Esses
sistemas são chamados de centrais fotovoltaicas e, geralmente, produzem energia
para indústrias ou centros urbanos com grande intensidade energética (BALFOUR,
2016).
Figura 6: Sistema FV On-Grid. Fonte: Neosolar (2019).
Os sistemas autônomos híbridos são sistemas em que a configuração não se
restringe apenas à geração fotovoltaica. Em outras palavras, são sistemas isolados
da rede elétrica nos quais existe mais de uma forma de geração de energia, por
exemplo, gerador diesel, turbinas eólicas e geração fotovoltaica. Esses sistemas são
mais complexos e necessitam de algum tipo de controle capaz de integrar os vários
geradores, de forma a garantir a melhor forma de operação para o usuário. Os
sistemas fotovoltaicos, além de serem usados para alimentação de cargas individuais,
remotas ou urbanas, podem ser instalados em minirredes associadas a outros tipos
de fontes, para alimentação de um grupo de cargas (MOREIRA, 2017).
24
2.2.1 Componentes do sistema fotovoltaico
Os principais componentes de um sistema fotovoltaico são os módulos
fotovoltaicos nos quais ocorre a conversão direta de energia solar em energia elétrica
em corrente contínua e variável, o inversor presente em sistemas FV conectados à
rede ou em sistemas FV autônomos com cargas em corrente alternada e banco de
baterias com controlador de carga-descarga, que normalmente não e utilizado em
sistemas conectados à rede. Na Figura 7 é possível observar os componentes dos
dois tipos de sistema fotovoltaicos (BALFOUR, 2016).
Figura 7: Componentes do sistema fotovoltaico. Fonte: Portal Solar (2019).
Portanto, o processo de conversão da energia solar em energia elétrica
acontece por meio de células fotovoltaicas onde normalmente são feitas de silício ou
outro material semicondutor, sendo em duas camadas: uma positivamente carregada
e outra negativamente carregada, formando uma junção eletrônica. Quando a luz do
sol atinge o semicondutor na região dessa junção, o campo elétrico existente permite
o estabelecimento do fluxo eletrônico, antes bloqueado, e dá início ao fluxo de energia
25
na forma de corrente contínua. Quanto maior a intensidade de luz, maior o fluxo de
energia elétrica, mas não precisa do brilho do sol para operar, pois gera eletricidade
também em dias nublados (ANEEL, 2008).
Geralmente são três componentes básicos de um sistema fotovoltaico para
geração de energia elétrica. O primeiro, é responsável pela geração de energia
através de painéis fotovoltaicos. O segundo, usado apenas no sistema off-grid, é
responsável pelo armazenamento da energia gerada em corrente contínua, sendo
constituído basicamente por um banco de baterias. Por fim, o terceiro é responsável
pelo condicionamento de potência, sendo composto por um inversor que transforma
a corrente contínua oriunda do banco de baterias em corrente alternada compatível
com equipamentos convencionais, no qual para o sistema off-grid exige um
controlador de carga que permite controlar a carga e descarga, bem como proteger o
banco de baterias (PINHO, 2014).
Conforme Philippi Jr. et al. (2016), os sistemas fotovoltaicos são
personalizados, dependendo das necessidades do local. Cada local tem fatores
ambientais diferentes. Esses fatores afetam o tipo de sistema necessário e o seu nível
de desempenho.
2.2.1.1 Células fotovoltaicas
As células fotovoltaicas, quando tratadas com impurezas químicas, em um
processo chamado dopagem, essas finas seções de material semicondutor reagem à
luz solar, criando tensão e corrente. As células fotovoltaicas são feitas de materiais
capazes de transformar a radiação solar diretamente em energia elétrica. As células
fotovoltaicas de silício podem ser classificadas de acordo com a sua estrutura
molecular que são: monocristalino, policristalino e silício amorfo (BALFOUR, 2016).
Os monocristalinos, conforme Figura 8, são feitos a partir de um único cristal
de silício ultrapuro. Esse silício é mais caro do que o policristalino, porém tem maior
eficiência (CEPEL. 2016).
26
Figura 8: Célula Silício Monocristalina. Fonte: CEPEL (2016).
As células de silício policristalino, conforme Figura 9, são mais baratas que as
de silício monocristalino, pois exigem um processo de separação de células menos
rigoroso, portanto a eficiência é um pouco menor em comparação com às de
monocristalino.
Figura 9: Célula Silício Policristalina. Fonte: CEPEL (2016).
A célula de silício amorfo, Figura 10, apresenta alto grau de desordem na
estrutura e são obtidas por meio da deposição de camadas muito finas de silício sobre
superfícies de vidro ou metal. A utilização de silício amorfo para uso em fotocélulas
tem mostrado grandes vantagens tanto nas propriedades elétricas quanto no processo
de fabricação (CEPEL,2016).
27
Figura 10: Célula Silício Amorfo. Fonte: CEPEL (2016).
2.2.1.2 Módulos ou painéis fotovoltaicos
Os módulo ou painéis consistem em várias células ligadas em série e em
paralelo, para fornecer tensões e corrente. O módulo fotovoltaico é o componente
responsável pela captação da radiação solar. Ele é composto por um conjunto de
células solares interligadas, geralmente fabricadas com tecnologias de silício cristalino
ou tecnologias de filmes finos. A Figura 11 apresenta o diagrama de um módulo
fotovoltaico plano composto por células de silício cristalino (BALFOUR, 2016).
28
Figura 11: Camadas de um módulo fotovoltaico de silício cristalino.
Fonte: Philippi Jr. et al. (2016).
2.2.1.3 Matriz
O componente matriz, Figura 12, consiste em vários painéis ligados em série e
em paralelo, para fornecer tensões e correntes específicas. A matriz normalmente é
presa a uma estrutura de montagem (PHILIPPI JR. et al., 2016).
Figura 12: Célula solar, módulo, painel e constituição da matriz. Fonte: Portal Energia (2019).
