PRÉ-DIMENSIONAMENTO DE SISTEMA SOLAR FOTOVOLTAICO:ESTUDO DE CASO DO EDIFÍCIO SEDE DO CREA-SC

Deivis Luis Marinoski (1); Isabel Tourinho Salamoni (2); Ricardo Rüther (3) (1) Eng. Civil, Mestrando. E-mail: deivis@labeee.ufsc.br (2) Arquiteta, Mestranda. E-mail: isamoni@labeee.ufsc.br (3) Eng. Metalúrgico, PhD. E-mail: ecv1rrr@ecv.ufsc.br

Universidade Federal de Santa Catarina – Campus Universitário – Trindade ECV/NPC/LabEEE, Caixa Postal 476 – CEP 88040-900. Homepage: www.labeee.ufsc.br

RESUMO

Atualmente algumas fontes de energia não renováveis são utilizadas em grande escala, embora num horizonte de algumas décadas estas poderão ser esgotadas. Devido a este fato, esforços vêm sendo realizados na busca de novas alternativas para a geração de energia a um nível sustentável. Uma das tecnologias renováveis mais recentes e que vem sendo cada vez mais utilizada nos países desenvolvidos é a energia solar fotovoltaica. Este trabalho apresenta um estudo de caso do pré-dimensionamento de um sistema solar fotovoltaico integrado a uma edificação urbana e interligado à rede elétrica pública. O edifício em questão é o prédio sede do CREA-SC (Conselho Regional de Engenharia, Arquitetura e Agronomia de Santa Catarina). O objetivo do sistema é gerar energia elétrica para a edificação a partir da energia solar, com utilização de placas solares fotovoltaicas, verificando a relação entre esta geração e o consumo do prédio.

Palavras-chave: Fonte de energia renovável, Sistema solar fotovoltaico, Geração de energia elétrica

1. INTRODUÇÃO

1.1 Uma alternativa para geração de energia

O crescimento da população mundial, associado ao desenvolvimento tecnológico e industrial, conduz a um grande aumento da demanda energética. Muitas das fontes de energia utilizadas atualmente têm volumes limitados e poderão se esgotar em um horizonte de algumas décadas. A disponibilidade de energia não mais corresponde à demanda imposta pela estrutura espacial da vida urbana, o que implica num período de adaptação. Estamos entrando num período de redução de possibilidades energéticas, principalmente das originadas do petróleo, que é hoje, uma fonte de energia polivalente; e as fontes de energia nucleares, geotérmicas, solares, biomassa e outras, que substituirão as atuais, deverão, nas próximas décadas, ajustar-se as necessidades de utilizações, para que não venham a causar problemas ambientais. (KNIJNIK, 1994).

Dados da Eletrobrás (2000) relatam que as reservas de combustíveis fósseis de boa qualidade no Brasil não são grandes e que as reservas de petróleo são avaliadas como suficientes para 22 anos. O potencial hidrelétrico do Brasil, do qual somente 23% é aproveitado, tem sua maior capacidade na região amazônica, onde a inundação de enormes áreas para a construção de reservatórios das hidrelétricas poderia trazer como resultado uma catástrofe ambiental.

Neste contexto faz-se necessário buscar novas alternativas para geração de energia. Uma destas alternativas é a utilização da energia solar. A radiação solar chega a nosso planeta de forma abundante e pode ser considerada uma fonte inesgotável. Estima-se que o tempo necessário para que incida sobre a terra, uma quantidade de energia solar equivalente à demanda energética mundial anual, seja de aproximadamente 12 minutos. Em três semanas, a energia solar incidente sobre a terra equivale

I CONFERÊNCIA LATINO-AMERICANA DE CONSTRUÇÃO SUSTENTÁVELX ENCONTRO NACIONAL DE TECNOLOGIA DO AMBIENTE CONSTRUÍDO18-21 julho 2004, São Paulo. ISBN 85-89478-08-4.

também a todas as reservas conhecidas de combustíveis fósseis como óleo, gás natural e carvão (RÜTHER, 2000).

A cada dia novas pesquisas vêm apresentando diferentes tecnologias para utilização e aproveitamento desta fonte de energia, já tornando sua aplicação uma realidade em muitos países. A energia solar fotovoltaica tem provido energia elétrica para qualquer aplicação e em qualquer localização na terra e no espaço, sendo que o meio urbano começou a se destacar como um grande absorvedor desta tecnologia ecológica.

