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INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAO, CINCIA E TECNOLOGIA DO RIO

GRANDE DO NORTE - IFRN

CMPUS JOO CMARA

CURSO DE TECNOLOGIA EM ENERGIAS RENOVVEIS

Arthur Fernandes da Silva

Edvan Galdino de Oliveira Filho

Joo Paulo de Albuquerque Siqueira da Silva

Walter Jefferson da Silva

DIMENSIONAMENTO DE FAZENDA SOLAR PARA O IFRN JOO CMARA

JOO CMARA

2015

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Arthur Fernandes da Silva

Edvan Galdino de Oliveira Filho

Joo Paulo de Albuquerque Siqueira Silva

Walter Jefferson da Silva

DIMENSIONAMENTO DE FAZENDA SOLAR PARA O IFRN JOO CMARA

Trabalho apresentado ao Instituto Federal

de Educao, Cincia e Tecnologia do

Rio grande do Norte (IFRN), Campus de

Joo Cmara como requisito parcial para

aprovao na disciplina Energia Solar

Fotovoltaica do Curso de Tecnologia em

Energias Renovveis.

Orientador:Prof. Alexandro V. da Rocha

JOO CMARA

2015

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RESUMO

O presente trabalho um mtodo avaliativo proposto aos alunos do Curso

Superior de Tecnologia em Energias Renovveis pelo professor e coordenador do

curso, Alexandro Vladno da Rocha.

O projeto articula teoria e prtica com o intuito de despertar o interesse dos

graduandos na criao e desenvolvimento de um projeto de instalao de uma usina

solar fotovoltaica no campus do IFRN, localizado no municpio de Joo Cmara, afim

de o campus gerar e consumir sua prpria energia.

alexandrorochaComentrio do textoNo Resumo importante colocar alguns resultados encontrados no projeto e um ideia geral dele.

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SUMRIO

1. INTRODUO ................................................................................................................ 4

2. ETAPAS PRELIMINARES .................................................................................................. 5

2.1. Avaliao do Recurso Solar ................................................................................................. 5

2.2. Localizao ......................................................................................................................... 6

2.2.1. Inclinao .............................................................................................................................. 7

2.2.2. Azimute ................................................................................................................................. 7

2.2.3. Fotos ...................................................................................................................................... 8

2.3. Escolha da Configurao ..................................................................................................... 9

2.4. Levantamento da Demanda e do Consumo de Energia ........................................................ 9

2.4.1 Estimativa da Curva de Carga ................................................................................................. 9

3. DIMENSIONAMENTO ..................................................................................................... 9

3.1. Gerador Fotovoltaico .......................................................................................................... 9

3.2. Inversor ........................................................................................................................... 10

3.3. Dispositivos de Proteo................................................................................................... 11

3.4. Cabos e Conectores .......................................................................................................... 12

4. PROJETO ELTRICO ...................................................................................................... 12

5. anlise Financeira ........................................................................................................ 13

5.1. Estimativa de Economia .................................................................................................... 13

5.2. Investimento Inicial .......................................................................................................... 14

5.3. Valor Presente Lquido (VPL) ............................................................................................. 14

5.4. Payback ........................................................................................................................... 15

6. REFERNCIAS ............................................................................................................... 16

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1. INTRODUO

A energia solar fotovoltaica uma fonte de energia que provm das radiaes

emitidas pelo sol. A palavra fotovoltaica uma juno de palavras proveniente de

palavras gregas, Foto = Luz e Volt =unidade de tenso eltrica. A obteno de tal

energia pode ocorrer de forma direta ou indireta. A forma direta se d atravs de

clulas fotovoltaicas, geralmente feitas de silcio. J na forma indireta, faz-se

necessria a construo de fazendas solares, locais so espalhadas centenas de

coletores solares, em regies com grande ndice de insolao.

A energia do sol pode ser utilizada para produzir eletricidade pelo efeito

fotovoltaico, que consiste na converso direta da luz solar em energia eltrica. Os

sistemas fotovoltaicos tm a capacidade de captar diretamente a luz solar e produzir

corrente eltrica. Essa corrente coletada e processada por dispositivos

controladores e conversores, podendo ser armazenada em baterias ou utilizada

diretamente em sistemas conectados a rede eltrica.