29
2.2.1.4 Bateria
A bateria, que pode ser definida como um dispositivo de armazenamento de
energia elétrica de corrente direta (DC). Há diversos modelos de baterias existentes
no mercado, como demonstrado na figura 13. Até mesmo os sistemas FV conectados
à rede de distribuição de energia elétrica frequentemente podem se beneficiar de um
sistema de armazenamento em baterias, em que a falta de energia é uma
preocupação (PHILIPPI JR. et al., 2016).
Os sistemas de energia solar que utilizam banco de baterias como fonte de
alimentação, necessitam de controlador de carga para administrar a carga e descarga
das baterias, pois o controlador oferece controle para facilitar a máxima transferência
de energia do módulo fotovoltaico ao banco de baterias, ainda protege as baterias de
cargas ou descargas excessivas. Os controladores de carga devem ser compatíveis
com a tensão do banco de baterias que se deseja carregar (GREENPRO, 2004).
Figura 13: Tipos de baterias. Fonte: Portal Solar (2019).
30
2.2.1.5 Inversor
O inversor DC-AC, que converte a energia de corrente direta (DC) para corrente
alternada (AC), para ser utilizada em eletrodomésticos, eletrônicos e outros
dispositivos. Para cada tipo de sistema fotovoltaico deve ser utilizado o inversor que
esteja de acordo com o sistema (BALFOUR, 2016). Na Figura 14 é possível observar
a variedade de modelos de inversores.
Figura 14:Tipos de Inversor Off-Gride e On-Grid. Fonte: Portal Solar (2019).
2.2.1.6 Controlador de carga
O controlar de carga regula, carrega e mantém a tensão da bateria; carga
elétrica, inclui os eletrodomésticos e outros dispositivos que usam a energia gerada
pelo sistema FV. As cargas elétricas podem ser DC ou AC. É possível ter os dois tipos
de carga elétrica no mesmo sistema FV (PHILIPPI JR. et al., 2016).
31
2.2.1.7 Cabos
Cabeamento são os fios, também conhecidos como condutores, que conectam
os componentes do sistema para produzir circuitos (BALFOUR, 2016).
2.2.1.8 Contra surtos
Um protetor contra surtos é um dispositivo que protege contra choques elétricos
provenientes de curtos-circuitos e contra danos decorrentes das flutuações de energia
(BALFOUR, 2016).
2.3 Vantagens e Desvantagens
A energia solar apresenta diversas vantagens. De acordo com Braga (2008), a
vantagem mais clara é não precisar pagar conta de luz, pois a luz solar é de graça.
Esse modelo de geração de energia é limpo, já que não produz nenhum tipo de
poluição, e é renovável.
Quanto ao sistema fotovoltaicos, a vantagem para os módulos é a necessidade
de mínima manutenção, já que sua vida útil é superior a 25 anos e possui uma fácil
instalação, sem necessidade de peças móveis, desse modo, requer o mínimo de
manutenção, somente limpeza dos painéis. A instalação é simples, não há consumo
algum de combustível, é resistente a condições climáticas externas (granizo, vento,
temperaturas e umidade), não causa impacto ambiental, permite aumentar a potência
instalada através de incorporação de módulos adicionais, gera energia mesmo em
dias nublados (NARUTO, 2017).
Firmino & Souza (2015) enfatizam que além de redução de perdas por
transmissão e distribuição de energia, já que a eletricidade é consumida onde é
produzida, ocorre também a redução de investimentos em linhas de transmissão e
distribuição e fornece maior quantidade de eletricidade nos momentos de maior
32
demanda (exemplo: uso de ar-condicionado é maior ao meio-dia, e a produção de
energia também é maior neste momento), não exige uma área física dedicada.
As desvantagens são que as células fotovoltaicas necessitam de tecnologia
sofisticadas para a sua fabricação, o custo do investimento ainda é elevado e o
rendimento real de conversão de um módulo é reduzido, face ao custo de investimento
(NARUTO, 2017).
O custo de rendimento é atrelado ao índice de radiação, temperatura,
quantidade de nuvens, dentre outros e um painel solar consome uma quantidade
enorme de energia para ser fabricado, sendo que a energia para a fabricação de um
painel solar pode ser maior do que a energia gerado por ele (SHAYANI, 2006).
Outro ponto que se trata de uma desvantagem, são que as formas de
armazenamento da energia solar são pouco eficientes quando comparadas, por
exemplo, aos combustíveis fósseis (carvão, petróleo e gás) a energia hidrelétrica
(água) e a biomassa (bagaço da cana ou bagaço da laranja) (TORRES, 2012).
2.4 Legislação Brasileira – Normas Agência Nacional de Energia Elétrica
(ANEEL)
Com a edição da Resolução Normativa ANEEL nº 482, de 17 de abril de 2012,
a ANEEL favoreceu a ampliação da geração de energia solar fotovoltaica em unidades
consumidoras. De acordo com a ANEEL (2012), essa normativa que estabelece as
condições gerais para o acesso de microgeração e minigeração distribuída aos
sistemas de distribuição de energia elétrica, criando o sistema de compensação de
energia, no qual injeta-se a energia produzida na rede, sendo tal energia abatida do
consumo da própria unidade ou de outra do mesmo titular.
Conforme a ANEEL (2012), as normas restringem a contratação de geração
distribuída pelas distribuidoras somente a empreendimentos de agentes
concessionários, permissionários e autorizados, não prevendo expressamente a
compra de unidades consumidoras que instalem painéis solares fotovoltaicos para
consumo e injetem o excedente de energia na rede.
Segundo a resolução 687 da ANEEL (2015), que complementa a resolução
anterior 482/12, vigente desde 1 de março de 2016, permite o uso de qualquer fonte
33
renovável, além da cogeração qualificada, denominando-se microgeração distribuída
a central geradora com potência instalada até 75 quilowatts (KW) e minigeração
distribuída aquela com potência acima de 75 kW e menor ou igual a 5 MW (sendo 3
MW para a fonte hídrica), conectadas na rede de distribuição por meio de instalações
de unidades geradoras. Quando a quantidade de energia gerada em determinado mês
for superior à energia consumida naquele período, o consumidor fica com créditos que
podem ser utilizados para diminuir a fatura dos meses seguintes.