1.2 Tecnologia Fotovoltaica A tecnologia fotovoltaica é vista por muitos, como um caminho ideal para a geração de energia, através de uma fonte inesgotável e não poluente. É um método de produção de energia sustentável e amigável ao meio ambiente, trazendo benefícios tanto ambientais quanto energéticos. Atualmente, existem no mercado várias tecnologias fotovoltaicas, baseadas em diferentes elementos.

Em termos de aplicações terrestres destacam-se as células solares de silício cristalino (c-Si), o silício amorfo hidrogenado (a-Si:H ou a-Si), o telureto de cádmio (CdTe) e outros compostos relacionados ao dissulfeto de cobre e índio. Neste último grupo, segundo Ruther (2000), aparecem elementos altamente tóxicos e raros. Este fator fez com que surja um obstáculo considerável na utilização mais acentuada destas tecnologias em alguns países.

Dentre os modelos mencionados, os que possuem maior utilização são os painéis de silício cristalino e os de silício amorfo.

A tecnologia de filmes finos vem sendo cada vez mais utilizada, principalmente na integração com o entorno construído, por apresentar uma grande diversidade de modelos e também devido ao baixo custo de produção. Hoje, estão disponíveis no mercado painéis flexíveis, mais leves e resistentes, semitransparentes, ou até mesmo com superfícies curvas, que podem substituir elementos de revestimento na edificação.

Estudos já realizados relatam que devido a excelente performance que os painéis de a-Si têm demonstrado, estes são uma boa escolha de tecnologia para rede-conectada, integração com a edificação e utilização em climas quentes como no Brasil (RUTHER, 2000).

1.3 Integração com as edificações A geração de energia elétrica convencional é centralizada e distante do ponto de consumo, isso faz com que o sistema gere perdas na distribuição, aumentando os custos da produção da energia e causando danos às concessionárias e ao meio ambiente. No entanto, a geração distribuída oferece inúmeras vantagens ao setor elétrico, uma vez que a disposição da unidade de geração é próxima da carga, além disso, permite uma maior diversificação das tecnologias empregadas para a produção de energia (RODRIGUES, 2002).

Inicialmente, os sistemas de conexão à rede elétrica se desenvolviam somente para centrais fotovoltaicas de grande porte, já que se pensava que estas poderiam, no futuro, resolver certos problemas existentes na geração e distribuição de energia convencional. A medida em que o mercado da eletrônica avançou, começaram a ser desenhados, também, sistemas de menores portes, com a finalidade de atender a pequenas centrais domésticas, que hoje correspondem a mais de 50% do mercado fotovoltaico (ATHANASIA, A. L.; 2000).

A energia elétrica proveniente de fontes renováveis de pequena escala é vista como opção, em diferentes níveis, por diversos países. Dentre eles a Alemanha, Espanha, Japão e Estados Unidos. No Brasil a discussão da inserção dessas fontes ainda é muito carente e necessita de uma abordagem mais aprofundada (OLIVEIRA, 2002).

Recentemente, os sistemas solares fotovoltaicos têm sido utilizados de forma integrada à rede elétrica pública. Estas instalações podem apresentar duas configurações distintas: instaladas de forma integrada à edificação (no telhado ou fachada), e, portanto próximo ao ponto de consumo, ou de forma centralizada como em uma usina geradora convencional, neste caso, distante do ponto de consumo.

Os painéis fotovoltaicos interligados à rede elétrica podem ser integrados a qualquer edificação, sendo o único requisito uma orientação solar favorável (superfícies voltadas para norte, leste ou oeste), sendo que a orientação ideal são as superfícies voltadas para o norte geográfico, no hemisfério sul, pois permitem uma maior captação da energia gerada pelo sol.

O sistema fotovoltaico tem um grande potencial para o design dos edifícios, tornando-se, possivelmente, um elemento indispensável não somente para os sistemas construtivos, mas para o meio ambiente. Cada vez mais os países desenvolvidos vêm utilizando este sistema, não somente para uso residencial, mas também em edificações comerciais e industriais, pois estas normalmente apresentam grandes áreas planas, que são bastante adequadas à integração de geradores fotovoltaicos.