O presente projeto ser aplicado no campus do IFRN (Instituto Federal do Rio

Grande do Norte), situado na cidade de Joo Cmara onde o sol abundante. E ao

fim, visamos demonstrar a viabilidade na montagem da fazenda solar, pois o

investimento feito poder retornado em um prazo mdio e gerar lucros ao campus.

Ser feito todo um levantamento de dados levando em conta detalhes

tcnicos do projeto, como tambm todo o aspecto financeiro do mesmo, levando em

considerao custos e perspectivas de retorno.

alexandrorochaComentrio do textoPor fim,

alexandrorochaComentrio do textobuscou-se

alexandrorochaComentrio do textopoder ser retornado

alexandrorochaComentrio do textoa palavra levando aparece duas vezes. Melhor utilizar considerando-se...

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2. ETAPAS PRELIMINARES

2.1. Avaliao do Recurso Solar

O Rio Grande do Norte um dos estados nordestinos com melhor ndice

solar, oferecendo grande viabilidade de implantao de fazendas solares em todas

as regies do Estado.

Apesar dos avanos em tecnologia, a gerao de energia proveniente deste

recurso cara, porm devido o fato de alto ndice/potencial solar, um meio de

gerao caro, mas vivel pelo benefcio/retorno de investimento a mdio/longo

prazo.

Os ndices de potencial solar, ou ndice de raios ultravioletas (IUV), utilizado

para o dimensionamento deste projeto, referente regio da cidade Natal/RN,

capital do Estado, devido as cidades gozarem dos mesmos climas e coletas de

dados serem realizadas geralmente naquela.

Com dados coletados no perodo de 2001 2007, podemos ver a distribuio,

no grfico abaixo, dos picos de radiao entre 6:00h e 16:40h, de janeiro a

dezembro.

FIGURA 1 - Radiao Mdia entre 2001 e 2007, de janeiro a dezembro

Fonte: VARIAO DO NDICE DE RADIAO SOLAR ULTRAVIOLETA EM NATAL/RN ENTRE 2001 E 2007.

Com base nesse grfico, adotando apenas os picos (12h00min), temos um

mnimo de 7 IUV para junho e mximo de 11 em fevereiro, contando com uma

alexandrorochaComentrio do textoQue fonte esta? Um artigo? Um livro? Porque no foi referenciado?

alexandrorochaComentrio do textoFaltou explicar o que este ndice.

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margem de erro de 10% do valor (devido as mdias no terem indicaes precisas).

Somando todos os valores (7,7,8,9,10,10,10,10,11,11,11,11) e dividindo pelos

respectivos meses, podemos obter uma mdia de radiao geral de 10,4 IUV,

aproximadamente, para este horrio.

A mdia sazonal global

A mdia a sazonal de dezembro a fevereiro est entre 5,95 e 6,30 KWh/m.

A mdia a sazonal de maro a maio est entre 5,95 e 6,30 KWh/m.

A mdia a sazonal de junho a agosto est entre 5,25 e 5,60 KWh/m.

A mdia a sazonal de julho a novembro est entre 6,30 e 6,65 KWh/m.

De acordo com dados divulgados no Atlas brasileiro de energia solar

(PEREIRA, Enio, et al) a radiao solar global anual mdia nas proximidades de

Natal/RN, est entre 5,25 e 5,60 KWh/m. Adotaremos a mdia (5,42) entre estes

dois ltimos valores para fins de clculos.

FIGURA 2 Vista superior d rea do Campus, com viso do permetro onde, hoje, est em construo a rea

de Convivncia.

Fonte: Google Earth www.google.com.br - 2015

2.2. Localizao

Os painis sero instalados em cima do centro de convivncia do IFRN campus Joo cmara que encontra-se em construo, assim poderemos antecipar

um possvel reforo para o telhado, caso o peso dos painis faa exceder o limite

suportado. Os painis sero instalados voltados para o norte geogrfico e com

inclinao igual a latitude da cidade citada (aproximadamente 5). Como nos

arredores no existem rvores os edifcios que possam projetar sombra sobre os

painis, desconsideraremos os estudos de sombreamento.

alexandrorochaComentrio do textoOu

alexandrorochaComentrio do textoComo pode garantir esta orientao e ngulo de inclinao se no tem ideia de como ser o telhado da rea de convivncia?

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2.2.1. Inclinao

O ngulo de inclinao dos painis aps os clculosfica por volta dos 5

direcionados para o sentido Norte real.