Ainda de acordo com a resolução da ANEEL (Agência Nacional de Energia
Elétrica, 2015) 687/15 as novas regras, o prazo de validade dos créditos passou de
36 para 60 meses, sendo que eles podem também ser usados para abater o consumo
de unidades consumidoras do mesmo titular situadas em outro local, desde que na
área de atendimento de uma mesma distribuidora. Esse tipo de utilização dos créditos
foi denominado “autoconsumo remoto”.
Caso a energia injetada na rede seja superior à consumida, cria-se um “crédito
de energia” que não pode ser revertido em dinheiro, mas pode ser utilizado para abater
o consumo da unidade consumidora nos meses subsequentes ou em outras unidades
de mesma titularidade (desde que todas as unidades estejam na mesma área de
concessão), com validade de 60 meses (ANEEL, 2015).
Um exemplo é o da microgeração por fonte solar fotovoltaica: de dia, a “sobra”
da energia gerada pela central é passada para a rede; à noite, a rede devolve a
energia para a unidade consumidora e supre necessidades adicionais. Portanto, a
rede funciona como uma bateria, armazenando o excedente até o momento em que
a unidade consumidora necessite de energia proveniente da distribuidora (ANEEL,
2015).
2.5 Matriz Energética Mundial
A matriz energética é o panorama de distribuição real de aproveitamento dos
recursos energéticos dentro de um país, de uma região ou do mundo. Sua
determinação está diretamente vinculada ao balanço energético, e sua aplicação
consiste em estudos setoriais que têm por finalidade apresentar a evolução da
34
demanda e da oferta de energia de um país, região ou de todo o mundo (MOREIRA,
2017).
A matriz energética é criada tendo como base o período de um ano e a análise
de um cenário específico. Projetada para determinado período, propõe como deve ser
o desenvolvimento energético de uma região nesse espaço de tempo. A construção
da matriz é feita levando-se em consideração os diversos setores de produção,
industrial, residencial, agropecuário e de serviços do lado da demanda e, do lado da
oferta, os centros de transformação das principais fontes de energia. O gráfico da
Figura 15 apresenta o consumo energético mundial, com a evolução da oferta e do
consumo, de 1990 a 2040, e o gráfico da Figura 16 mostra a geração líquida de
energia por cada tipo de combustível (MOREIRA, 2017).
Figura 15: Consumo energético mundial de 1990 a 2040. Fonte: IEA (2013).
35
Figura 16: Geração mundial de eletricidade por tipo de combustível, de 2010 a 2040. Fonte: IEA (2013).
2.6 Matriz Energética Brasileira
Segundo o relatório final do Balanço Energético Nacional de 2014 (MME/EPE,
2014), o Brasil dispõe de uma matriz elétrica de origem predominantemente
renovável, sendo que 64,9 % da oferta interna correspondem à geração hidráulica e
79,3 % da oferta interna de eletricidade correspondem às fontes renováveis. Do lado
do consumo, o setor residencial apresentou alta de 6,2 %. O setor industrial registrou
uma ligeira alta de 0,2 % no consumo de eletricidade em relação ao ano de 2012. Os
demais setores (público, agropecuário, comercial e transportes) apresentaram alta de
4,8 % em relação a 2012. O setor energético aumentou 12,6 % (MOREIRA, 2017).
Em 2013, a capacidade total instalada de geração de energia elétrica do Brasil
(centrais de serviço público e autoprodutoras) somou 126.743 MW, o que representa
um acréscimo de aproximadamente 5,8 GW. Na expansão da capacidade instalada,
as centrais hidrelétricas contribuíram com 30 %, enquanto as centrais térmicas
responderam por 65 % da capacidade adicionada. Por fim, as usinas eólicas foram
responsáveis pelos 5 % restantes de aumento do grid nacional (MOREIRA, 2017). Na
36
figura 17 é possível observar o balanço energético de acordo com as participações
das fontes energéticas do Brasil.
Figura 17: Estrutura de participação das fontes de energia no Brasil. Fonte: Balanço Energético Nacional (2020).
2.7 Energia Solar Fotovoltaica Brasileira
O Brasil apresenta um satisfatório índice de radiação solar, principalmente
quando se considera as altas temperaturas no nordeste do país, na região do
semiárido encontra-se os índices mais promissores, com valores entre 1.752 até
2.190kWh/m² por ano de radiação incidente, esse fato dá ao Brasil uma vantagem
quando comparado aos países industrializados no que diz respeito à aplicação de
energia fotovoltaica (TIBA; FRAIDENRAICH; BARBOSA, 2001).
No entanto, ainda que o Brasil possua um enorme potencial para a utilização
desse tipo de energia, os baixos rendimentos apresentados pelas tecnologias, em sua
conversão de energia solar em eletricidade, e os investimentos iniciais de valores
elevados formam empecilhos consideráveis para a utilização em terras nacionais
(PINHO et al., 2008).
37
Ainda que apresente diversos obstáculos para a geração de energia
fotovoltaica, o Brasil é o país na América do Sul que as pesquisas e tecnologias para
geração de energia fotovoltaica estão mais avançadas. Sendo o pioneiro na
fabricação de célula fotovoltaica para comercialização, através de silício
monocristalino, indo além da montagem primária de painéis solares (MARINI; ROSSI,
2003).
A produção de energia solar no Brasil, principalmente em regiões de difícil
acesso e favorecida pelo seu elevado índice de insolação. É ainda um sistema muito
vantajoso para o ambiente, tendo em vista que o sistema solar, funcionando como um
reator à fusão fornece ao planeta diariamente uma capacidade energética
consideravelmente alta e inigualável a qualquer outro sistema energético, sendo a
fonte essencial e imprescindível para quase a totalidade dos sistemas energéticos
comumente utilizados pelo homem (MACEDO, 2006).