2. OBJETIVO Este trabalho apresenta um estudo de caso de pré-dimensionamento de um sistema solar fotovoltaico integrado a uma edificação urbana e interligado à rede elétrica pública. O sistema tem por finalidade gerar energia elétrica para a edificação a partir da energia solar fotovoltaica, através de placas solares, sendo realizada uma verificação do percentual do consumo de energia elétrica na edificação, que poderá ser suprido através da aplicação de diferentes tecnologias de painéis.

3. LEVANTAMENTO DE DADOS

3.1 Descrição do local O local de estudo para implantação do sistema fotovoltaico é o edifício sede do CREA-SC (Conselho Regional de Engenharia, Arquitetura e Agronomia de Santa Catarina), localizada na cidade de Florianópolis, capital do estado de Santa Catarina. O edifício é composto por dois pavimentos, e apresenta uma série de proteções solares (brises verticais) de concreto nas fachadas, conforme mostra a Figura 1.

Fachada Sudoeste (principal) Fachada Sudeste

Fachada Nordeste Fachada Noroeste

Figura 1. Vista externa da edificação

A cobertura do prédio apresenta uma área total de aproximadamente de 878m2, sendo composta por diversas águas. As telhas são do tipo fibrocimento, com exceção da cobertura do vão central do

prédio, onde são utilizados domos de acrílico. A inclinação das águas da cobertura é pequena, aproximadamente 2%. A Figura 2 apresenta um esboço com a planta de cobertura do edifício, dividida em dez áreas principais.

3.2 Áreas para instalação de painéis

Figura 2. Esquema de cobertura do prédio

Através de uma verificação nas plantas do projeto arquitetônico da edificação, foram levantadas as áreas de cobertura com possibilidade de aproveitamento para instalações de painéis fotovoltaicos, conforme a divisão apresentada na Figura 2. O somatório destas áreas totaliza aproximadamente 790 m2 (Tabela 1).

Foram também consideradas as áreas disponíveis das proteções solares existentes nas janelas do prédio. Existem 142 brises distribuídos nas 4 fachadas, estes disponibilizam uma área livre de aproximadamente 262 m2, como mostra a Tabela 2

Tabela 1. Áreas de cobertura

ÁreaNo

Comp.(m)

Larg. (m)

Área(m²)

1 11,20 4,60 51,52 2 28,20 4,60 129,72 3 28,20 4,60 129,72 4 10,60 4,40 46,64 5 10,60 4,40 46,64 6 7,05 4,20 29,61 7 7,05 4,20 29,61 8 33,05 4,10 135,51 9 33,05 4,10 135,51

10 8,10 6,90 55,89 Total 790,36

Tabela 2. Áreas dos brises

BrisesFachada Comp.

(m) Larg.(m)

Área Unit. (m²)

No de brises

Área(m²)

Nordeste 1,85 0,98 1,80 50 90,19 Sudoeste 2,20 0,98 2,15 18 38,61 Noroeste 1,85 0,98 1,80 37 66,74 Sudeste 1,85 0,98 1,80 37 66,74 Total 142 262,28

A aplicação dos painéis em regiões sombreadas reduz a capacidade de geração do painel prejudicando a desempenho do sistema. Devido à existência de um reservatório superior (caixa d’água), instalado na cobertura do prédio, fez-se necessária uma análise da sombra projetada por este elemento, para evitar a instalação de painéis em áreas que permanecem sombreadas por longos períodos durante o dia.

Esta análise do sombreamento projetado pela caixa d’água, foi realizada com a ajuda do programa ECOTECT 5.01. Através de uma modelagem tridimensional do prédio é possível delimitar a área sombreada por um elemento, em diferentes horários e épocas do ano. O programa simula a trajetória solar para a latitude local, possibilitando verificar a projeção da sombra sobre a cobertura da edificação.

Realizou-se a verificação do caminho percorrido pela sombra da caixa d’água nas datas correspondentes aos três pontos marcantes da declinação solar durante o ano, os solstícios de verão e inverno (22 de dezembro e 22 de junho) e para os equinócios (21 de março e 23 setembro). Com isso é possível delimitar a faixa (área) em que ocorre o sombreamento durante todo o ano.