FIGURA 3 - Programa SunData da CRESSESB (Centro de Referncia para Energia Solar e Elica Srgio Brito), para

clculo de irradiao solar, inclinao e sentido dos painis fotovoltaicos.

Fonte: CRESSESB - 2015

2.2.2. Azimute

O ngulo Azimutal do Sol, tambm chamado de azimute, o ngulo de

projeo dos raios solares no plano horizontal e a direo Norte-Sul (posio do

observador). (Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos 2004)

Para obter o azimute diretamente em cima do IFRN Campus Joo Cmara

foi utilizado uma ferramenta online que faz os clculos com base na posio do

observador(disponvel em: www.sunearthtools.com/dp/tools/pos_sun.php?lang=pt),

utilizando os recursos do Google Earth (que permite a localizao de pontos, traar

rotas, coordenadas e diversas outras aplicaes). A imagem abaixo mostra a

posio do observador exatamente em cima do campus e a linha de progresso

solar durante o dia.

FIGURA 4 Viso superior do Campus e de parte da regio ao seu redor.

alexandrorochaComentrio do textoclculos fica

alexandrorochaComentrio do textofaltou o espao

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O azimute obtido foi: Nascer do Sol 05:26:47h * 88,73 e para o Pr do Sol

17:32:13h * 271.47, como podemos ver na figura abaixo, sendo que foi adotada

uma hora a menos, pelo horrio local.

FIGURA 5 Dados do azimute obtido, posio geogrfica e outros dados.

2.2.3. Fotos

FIGURA 6 Local escolhido para a implantao dos painis fotovoltaicos

2.3. Escolha da Configurao

Os painis sero instalados em cima do centro de convivncia do IFRN

campus Joo cmara que encontra-se em construo, assim poderemos antecipar

Fonte: www.sunearthtools.com - 2015

Fonte: www.sunearthtools.com - 2015

alexandrorochaComentrio do textoEm que esta informao relevante na configurao do Paineis?

alexandrorochaComentrio do textoRepetio de texto anterior.

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um possvel reforo para o telhado, caso o peso dos painis faa exceder o limite

suportado. Os painis sero instalados voltados para o norte geogrfico e com

inclinao igual a latitude da cidade citada (aproximadamente 5). Como nos

arredores no existem rvores os edifcios que possam projetar sombra sobre os

painis, desconsideraremos os estudos de sombreamento.

2.4. Levantamento da Demanda e do Consumo de Energia

Com indicao do Professor Orientador do projeto, foi adotado um consumo

de potncia pico de 100kW para o Campus. Esta demanda ser suprida por painis

fotovoltaicos de 250W (especificados e dimensionados nos prximos tpicos),

Em relao ao sol, para a gerao da energia nos painis, necessrio obter-

se o valor da radiao mdia diria do local pretendido. De acordo com as

informaes disponibilizadas por Rocha (2012), a radiao de 237,1 W/m,

resultando num total dirio de 5690,001 Wh/m, aproximadamente.

Desse modo, sabendo que a energia coletada por cada painel dada

por , temos , portanto

2.4.1 Estimativa da Curva de Carga

No foram disponibilizados dados suficientes para a obteno desta curva.

3. DIMENSIONAMENTO

3.1. Gerador Fotovoltaico

A escolha do painel/gerador fotovoltaico uma das mais importantes etapas

do projeto, pois este o piv do rendimento e custo de toda a fazenda solar.

Dentre diversas pesquisas e levando em considerao importantes referncias tericas, foi escolhido o painel fotovoltaico Painel Solar Fotovoltaico Yingli YL250P 29b (250Wp)01.008.013. Sero utilizados 400 painis fotovoltaicos para suprir a necessidade de 100KW,cujas caractersticas so especificadas em tabelas logo abaixo. Condies padres de Teste (STC*)

Mxima Potncia (Pm): 250 Watts

Tolerncia: 0 / 5 Watts

Voltagem de Mxima Potncia (Vm) : 30,4Volts

Corrente de Mxima Potncia (Im): 8.24 Amps

Voltagem de Circuito Aberto (Voc): 38.4 Volts

alexandrorochaComentrio do textoUma gerao

alexandrorochaComentrio do textofaltou espao

alexandrorochaComentrio do textoNeste caso, era para ter informado o consumo do Campus que foi disponibilizado na planilha fornecida.