38
3 METODOLOGIA
Este trabalho foi desenvolvido através de uma revisão bibliográfica, por meio
de livros e artigos, com o intuído de analisar a viabilidade da implantação da energia
solar para residência de pequeno porte, visando descrever detalhadamente o
dimensionamento do sistema fotovoltaico on-grid.
A pesquisa bibliográfica procura explicar e discutir um tema com base em
referências teóricas publicadas em livros, revistas, periódicos e outros. Busca
também, conhecer e analisar conteúdos científicos sobre determinado tema
(MARTINS, 2001).
Este tipo de pesquisa tem como finalidade colocar o pesquisador em contato
direto com tudo o que foi escrito, dito ou filmado sobre determinado assunto
(MARCONI; LAKATOS, 2007). Desta forma, segundo os autores acima, a pesquisa
bibliográfica não é apenas uma mera repetição do que já foi dito ou escrito sobre
determinado assunto, mas sim proporciona o exame de um tema sob novo enfoque
ou abordagem, chegando a conclusões inovadoras.
Quanto ao tipo de pesquisa, identifica-se o delineamento como estudo de caso,
com objetivos de caráter exploratório e descritivo, assim como de uma abordagem
qualitativa. Conforme descrito por Lakatos (2003), o autor vai analisar criticamente os
dados coletados, ou seja, ler e interpretar para chegar a suas próprias conclusões a
partir de estudos observacionais. Bem como na elaboração dos resultados, a partir do
dimensionamento de um sistema fotovoltaico para uma residência.
3.1 Definição do Ambiente de Estudo
O local de pesquisa está situado na cidade de Lagarto, no interior do estado de
Sergipe, com uma população estimada de 105.221 mil habitantes. Nesse município,
será realizado um projeto de dimensionamento do sistema fotovoltaico on-grid em
uma residência unifamiliar, composta por 4 pessoas. Como está localizado no
nordeste do país, possui um grande potencial para o uso da energia solar.
39
Figura 18: Localização da cidade de Lagarto. Fonte: Weather Spark (2021).
3.2 Procedimentos para Cálculo
Para a realização do dimensionamento do sistema fotovoltaico conectado à
rede (on-grid), foi levado em consideração as teorias do manual de engenharia para
o sistema fotovoltaico dos autores Pinho e Galdino (2014) da CEPEL-CRESESB. Para
melhor compreensão do dimensionamento do sistema fotovoltaico, neste trabalho,
será apresentado por partes, explicando como se dá o processo de cálculos.
Desse modo, a primeira etapa do dimensionamento se trata da identificação do
local do projeto que será instalado os módulos fotovoltaicos e, consequentemente,
analisar a irradiação que incide no local da implantação. A próxima etapa, compreende
em verificar o consumo energético da residência unifamiliar e o tipo de ligação com a
concessionária.
Depois de obtidos esses dados, se faz necessário determinar o modelo do
painel solar fotovoltaico a ser usado no sistema fotovoltaico e escolher qual tipo de
40
inversor ou microinversores será mais viável para a unidade consumidora. Após a
obtenção desses dados, será realizado uma análise para estimar o tempo do retorno
financeiro, ou seja, o payback.
3.2.1 Identificar o Local de Estudo para a Implantação do Sistema Solar e a Irradiação
Se faz extremamente necessário uma análise completa do local de estudo, ou
seja, coletar todos os dados disponíveis que possam contribuir na estimativa da área
disponível para o dimensionamento. Essa análise pode ser realizada através de
registros fotográficos ou por meio de programas de imagem via satélite, que permitem
visualizar o local de instalação do sistema fotovoltaico e se há a existência de
possíveis sombreamentos.
A região Nordeste dispõe de um dos maiores índices de radiação solar e no
estado da Sergipe possui um grande potencial para implantação do sistema
fotovoltaico. Desse modo, para calcular esses dados especificamente na cidade de
Lagarto - SE, utilizou-se o programa online sundata, que é ofertado pelo site do Centro
de Referência Solar e Eólica Sérgio Brito (CRESESB).
Desse modo, coletar as informações de irradiação solar diária média mensal
proporcionam uma grande contribuição para os cálculos de dimensionamento do
sistema fotovoltaico. Além disso, é necessário, obter a quantidade de horas de sol
pleno (HSP) na região de estudo, pois representa a maior quantidade de horas por dia
que a radiação permanece constante e igual a 1 KW/m². Com o dado da irradiação
solar diária média mensal coletada pelo programa sundata, através das coordenadas
geográficas da unidade consumidora (UC), calcula-se com a equação 1, com isso, irá
estipular a quantia de horas de sol pleno do local de interesse.
𝐻𝑆𝑃 (ℎ
𝑑𝑖𝑎) =
𝑖𝑟𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎çã𝑜
1𝐾𝑊𝑚2
(1)
41
3.2.2 Dados do Consumo Energético do Local de Estudo e o Tipo de Ligação
Para o dimensionamento fotovoltaico, deve-se analisar os últimos doze meses
do consumo de energia elétrica do local do projeto. Com isso, o valor da média anual
do consumo em KW/h (Kilo Watts/hora), deverá ser descontado o valor do custo de
disponibilidade de energia pela concessionária, sendo sua variação tarifária de acordo
a ligação residencial. Desse modo, reduzindo 30KW/h para monofásico, 50KW/h para
bifásico e 100KW/h para trifásico. Portanto, aplicando esses dados na equação 2,
permite determinar a geração ideal do sistema fotovoltaico.
Onde:
GI = Geração ideal;
CM = Consumo mensal;
CD = Custo de disponibilidade.
3.2.3 Determinar o Tipo do Painel Fotovoltaico On-Grid
Para cálculo do dimensionamento do sistema fotovoltaico é necessário
conhecimento de outros dados além da área disponível para instalação dos
equipamentos, horas de sol pleno (HSP) e histórico de consumo energético. Outros
dados que devem ser considerados são os tipos de painéis fotovoltaicos, as
especificações técnicas, orientação e ângulo de inclinação, sombreamento, modelos
de fabricação, eficiência energética, perdas de cargas, tolerância de potência do
painel fotovoltaico, qualidade da moldura e garantia do arranjo fotovoltaico.