A Figura 3 e a Figura 4 (geradas com o programa ECOTECT 5.01) mostram a representação gráfica da amplitude das sombras e toda a trajetória seguida sobre o telhado durante os dias de solstício de verão e inverno.

6:00h

9:00h

12:00h

15:00h

18:00h

Figura 3. Sombreamento no telhado (solstício de verão)

7:30h

9:00h

12:00h

15:00h

6:45h

Figura 4. Sombreamento no telhado (solstício de inverno)

Através da analise da variação da trajetória solar, foi possível delimitar a área atingida pela sombra do reservatório ao longo do ano, sendo esta representada pela região hachurada na Figura 5. Esta área corresponde a 40,7 % (321,4 m2) do espaço disponível para aplicação dos painéis na cobertura. O não aproveitamento deste espaço reduziria em muito o aproveitamento da energia solar e o impacto na redução da compra de energia da rede. Devido e este fato, optou-se por considerar como área sombreada, a região que é atingida pela sombra do reservatório no período diário das 9:00 as 15:00

horas. É durante este horário que a intensidade da radiação solar é mais elevada. Além do perímetro da sombra, durante o horário assumido, ainda foi atribuído um avanço de mais um metro. Na Figura 6, a região hachurada corresponde a área considerada sombreada em projeto, que é igual a 157,90 m2, onde não serão instalados painéis.

Figura 5. Área atingida pela trajetória da sombra

Figura 6. Área considerada sombreada(sem aplicação de painéis)

3.3 Consumo de energia elétrica O consumo médio mensal e médio diário de energia elétrica foi determinado a partir das contas de energia do período de janeiro de 2002 até maio de 2003, conforme apresentado na Tabela 3. O consumo anual neste período foi de 198.019 kWh, já a média de consumo mensal foi de aproximadamente 16.501 kWh.

Através da Figura 7 é possível notar que o consumo é mais acentuado entre os meses de dezembro a abril, atingindo o pico em fevereiro e março. Isso já era esperado devido a elevação da temperatura que acorre nos meses de verão, o que conduz à necessidade de climatização dos ambientes. Conseqüentemente, os gastos de energia elétrica são mais elevados devido ao uso do sistema de ar condicionado.

Tabela 3. Consumo médio mensal e diário

MêsConsumo

médio(kWh)

Dias de consumo/

mês

Média diaria (kWh/dia)

Jan 16567 31 534,4 Fev 21285 32 665,1 Mar 21266 28 745,6 Abr 19532 32 640,1 Mai 16465 31 514,6 Jun 13004 30 433,5 Jul 13980 33 423,6

Ago 12750 30 425,0 Set 12683 29 437,3 Out 16906 32 528,3 Nov 14133 29 487,3 Dez 19450 27 720,4

Média 16501 30 546,3

0

5000

10000

15000

20000

25000

Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez

kWh

Figura 7. Variação do consumo médio mensal (ano: 2002-2003)

3.4 Orientação geográfica Para determinar a orientação das fachadas do prédio foi realizada uma visita in loco. Através da utilização de uma bússola verificou-se a direção do norte magnético. Para realizar o cálculo do valor da declinação magnética na cidade de Florianópolis, e determinar a direção do norte verdadeiro (geográfico), fez-se uso do programa DeclinaçãoMagnética 2.0. O resultado encontrado na data do estudo, foi de uma declinação de 17,93°. A partir deste dado foi possível obter os valores dos azimutes em cada fachada da edificação, conforme apresentado na Tabela 4 e na Figura 8.

Tabela 4. Correção dos azimutes

Azimute Fachada Norte

Magnético DeclinaçãoMagnética

NorteGeográfico

Nordeste 35,0 17,9 17,1 Sudoeste -145,0 17,9 -162,9 Noroeste -55,0 17,9 -72,9 Sudeste 125,0 17,9 107,1

NG

NG NG

NG

Figura 8. Azimutes das fachadas

3.5 Radiação solar Para realizar o cálculo da potência gerada pelos painéis foram necessários dados diários de radiação solar incidente. Os valores das médias mensais do total diário da radiação solar (kWh/m2/dia), em todos os meses do ano, foram obtidos com o do programa Radiasol 2.1, em função das diferentes orientações e inclinações para os painéis. Na cobertura os ângulos de inclinação analisados para instalação dos painéis foram de 0° (horizontal), 15° e 27° (latitude local – maior incidência de radiação), direcionados para nordeste e sudoeste; já em cada uma das fachadas verificou-se os valores da radiação incidente para os ângulos de inclinação dos painéis iguais a 15°, 27° e 90°.