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Corrente de Curto-Circuito (Isc): 8.79Amps

Voltagem Mxima do Sistema: 1000 Volts

Eficincia do Painel: 15,0%

Coeficiente de Temperatura da Potncia(Pm): -0,45 %/C

Coeficiente de Temperatura da Corrente(Isc): 0,06 A/C

Coeficiente de Temperatura da Voltagem(Voc): -0,33 V/C

Temperatura Nominal de Operao de Clula (TNOC/NOCT): 462C

* STC/CPT: Irradiao de 1.000 W/m, Espectro de Massa de Ar 1.5 e Temperatura de Clula de 25C Dimenses

Dimenses do painel: (1650 x 990 x 40) mm

Cdigo IP da caixa de juno:

IP 65

Nmero de clulas e tipo: 60, Silcio Policristalino

Peso do mdulo: 19,1 kg

Vidro, tipo e espessura: Alta Transmissividade, Baixo Ferro, Vidro Temperado 3,2mm

3.2. Inversor

No mesmo mbito do painel fotovoltaico, foi escolhido o Inversor Inversor

Fronius IG Plus 50V-1 (4.000W)03.503.012, e sero utilizados 25 inversores.

ESPECIFICAES TCNICAS DOS INVERSORES

ENTRADA Potncia mxima de entrada: 4260W

Voltagem mxima de entrada: 600Vcc

Faixa de Voltagem do MPP: (230Vcc a 500Vcc)

Voltagem mnima de entrada: 230Vcc

Voltagem para inicializao: 260Vcc

Corrente mxima de entrada: 18,6A

SAIDA Potncia nominal de sada: 4000W

alexandrorochaComentrio do textoFaltou informar a fonte desta tabela.

alexandrorochaComentrio do textoFaltou informar a fonte desta tabela

alexandrorochaComentrio do textoInversor duas vezes.

alexandrorochaComentrio do textoComo chegou a esta quantidade?

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Voltagem de sada (faixa): 180Vca a 270Vca

Frequncia de sada: 60Hz

Corrente mxima de sada: 17,4A

OUTRAS CARACTERSTICAS

Eficincia Mxima: 95,7%

Consumo interno (noite):

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3.4. Cabos e Conectores

4. PROJETO ELTRICO

Clculo da quantidade de painis e inversores

Equipamento Qtd Unidade Valor Unit. Valor Total

Fusvel CC de 15A 20 P R$15,00 R$ 300,00

Chave de Desligamento CC 100A 1 P R$135,00

R$ 135,00

Disjuntor Bipolar 30A 20 P R$8,00 R$ 160,00

Dispositivo de Seccionamento Vsivel (DSV) 100A 1 P R$150,00

R$ 150,00

DPS CC 20 P R$55,00 R$ 1.100,00

DPS CA 1 P R$80,00 R$ 80,00

DDR 1 P R$90,00 R$ 90,00

Total

R$ 2.015,00

alexandrorochaComentrio do textoFaltou a fonte desta tabela. Se do prprio projeto especificar que do projeto.Alm disto, esta tabela de valores deveria estar na parte de investimento inicial na anlise financeira.

alexandrorochaComentrio do textoFaltou a fonte desta tabela. Se do prprio projeto especificar que do projeto.Alm disto, esta tabela de valores deveria estar na parte de investimento inicial na anlise financeira.

alexandrorochaComentrio do textoEste clculo era para estar na parte do dimensionamento. O projeto eltrico o diagrama eltrico completo do sistema.O Clculo do nmero de inversores est errado e no bate com os 25 inversores informados anteriormente.

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Figura 6 Diagrama de blocos da esquematizao e ligaes das Strings de Painis Fotovoltaicos

5. ANLISE FINANCEIRA

5.1. Estimativa de Economia

Consultando as faturas dentro de um espao de 13 meses (de janeiro de

2014 a janeiro de 2015), foi feita uma mdia dos valores de potencia contratados

(kW) e os valores de custo (R$).

MS POTNCIA CONTRATADA

CUSTO MENSAL (R$)

JANEIRO (2014) 144.400 9.033,54

FEVEREIRO (2014) 163.800 12.501,25

MARO (2014) 168.840 12.624,54

ABRIL (2014) 168.000 8.012,44

MAIO (2014) 168.000 9.238,01

JUNHO (2014) 179.420 15.424,31

JULHO (2014) 168.000 10.507,68

AGOSTO (2014) 168.000 14.547,21

SETEMBRO (2014) 168.000 14.842,25

OUTUBRO (2014) 171.360 10.638,78

NOVEMBRO (2014) 176.650 14.777,87

DEZEMBRO (2014) 186.230 17.450,94

JANEIRO (2015) 168.000 8.415,75

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VALOR TOTAL (MDIA) 169.130 12.154,97

Abatendo os 100kW que sero gerados pela fazenda fotovoltaica da mdia

obtida na relao entre as faturas, teremos um abatimento de R$ 7186,76.