Desse modo, foram analisados alguns fabricantes de painéis solares
fotovoltaicos ativos atualmente do mercado, tais como: Canadian Solar, SunPower,
Jinko Solar, Trina Solar, Kyocera Solar, LG Solar, Yingli Solar, e First Solar.
𝐺𝐼 = 𝐶𝑀 − 𝐶𝐷
(2)
42
3.2.4 Escolha do Inversor ou Microinversores
Com o tipo de placa solar determinada, é importante escolher o inversor ou
microinversores do sistema. Vale ressaltar que devem ser compatíveis com a potência
de pico do painel solar fotovoltaico.
Foi possível perceber que no mercado há dois tipos de inversores: o inversor
solar tradicional e os microinversores. Nesse projeto de dimensionamento de sistema
fotovoltaico, foi levado em consideração, alguns critérios como o monitoramento
individual das placas solares, prevenção contra possíveis sombreamentos que
poderão vir a existir ao longo da vida útil, desempenho individualizado, segurança na
instalação e modularidade do sistema fotovoltaico.
3.2.5 Potência de Pico do Painel Fotovoltaico
O cálculo da potência de pico do painel fotovoltaico tem como objetivo estimar
a potência máxima suportada pela fonte de alimentação. Com a determinação dessa
informação, possibilita uma proteção, evitando possíveis defeitos na fonte de
alimentação. A potência de pico pode ser calculada com a equação 3.
𝑃𝑓𝑣 (𝑊𝑝) =(
𝐸𝑇𝐷)
𝐻𝑆𝑃𝑚𝑎
(3)
Nessa perspectiva:
Pfv (Wp) = Potência de pico do painel fotovoltaico;
E (Wh/dia) = Consumo diário médio anual da edificação (descontado o valor mínimo
de disponibilidade de energia);
HSPma (h) = Média diária anual de horas de sol plena (HSP) incidente no plano do
painel fotovoltaico;
TD (adimensional) = Taxa de desempenho.
43
A taxa de desempenho é uma relação entre o desempenho real do sistema sob
determinadas condições e o provável desempenho teórico máximo. Segundo Pinho e
Galdinho (2014), a taxa de desempenho adotada para o sistema fotovoltaico
conectado à rede (SFCR), sem sombreamento e nas condições de radiação solar no
Brasil gira em torno de 70% a 80% TD.
3.2.6 Estimativa do Número de Módulos Fotovoltaico
Para o cálculo da estimativa inicial da quantidade de painéis solares fotovoltaico
necessários ao sistema on-grid, utiliza-se a equação 4, levando em consideração as
máximas potências dos módulos fotovoltaicos.
𝑄𝑢𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑒 𝑝𝑎𝑖𝑛é𝑖𝑠 = 𝑃𝑓𝑣(𝑊𝑝)
𝑃𝑝𝑎𝑖𝑛𝑒𝑙
(4)
Onde:
Pfv (Wp) = Potência de pico do painel fotovoltaico;
Ppainel = Potência do painel.
3.2.7 Geração Fotovoltaica Esperada
Com o sistema fotovoltaico em uso na unidade consumidora (UC), com todos
os componentes definidos, é nítido que será gerado uma certa quantidade de energia
solar fotovoltaica. Com essa questão, é imprescindível calcular o quanto de energia
será produzida pelo sistema fotovoltaico, de modo que possibilita uma comparação
entre o consumo energético e a geração fotovoltaica, conforme a equação 5.
44
𝐺𝑒𝑟𝑎çã𝑜 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = ∑ 𝐼o ∗ A ∗ Ƞ 𝑛
𝑡=0
(5)
Onde:
n = Número de dias no mês;
Io = Radiação média diária do mês em KWh/m²dia;
A = Área total dos módulos fotovoltaicos;
Ƞ = Eficiência do painel.
3.2.8 Viabilidade Econômica do Sistema
Nesta parte do projeto, realiza o cálculo do período de retorno do investimento
que foi aplicado para a implantação do sistema fotovoltaico através da equação 6.
Com isso, obtendo uma projeção da quantidade de tempo necessário para recuperar
os custos investidos nesse projeto.
𝑃𝐷 =𝐼𝑛𝑣𝑒𝑠𝑡𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝐺𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎 ∗ 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑑𝑎 𝑇𝑎𝑟𝑖𝑓𝑎 [𝑚𝑒𝑠𝑒𝑠]
(6)
Deve-se calcular também, a taxa de retorno anual, para isso, basta verificar a
proporção entre a economia obtida no primeiro ano e o investimento inicial do sistema
(SOLAR, 2017).
𝑅𝑒𝑛𝑡𝑎𝑏𝑖𝑙𝑑𝑎𝑑𝑒 = 𝐸𝑐𝑜𝑛𝑜𝑚𝑖𝑎 𝐴𝑛𝑢𝑎𝑙
𝐼𝑛𝑣𝑒𝑠𝑡𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜
(7)
45
4 RESULTADOS
4.1 Local de Estudo
A área de estudo se encontra na cidade de Lagarto, no estado de Sergipe. Se
trata de uma residência unifamiliar e está localizada na Rua Filadelfo Dórea, 825, no
centro da cidade, com as seguintes coordenadas: latitude: 10°54'45.3" Sul e longitude:
37°39'42.2" Oeste. Com as coordenadas e com auxílio do Google Maps, foi possível
obter a localização via satélite, conforme a Figura 19.
Figura 19: Localização do local de estudo via satélite. Fonte: Google Maps (2021).
46
4.2 Dados Coletados de Irradiação Solar do Local
Foi realizado coletas de informações a respeito da irradiação solara diária
média mensal, tanto no plano horizontal quanto no inclinado na região de lagarto –
SE. Os dados em questão foram retirados do banco de dados na CRESESB, pelo
programa sundata. Desse modo, a Tabela 1 traz de forma mais clara esses dados.