4. RESULTADOS

4.1 Potência nominal necessária Através do cálculo da potencia nominal (gerada a partir da radiação solar) necessária para atender ao consumo médio diário da edificação, pode-se estimar a área de painéis a ser instalada. Este cálculo mostra, de forma aproximada, a capacidade da edificação de manter-se autônoma, apenas fazendo uso energia solar, ou seja, independente da energia da rede elétrica pública.

Para realizar esta avaliação é necessário assumir e conhecer alguns condições iniciais. Primeiramente, tem-se como consumo médio diário da edificação, o valor do consumo anual dividido pelo total de dias do ano. Este valor corresponde ao consumo médio de 546,3 kWh por dia. Outro dado indispensável é o ganho diário por radiação solar, a qual incide no plano do arranjo fotovoltáico. Supondo a instalação dos painéis com um ângulo de inclinação igual a zero (posição horizontal) e com um desvio azimutal em relação ao norte de -17° (acompanhando a direção do telhado), o ganho médio total de radiação durante o dia para a cidade de Florianópolis, fornecido pelo programa Radiasol 2.1,corresponde a 4,253 kWh/m2 por dia. Através da aplicação da Equação 1 determina-se a potência nominal instalada (Pcc) necessária para atender a demanda da edificação.

RG

EP poa

cc

)( [Eq. 1]

Onde:

Pcc = Potência média necessária (kWpcc);

E = Consumo médio diário durante o ano (kWh/dia); Gpoa = Ganho por radiação solar: média mensal do total diário (kWh/m2/dia);R = Rendimento do sistema (%).

Desta forma, para um rendimento de aproximadamente 93% (valor que depende do modelo de inversor de corrente utilizado), seria necessária uma geração solar de 138,1 kWpcc para atender as necessidades diárias de consumo do prédio. A partir deste valor é possível verificar a área total a ser ocupada pelos painéis. Cada tecnologia de painel fotovoltaico possui diferentes graus de eficiência de conversão, como nesta etapa do estudo ainda não definiu-se qual tipo de equipamento será adotado, supõem-se, para efeito de estimativa, uma eficiência de 12% (alta eficiência). Assim, através da divisão da potencia média necessária pela eficiência do painel encontra-se uma área resultante (Equação 2), que é igual a 1151 m2.

ff

cctotal E

PA [Eq. 2]

Onde:

Atotal = Área de painéis (m2);Pcc = Potência média necessária (kWpcc);Eff = Eficiência do painel (%).

É possível notar que mesmo para um valor de eficiência alto e a utilização de toda área disponível na edificação para a aplicação de painéis (1052,6 m2), não seria possível suprir a necessidade energética do prédio. Deste modo, a seqüência do estudo tem como objetivo verificar o percentual de redução no consumo de energia elétrica vinda da rede, proporcionado pelo sistema fotovoltaico integrado nesta edificação.

4.2 Características dos painéis Para realização do estudo, foram selecionados 4 modelos de painéis fotovoltaicos disponíveis em uma base de dados internacional (PHOTON INTERNATIONAL, 2003). Estes quatro modelos englobam três tecnologias de células fotovoltaicas de silício: policristalino, monoristalino e amorfo. Os principais critérios de escolha dos painéis foram a sua eficiência, dimensões, potência nominal, tensão e sua finalidade de aplicação. A Tabela 5 apresenta os modelos de painéis utilizados nas simulações de alternativas de geração.