5.2. Investimento Inicial

O investimento inicial baseado na quantidade de equipamentos a serem

adquiridos para a implantao do projeto. A tabela a seguir especifica os valores de

cada equipamento, resultando tambm num valor final na relao quantidade/preo.

Equipamento Qtd. Valor unit. (R$) Valor Total (R$)

Painel Solar Fotovoltaico 400 959,04 383.616,00

Inversor Fronius 20 8.054,40 161.088,00

Dispositivos de proteo - - 2.015,00

Cabos/Conectores - - 5.052,50

TOTAL GERAL (*) 551.771,50

(*)O investimento inicial, que ser coberto pelo prprio IFRN Campus Joo

Cmara.

5.3. Valor Presente Lquido (VPL)

De acordo com SOUZA (2014) o valor lquido atual (VPL) tem como objetivo a

viabilidade de um projeto de investimento atravs do clculo do valor atual de todos

os seus fluxos de caixa, sendo por isso um indicador muito utilizado em estudos de

anlise de viabilidade econmica. No caso desta pesquisa, os fluxos de caixa sero

os valores da energia economizada mensalmente pela utilizao do SFCR. Por valor

atual entende-se o valor hoje de um determinado montante a obter no futuro. Como

qualquer outro investimento, o SFCR apenas gerar fluxo de caixa no futuro, sendo

necessrio atualizar o valor de cada fluxo de caixa para o presente e compar-lo

com o valor investido. No caso do valor do investimento ser inferior ao valor atual

dos fluxos de caixa, o VPL positivo, o que significa que o projeto apresenta uma

rentabilidade positiva. No caso contrrio, o VPL resultar negativo.

(

)

FCt = fluxo de caixa mensal em reais;

i = taxa de juros do capital investido;

t = tempo em meses;

I = investimento do projeto em reais;

n = vida til do SFCR em meses.

alexandrorochaComentrio do textoComo se chegou a este valor?

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Com o investimento de inicial de R$100.000,00 aps 240 meses o VLP foi

aproximado ao valor de investimento deu para pagar o investimento ter sido pago e

ainda restar R$123.382,89.

5.4. Payback

O PayBack estimado dado pela frmula

, onde Vt o Valor do

Investimento Inicial, Ec a economia mdia esperada e 12 a quantidade de meses

de um ano. Dessa forma, temos:

Logo, o sistema fotovoltaico se mantendo em pico, ter retorno em

aproximadamente 4 anos.

alexandrorochaComentrio do textoO investimento inicial no de R$ 551.771,50 ?Como se chegou a 240 meses? este valor restante refere-se ao que?

alexandrorochaComentrio do textoComo se chegou a esta economia mdia mensal?

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6. REFERNCIAS

[1]. VARIAO DO NDICE DE RADIAO SOLAR ULTRAVIOLETA EM NATAL -

RN ENTRE 2001 E 2007. SILVA, Francisco Raimundo da; OLIVEIRA, Hugo Srgio

Medeiros de; MARINHO, George Santos. Artigo Cientfico.

[2]. SUN EARTH TOOLS. Azimute. Disponvel em:

. Acesso em 15 de

mar. de 2015.

[3]. MANUAL DE ENGENHARIA PARA SISTEMAS FOTOVOLTAICOS. PINHO,

Joo Tavares; GALDINO, Marco Antnio. Grupo de Trabalho de Energia Solar

GETS.

[4]. INCLINAO E SENTIDO DOS PAINIS. Disponvel em:

. Acesso em 25 de mar. de 2015.

[5]. GERAO DE ENERGIA ELTRICA ATRAVS DE PAINIS SOLARES FOTOVOLTAICOS, UM ESTUDO DE CASO E SUA POSSIBILIDADE DE APLICAO NO PROCESSO DE GERAO DE ENERGIA NA INDSTRIA PETROLFERA. SOUZA, Albrico Teixeira Canrio de.

Dissertao Programa de Mestrado Profissional em Engenharia de Petrleo e Gs.

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APNDICE

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ANEXO