Tabela 1: Dados da irradiação solar diária média mensal no município de Lagarto - SE. Fonte: CRESESB (2018).
Com a análise desses dados, é possível perceber uma oscilação da geração
de energia fotovoltaica e essa diferença está relacionada a variação climática da
região. Dessa forma, em estações mais quentes haverá maior produção de energia,
principalmente no plano horizontal. Em tempos nublados a produção será
consideravelmente reduzida.
Analisando a Tabela 1 e executando as médias desses dados, resultará uma
maior quantidade de irradiação solar no plano inclinado, em 5,23 KWh/m²dia e uma
menor irradiação solar no plano horizontal, em 5,21 KWh/m²dia. Contudo, para o
dimensionamento do sistema fotovoltaico conectado à rede (SFCR), é recomendado
considerar as condições menos favoráveis para os cálculos, portanto, adotou-se a
irradiação solar no plano horizontal de 5,21 KWh/m²dia.
Vale ressaltar que no SFCR, haverá meses em que a produção será
insuficiente ao consumo, podendo então ser abastecida pela rede elétrica da
concessionária. Por outro lado, o dimensionamento proporcionará na maioria dos
47
meses, uma compensação energética, ou seja, a geração será maior que a produção
e garantirá créditos energéticos na própria concessionária.
Conforme a equação 1, a quantidade de HSP é a mesma da irradiação solar
diária média anual, ou seja, o resultado obtido é de 5,21 horas de sol pleno (HSP).
4.3 Consumo Energético do Local
Para determinar os dados de consumo energético, foi necessária uma análise
dos dados da fatura de energia elétrica no período de 12 meses. O levantamento
encontrado está abaixo no Gráfico 1.
Gráfico 1: Consumo energético do local. Fonte: Criação da autora (produzido em 2021).
Com os dados da fatura de energia fornecido pela energia, foi possível analisar
os últimos doze meses entre o ano de 2020 e 2021. Desse modo, obteve-se o
resultado de 380,58 KWh/ mês, através de uma média dos valores de consumo. Após
a obtenção desses dados, deverá subtrair a taxa mínima de disponibilidade de energia
350,00 344,00
450,00
420,00400,00
360,00 358,00 350,00 355,00 360,00
400,00420,00
380,58
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
Val
ore
s em
KW
/h
Consumo dos últimos doze meses
48
de uma unidade consumida monofásica. Desse modo, aplicando a equação 2, obtém-
se o resultado estimado para geração ideal de energia de 350,58 KWh/mês, sendo
equivalente a 11,68 KWh/dia.
𝐺𝐼 = 380,58 − 30
𝐺𝐼 = 350,58 𝐾𝑊/ℎ
4.4 Determinar potência do sistema
𝑃𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑜 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 =𝑔𝑒𝑟𝑎çã𝑜 𝑑𝑖á𝑟𝑖𝑎 𝑚é𝑑𝑖𝑎
𝐻𝑆𝑃 ∗ (1 − 𝐹𝑃)
𝑃𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑜 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 =11,68
5,21 ∗ (1 − 0,25)
𝑃𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑜 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 = 2,98 𝑘𝑊𝑝
FP = fator de perda = 25%
4.5 Determinar o tipo do painel fotovoltaico on-grid
Buscando atender aos requisitos de durabilidade, confiabilidade no mercado,
custo e benefício e eficiência do módulo, optou-se por escolher os painéis solares
policristalinos da marca Canadian Solar, conforme a Tabela 2, com potência nominal
de 390W e modelo CS3U KUMAX.
Tabela 2: Especificações do painel solar fotovoltaico. Fonte: Genyx (2021).
Fabricante Canadian Solar
Potência máxima (pmax) 390 w
Tensão de circuito aberto (voc) 46,8 v
Tensão em potência máxima
(vmp)
38,3 v
Corrente de curto-circuito (isc) 10,74 a
Corrente em potência máxima
(imp)
10,19 a
Tolerância de potência 0 ~ + 5 w
Eficiência do módulo 17,65%
Dimensões 2108 X 1048 X 40 mm
49
O posicionamento dos painéis solares para otimizar o seu desempenho é
direcionada ao Norte. Desse modo, através dos dados do sundata da CRESESB, foi
possível identificar que a inclinação ideal para absorção do maior potencial de
irradiação solar é igual a latitude da região de estudo, que dispõe de ângulo igual a
latitude de 11º de inclinação ao Norte.
4.6 Escolha do Inversor
O modelo adotado foi o inversor fronius de 3,0Kw, da fabricante Fronius. A
escolha foi feita com base na potência que foi determinada para os sistemas. Este
modelo possui potência nominal de 3000W na saída e na entrada pode operar arranjos
de módulos fotovoltaicos com potência instalada entre 2,5KW e 4,5KW.
4.7 Potência de pico do painel fotovoltaico
Para a realização do cálculo de potência de pico dos módulos fotovoltaicos,
optou-se por adotar uma taxa de desempenho (TD) de 80%, isso porque há uma
redução de 20% ao ano da eficiência dos painéis, de acordo com a garantia de
desempenho linear do fabricante. Utilizou-se os resultados do consumo diário médio
anual de 11,68 KWh/dia e HSP de 5,21 horas na equação 4. Portanto, a potência de
pico dos painéis é de 2,80 Wp (Watts pico).
𝑃𝑓𝑣 (𝑊𝑝) =(11,68
0,8 )
5,21
𝑃𝑓𝑣 (𝑊𝑝) = 2,80
50
4.8 Estimativa do número de módulos fotovoltaicos
Após a potência de pico determinada, foi possível determinar também a
quantidade de módulos fotovoltaico que serão instalados para atender à necessidade
e ser compatível com o sistema. Desse modo, utilizando a equação 5, com os valores
da potência de pico e potência dos painéis solares resultará em 7,17 painéis. Optou-
se por arredondar a quantidade de painéis solares desse sistema para 8 módulos
fotovoltaicos de 390 Watts.