Tabela 5. Modelos de painéis utilizados

Painéis Selecionados CaracterísticasA B C D

Fabricante Axitec Solon Alfasolar Bekaert ECD Solar Systems

Modelo AC-190P SOLON P200 Q6 alfasolar 120 M Uni-Solar US-64 Tipo das células Policristalino Policristalino Monocristalino Amorfo Potência Nominal (W) 190 200 120 64 Comprimento (m) 1,335 1,600 1,293 1,366 Largura (m) 1,052 0,950 0,660 0,741 Espessura (m) 0,035 0,042 0,035 0,32 Eficiência (%) 13,5 13,2 14,1 6,3 Voltagem MPP (V) 20,4 29,4 17,9 16,5 Peso (kg) 15,9 17,0 11,8 9,17

4.3 Alternativas de geração Para estimar a redução no consumo de energia elétrica da rede através da utilização do sistema fotovoltaico, foram simuladas 5 alternativas de aplicações descritas á seguir:

Alternativa 1: aplicações de painéis, modelo AC-190P, apenas na cobertura, direcionados para nordeste (azimute 17°) e com inclinação de 15°.

Alternativa 2: aplicação de painéis, modelo AC-190P, na cobertura, direcionados para nordeste (azimute 17°) e com inclinação de 15°. Aplicação de painéis, modelo SOLON P200 Q6, sobre os brises das fachadas sudeste, nordeste e noroeste, com inclinação de 90° (vertical).

Alternativa 3: aplicação de painéis, modelo AC-190P, na cobertura, direcionados para nordeste (azimute 17°) e com inclinação de 15°. Aplicação de painéis, modelo SOLON P200 Q6, sobre os brises das fachadas sudeste, nordeste e noroeste, com inclinação de 27°.

Alternativa 4: aplicação de painéis, modelo alfasolar 120 M, na cobertura, direcionados para nordeste (azimute 17°), com inclinação de 15°. Aplicação de painéis sobre os brises das fachadas sudeste, nordeste e noroeste, com inclinação de 90°.

Alternativa 5: aplicação de painéis, modelo Uni-Solar US-64, na cobertura, direcionados para nordeste (azimute 17°), com inclinação de 15°. Aplicação de painéis sobre os brises das fachadas sudeste, nordeste e noroeste, com inclinação de 90°.

Para estimativa inicial do número de painéis na cobertura, assumiu-se que estes ocupariam efetivamente 50% da área útil para sua instalação (316,2 m2). O restante dá área foi destinado ao espaço de circulação para manutenção do equipamento, e ao afastamento necessário para evitar o sombreamento causado pelos próprios painéis, devido a sua inclinação.

Nas fachadas, o formato dos brises (dimensões) permite a instalação de um único painel fotovoltáico por unidade. Porém, na fachada sudoeste não foi proposta a aplicação de painéis devido ao fato desta receber a menor incidência de radiação solar direta (posição geográfica desfavorável) e também devido as suas características arquitetônicas. Nesta fachada existem paredes salientes, que formam o auditório do prédio, gerando sombreamento nas áreas onde poderiam ser instalados os painéis fotovoltaicos. Desta forma, optou-se por não utilizar este espaço, em função do seu baixo potencial de geração energética.

4.4 Redução do uso da energia da rede A partir da área de painéis instalados na cobertura e nos brises, pode-se aplicar novamente as Equações 1 e 2, de maneira a obter-se a média diária de energia gerada pelo sistema ao longo de cada mês. A Tabela 6 mostra a estimativa dos valores de consumos mensais que pode ser suprido através da aplicação de cada uma das 5 alternativas propostas.

Tabela 6. Parcela do consumo atendida pela geração solar (alternativas 1 a 5)

Alternativas de geração 1 2 3 4 5 Mês

ConsumoMédio(kWh) (kWh) (%) (kWh) (%) (kWh) (%) (kWh) (%) (kWh) (%)

Jan 16567 6596 39,8 8446 51,0 10300 62,2 8099 48,9 3698 22,3 Fev 21285 5551 26,1 7135 33,5 8668 40,7 6832 32,1 3121 14,7 Mar 21266 6014 28,3 7731 36,4 9387 44,1 7403 34,8 3381 15,9 Abr 19532 5583 28,6 7275 37,2 8714 44,6 6931 35,5 3170 16,2 Mai 16465 5008 30,4 6669 40,5 7819 47,5 6304 38,3 2889 17,5 Jun 13004 3916 30,1 5253 40,4 6120 47,1 4952 38,1 2271 17,5 Jul 13980 3959 28,3 5274 37,7 6186 44,2 4984 35,7 2284 16,3

Ago 12750 4482 35,2 5862 46,0 6996 54,9 5577 43,7 2552 20,0 Set 12683 4399 34,7 5765 45,5 6876 54,2 5481 43,2 2508 19,8 Out 16906 5085 30,1 6648 39,3 7952 47,0 6326 37,4 2894 17,1 Nov 14133 6640 47,0 8439 59,7 10365 73,3 8115 57,4 3702 26,2 Dez 19450 7442 38,3 9372 48,2 11608 59,7 9043 46,5 4122 21,2

Total 198019 64677 32,7 83869 42,4 100991 51,0 80045 40,4 36593 18,5

Na Figura 9 pode-se observar de maneira mais clara a parcela da demanda mensal de energia que é atendida através de cada alternativa analisada. Nota-se que a variação do consumo entre os meses de verão e inverno é mais acentuada que a variação da geração solar, o que explica o fato de que durante alguns meses com intensidade de radiação solar alta (fevereiro e março) o percentual do consumo atendido seja inferior aos demais.

0

5000

10000

15000

20000

25000

Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez

kWh

Consumo Médio Alternativa 1 Alternativa 2 Alternativa 3 Alternativa 4 Alternativa 5

Figura 9. Consumo x Geração Solar (alternativas 1 a 5)

Comparando o percentual de consumo atendido pela alternativa 1 (painéis apenas na cobertura ) às alternativas 2 e 3, percebe-se que a aplicação dos painéis nas fachadas (sobre os brises) tem um impacto significativo na geração. Esta parcela chega a quase 10% do consumo de edificação quando os painéis são instalados na posição vertical (alternativa 2), e a aproximadamente 18% quando instalados com uma inclinação de 27° (alternativa 3).

Embora a hipótese de instalação dos painéis sobre os brises com uma inclinação de 27° (alternativa 3), tenha conduzido a melhores resultados, é importante considerar que construtivamente a sua instalação seria mais complexa no que se refere a estrutura de suporte, e também em relação a análise do sombreamento entre os próprios painéis. Além disso, haveria um maior impacto visual e estético sobre a edificação.

Pode-se observar que a eficiência do painel é um fator muito importante para o desempenho do sistema fotovoltáico, porém é necessário analisar também a influência da distribuição dos mesmos. Isto pode ser notado na alternativa 4, onde a tecnologia do painel proporciona uma maior eficiência no aproveitamento da radiação solar do que os demais modelos considerados. No entanto, a característica construtiva dos brises (dimensões unitárias) e o formato do próprio painel limitou a sua aplicação. Já na alternativa 5, fica evidente que a baixa eficiência do modelo de painel amorfo foi o principal determinante no seu desempenho.

4.5 Aplicação de painéis Com base no percentual de redução da utilização da energia da rede e também na maior facilidade construtiva, considerou-se a alternativa 2 como sendo a mais conveniente para implantação do sistema fotovoltaico. A Tabela 7 mostra um resumo com as áreas de aplicação de painéis (cobertura e brises) e o número de painéis utilizados.

Tabela 7. Aplicação de painéis (cobertura e brises)

CoberturaPainel Área ocupada

Área n° Área útil (m²) Modelo Orientação Inclinação Área unitária

(m²) N° de

painéis (m²) (%)

1 51,5 AC-190P Nordeste 15 ° 1,40 16 22,5 43,6 2 129,7 AC-190P Nordeste 15 ° 1,40 46 64,6 49,8 3 129,7 AC-190P Nordeste 15 ° 1,40 46 64,6 49,8 4 39,2 AC-190P Nordeste 15 ° 1,40 14 19,7 50,2 5 33,0 AC-190P Nordeste 15 ° 1,40 12 16,9 51,1 6 16,0 AC-190P Nordeste 15 ° 1,40 6 8,4 52,8 7 10,6 AC-190P Nordeste 15 ° 1,40 4 5,6 52,9 8 97,1 AC-190P Sudoeste 15 ° 1,40 34 47,8 49,2 9 135,5 AC-190P Nordeste 15 ° 1,40 54 75,8 56,0

10 3,0 0 0,0 0,0 Total 645,3 232 325,8 50,5

BrisesPainel Área ocupada

Fachada Área útil (m²) Modelo Orientação Inclinação Área unitária

(m²) N° de

painéis (m²) (%)

Nordeste 90,2 SOLON P200 Q6 Nordeste 90° 1,52 50 76,0 84,3 Noroeste 66,7 SOLON P200 Q6 Noroeste 90° 1,52 37 56,2 84,3 Sudeste 66,7 SOLON P200 Q6 Sudeste 90° 1,52 37 56,2 84,3 Total 223,7 124 188,5 84,3

Devido as dimensões do painel e da inclinação adotada, existe um sombreamento causado pelo próprio painel. Este sombreamento deve ser levado em consideração durante a instalação, sendo necessário a aplicação de um espaçamento mínimo entre as linhas consecutivas de painéis.