𝑄𝑢𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑒 𝑝𝑎𝑖𝑛é𝑖𝑠 = 2800
390 = 7,17
4.9 Geração fotovoltaica esperada
Com a resolução dos cálculos da equação 7, permitiu-se estimar a geração de
energia solar mensal e anual do sistema fotovoltaico na unidade consumidora. Com o
Gráfico 2 é possível observar a relação entre o consumo energético e a geração
esperada.
51
Gráfico 2: Consumo energético x Geração esperada. Fonte: Criação da autora (produzido em 2021).
Para a chegar na geração esperada, foram necessários dados, a saber: 30 dias
para todos os meses, uma quantidade de 8 módulos solares, área do painel solar e
sua eficiência energética. Então, percebe-se que na maioria dos meses a geração
esperada pelo sistema fotovoltaico ultrapassará o consumo energético da UC. Os
meses que a geração foi menor que o consumo, se dá ao fato de ser o período de
inverno, ou seja, o HSP desses meses é menor.
Desse modo, o saldo dos meses de maior geração, disponibilizará créditos
energéticos na concessionária de energia, ou seja, uma compensação para os meses
de baixa geração do sistema fotovoltaico conectado à rede (SFCR). Esses créditos
poderão ser utilizados em até 60 meses.
464,10
387,68360,65 373,70
416,57
492,99526,53
567,54 577,79 566,61 554,49 542,38
350,00 344,00
450,00420,00
400,00
360,00 358,00 350,00 355,00 360,00
400,00420,00
0
100
200
300
400
500
600
700V
alo
res
em K
W/h
Geração Esperada Consumo Mensal
52
4.10 Viabilidade econômica do sistema fotovoltaico
Para estipular a viabilidade econômica, foi necessário realizar um levantamento
dos custos do investimento com o SFCR. Dessa forma, com base nas equações e
etapas anteriores, o sistema fotovoltaico on-grid será composto por 08 painéis solares
de 390W da fabricante Canadian solar e 1 inversor de 3,0Kw da fabricante Fronius,
equipado com uma potência instalada entre 2,5KW e 4,5KW.
Portanto, para a instalação do sistema fotovoltaico, foi levado em consideração
os valores de mercado e serviços locais. Os valores estimados dos custos estão
apresentados no orçamento da Tabela 3.
Tabela 3: Custos do Sistema Fotovoltaico on-grid. Fonte: Criação da autora (produzido em 2021).
Desse modo, para esse dimensionado de energia solar fotovoltaica o custo
para o investimento ficou em torno de R$ 22.126,39, esse valor foi determinado de
acordo com a necessidade de consumo da residência unifamiliar.
Vale ressaltar que para determinar a viabilidade econômica, é necessário
compreender que os módulos fotovoltaicos possuem garantia de 10 anos contra
defeito de fábrica e 25 anos para perda de eficiência dos painéis, acima de 20% ao
longo desses anos. Além disso, o inversor possui garantia de 07 anos contra defeito
de fabricação.
Diante do valor do investimento proposto, se faz necessário calcular o período
de retorno financeiro, também chamado de payback.
Equipamento e serviços
Quantidade Custo (R$)
Módulos fotovoltaicos 08 6.892,32
Inversor 01 8.834,07
Estrutura de fixação - 1.500,00
Cabos e conectores - 1800,00
Projeto e Homologação - 1.400,00
Instalação - 1.700,00
TOTAL 22.126,39
53
O tempo de retorno do investimento, em inglês payback, no dimensionamento
de um sistema solar indica o tempo necessário para que as economias geradas
cubram todos os gastos iniciais da instalação, e assim dar lucro para ao proprietário.
Em suma, este cálculo é feito pelo levantamento do custo total do investimento e
dividindo-se pela economia proporcionada mensalmente, conforme equação 6
(SOLAR, 2017).
Para determinar o payback do investimento no sistema fotovoltaico conectado
à rede (SFCR), foi utilizado a equação 6. Na Tabela 4, é possível uma melhor
visualização dos dados encontrados. Portanto, conforme a equação 6, o payback para
esse projeto será de aproximadamente 85 meses, equivalente a 7 anos.
Fazendo o uso da equação 6 com o investimento inicial de R$ 22.126,39 e uma
energia gerada de 485,91 kWh, valor obtido a partir da geração média anual, sendo
por 12 (quantidades de meses no ano), a tarifa considerada foi a de R$ 0,53/kWh.
𝑃𝑎𝑦𝑏𝑎𝑐𝑘 =22.126,39
485,91 ∗ 0,53 ~ 85 𝑚𝑒𝑠𝑒𝑠
O custo para obtenção de um sistema fotovoltaico, além do investimento inicial,
também inclui custos operacionais, de manutenção e reposição. Com isso, o cálculo
do retorno de investimento será realizado considerando o pagamento à vista do
sistema. Além disso, será considerada uma vida útil de 25 anos dos módulos
fotovoltaicos, que de acordo com Energia (2015), é a expectativa média que os
fabricantes garantem, sendo 90% da potência até o 12º ano e 80% em 25 anos.
O retorno de investimento foi calculado a partir da projeção do preço da energia
juntamente com à capacidade média anual de geração do sistema. O valor inicial é o
de kWh 5.831,00 produzidos anualmente, é possível observar isso na Tabela 4, sendo
que a cada ano foi considerado uma depreciação de 1,25% ao ano, já que em média
os módulos têm uma eficiência de 80% no final dos primeiros 25 anos.
Para o cálculo do valor da economia, foi levada em conta a energia gerada no
ano multiplicado pela projeção do preço do kWh, que, atualmente, em Sergipe sai a
aproximadamente R$ 0,53. O primeiro fluxo de caixa é obtido subtraindo-se o valor do
investimento inicial pela economia do primeiro ano. Os seguintes são calculados a
partir da economia do ano e do fluxo de caixa passado. Para a projeção do preço da
energia, foi atribuída uma inflação energética de 10% ao ano, dado obtido a partir de
54
uma estimativa após análise dos cenários dos últimos anos. Neste caso foi utilizado a
taxa de 11% ao ano.
Alguns componentes do sistema fotovoltaico não possuem a mesma
durabilidade que os módulos solares. O inversor, por exemplo, tem uma vida útil de
cerca de 07 anos, podendo chegar a 10 ou mais, dependendo das condições do
ambiente e da ocorrência de descargas atmosféricas (ENERGIA, 2015). Desse modo,
no 10º ano será considerada a troca do inversor, que para os fins matemáticos foi
considerado o mesmo preço orçado anteriormente. Os cálculos da economia do
sistema foram realizados usando como referência Colaferro (2017), na Tabela 4.
Tabela 4: Payback do sistema fotovoltaico. Fonte: Criação da autora (produzida em 2021).
ANO GERAÇÃO
(KW/h) TARIFA (R$)
ECONOMIA (R$)
FLUXO DE CAIXA (R$)
1º 5.831,00 0,53 3.090,43 - 19.035,96
2º 5.786,11 0,58 3.355,94 - 15.680,02
3º 5.686,13 0,64 3.639,12 - 12.040,89
4º 5.615,05 0,71 3.986,69 - 8.054,21
5º 5.544,86 0,78 4.324,99 - 3.729,22
6º 5.475,54 0,86 4.708,96 979,75
7º 5.407,09 0,95 5.136,74 6.116,48
8º 5.339,50 1,05 5.606,48 11.722,96
9º 5.272,75 1,16 6.116,39 17.839,35
10º 5.206,84 1,28 6.664,76 24.504,10
11º 5.141,75 1,42 7.301,29 31.805,39
12º 5.077,47 1,57 7.971,63 39.777,02
13º 5.014,00 1,74 8.724,36 48.501,38
14º 4.951,32 1,93 9.556,05 58.057,42
15º 4.889,42 2,14 10.463,36 68.520,78
16º 4.828,30 2,37 11.443,07 79.963,85
17º 4.767,94 2,63 12.539,68 92.503,54
18º 4.708,34 2,91 13.701,27 106.204,81
19º 4.649,48 3,23 15.017,82 121.222,63
20º 4.591,36 3,58 16.437,07 137.659,69
21º 4.533,96 3,97 17.999,82 155.659,52
22º 4.477,28 4,40 19.700,03 175.359,55
23º 4.421,31 4,88 21.575,99 196.935,54
24º 4.366,04 5,41 23.620,28 220.555,82
25º 4.311,46 6,00 25.868,76 246.424,58
55
4.11 Rentabilidade do sistema fotovoltaico
Tendo em vista o retorno de investimento como um indicador importante no
momento de aquisição de um sistema fotovoltaico, outro fator interessante a ser
analisado é, também, a rentabilidade do projeto. Através da equação 7, foi possível
chegar a taxa de rentabilidade para o sistema fotovoltaico em questão.
No cenário atual, a relevância do retorno obtido investindo em energia solar é
bastante significativa frente às outras aplicações. A rentabilidade de um sistema
fotovoltaico pode ir de 10% a 50% ao ano, dependendo do tamanho do sistema e do
valor da tarifa (SOLAR, 2017).
𝑅𝑒𝑛𝑡𝑎𝑏𝑖𝑙𝑑𝑎𝑑𝑒 = 3.090,43
22.126,39= 0,1396 = 13,96%
56
5 CONSIDERAÇÕES FINAIS
Com o objetivo inicial de analisar a viabilidade um sistema fotovoltaico
residencial como alternativa de geração de energia e que suprisse as necessidades
dos seus usuários para uma para residência de pequeno porte, foi proposto neste
trabalho todo o detalhamento desse projeto de engenharia através do
dimensionamento. Diante dos cálculos de dimensionamento, investimento e taxa de
retorno do sistema, chegou-se à conclusão de que a execução do projeto é viável
devida à sua rentabilidade.
Tendo um investimento inicial de R$ 22.126,39 para aquisição dos módulos
fotovoltaicos e acessórios do sistema, já incluso mão de obra, a potência total
instalada será de 2,98 KWp distribuídas em 08 módulos. A capacidade de geração
anual, no primeiro ano, será de 5.831,00 kWh, resultando em uma economia inicial de
R$ 3,090,43.
Considerando o pagamento à vista do sistema, o tempo retorno de investimento
é igual a 7 anos, dentro dos padrões esperados para um sistema solar residencial.
Vale ressaltar que independentemente da escolha da forma de pagamento, o
proprietário terá em mãos um sistema com vida útil de no mínimo 25 anos, capaz de
gerar uma grande economia nas faturas de energia por muitos anos. Por se tratar de
uma residência de médio padrão, com baixo consumo se comparado a residências de
alto padrão, o tempo de retorno se torna bem superior. Desse modo, vale ressaltar
que quanto maior for o consumo energético da residência, maior viabilidade terá
sistema fotovoltaico.
O investimento no sistema fotovoltaico conectado à rede elétrica, portanto,
torna-se uma opção muito viável devido ao cenário energético atual do país. Além
disso, a microgeração distribuída teve grande crescimento nos últimos anos, sendo
um cenário favorável para esse tipo de sistema.
57
REFERÊNCIAS
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60
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61
ANEXO A - TERMO DE RESPONSABILIDADE DO REVISOR
DE LÍNGUA PORTUGUESA
62
ANEXO B - DOCUMENTO COMPROBATÓRIO DE
HABILIDADE COM A LÍNGUA PORTUGUESA
63
ANEXO C - TERMO DE RESPONSABILIDADE DO
TRADUTOR
64
ANEXO D - DOCUMENTO COMPROBATÓRIO DE
HABILIDADE COM A LÍNGUA ESTRANGEIRA
![Como Produzir Eletricidade? [Sistema Fotovoltaico]](https://img.document.onl/doc/110x75/55c1c53bbb61eb5a338b4719/como-produzir-eletricidade-sistema-fotovoltaico.jpg)