A partir dos valores de azimute solar e altura solar para a latitude de Florianópolis, em diferentes horários (das 8:00 as 16:00 horas) e épocas do ano (dezembro, março/setembro e junho), determinou-se o comprimento de sombra projetado pela inclinação dos painéis instalados na cobertura. Verificou-se que um espaçamento mínimo de 90 cm, permitiria que os painéis de uma fileira não causassem sombreamento sobre parte das fileiras subseqüentes, durante um período de mínimo de 8 horas diárias, na maior parte do ano.

A Figura 10 apresenta um esquema com a projeção dos painéis distribuídos na área de cobertura da edificação, respeitando o limite do sombreamento causado pelo reservatório de água e o espaçamento mínimo entre os painéis. Na Figura 11 pode-se observar uma representação, com uma imagem do resultado visual que teria a aplicação dos painéis nas fachadas.

Áreasombreada

Figura 10. Planta de cobertura - Projeção da distribuição dos painéis (Sem escala)

Figura 11. Exemplo da distribuição dos painéis nas fachadas (fachada nordeste)

5. CONCLUSÕES Com o crescente aumento da preocupação em relação aos aspectos ambientais, maior eficiência energética e a busca de novas soluções para geração de energia, os sistemas solares fotovoltaicos integrados ao edifício e interligados à rede elétrica estão se tornando uma alternativa promissora para o futuro das edificações.

Existem atualmente diversas marcas e modelos de painéis solares disponíveis no mercado, o que proporciona flexibilidade para sua aplicação em edificações novas ou já existentes. Apesar disso, o aspecto construtivo da edificação tem grande influência sobre o projeto do sistema fotovoltáico.

A área útil para a aplicação dos painéis deve ser analisada com cuidado. É importante evitar a colocação dos painéis em regiões que sejam encobertas ou que sofram um sombreamento acentuado devido à obstruções, pois isto reduz o potencial de aproveitamento de radiação solar.

Segundo as considerações adotadas neste estudo, a existência de um reservatório de água acima do nível da cobertura do prédio, causou uma redução de aproximadamente 20% (157,90 m2) da área de cobertura com possibilidade para instalações de painéis. Também, verificou-se que até 51% da energia elétrica vinda da rede pública poderia ser substituída pela energia gerada a partir do sistema fotovoltaico.

A possibilidade de aplicação de painéis com inclinação igual a latitude local e direcionados para a orientação norte (normalmente considerado a alternativa “ótima” de geração), não mostrou ser uma boa opção. Após uma análise da distribuição dos painéis, observou-se que devido as características construtivas do telhado e também ao maior espaçamento que seria necessário entre os painéis, o número dos mesmos seria reduzido em aproximadamente 25% quando comparado a alternativa 2. Esta redução não poderia ser compensada, em termos de geração visto que o aumento no ganho com radiação solar, para a orientação norte e inclinação 27°, seria de apenas 2,4% em relação à inclinação 15° e orientação nordeste (alternativa 2).

A eficiência do painel fotovoltáico é um importante fator de escolha, no entanto, outras aspectos também devem ser analisados, tais como, a integração com a edificação, a resistência a altas temperaturas, custo dos painéis, desgaste e outras implicações técnicas.

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RUTHER, R. Instalações solares fotovoltaicas integradas a edificações urbanas e interligadas à rede elétrica pública. Florianópolis, 2000.

AGRADECIMENTOSOs autores agradecem aos órgãos nacionais de fomento à pesquisa (CNPq – Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico; CAPES – Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior ) pelo apoio prestado durante o período de desenvolvimento deste trabalho. Também ao CREA-SC pela colaboração e disposição no fornecimento dos dados relativos a edificação.