Projeto de Usina Fotovoltaica em Conselheiro Lafaiete MG - Dimensionamento e Análise

4 GRUPOS 5 PESSOA A PETERSON FERNANDO FABIANO GEOVANE GUSTAVO 4 PESSOA B LUCAS DIANE RAFAELA RAFAELE 5 PESSOA C THALLES THIAGO FABIO MATHHUS DANIEL 4 PESSOA D ALESSANDRA ALING LINDOMAR BRUNO APRESENTAR PENÚLTIMO DIA DE AULA 4 USINAS FOTOVOLTAICAS LAFAIETE QTDADE MÓDULOS E POTÊNCIA QTDADE INVERSORES MPPT ARRANJO ÁREA AZIMUTE INCLINAÇÃO GERAÇÃO MENSAL CONSEGUIR O LAFAIETE 75 KW INVERSOR 105 kwp PAINEL ON GRID SOLO CUSTO VENDA 4 GRUPOS 5 pessoa A PETERSON FERNANDO FABIANO GEOVANE GUSTAVO 4 pessoa B LUCAS DIANE RAFAELA RAFAELE 5 pessoa C THALLES THIAGO FABIO MATHHUS DANIEL 4 pessoa D ALESSANDRA ALING LINDOMAR BRUNO 4 GRUPOS 5 PESSOA A PETERSON FERNANDO FABIANO GEOVANE GUSTAVO 4 PESSOA B LUCAS DIANE RAFAELA RAFAELE 5 PESSOA C THALLES THIAGO FABIO MATHHUS DANIEL 4 PESSOA D ALESSANDRA ALING LINDOMAR BRUNO APRESENTAR PENÚLTIMO DIA DE AULA 4 USINAS FOTOVOLTAICAS LAFAIETE QTDADE MÓDULOS E POTÊNCIA QTDADE INVERSORES MPPT ARRANJO ÁREA AZIMUTE INCLINAÇÃO GERAÇÃO MENSAL A 75 KW INVERSOR 105 kwp PAINEL SOLO ONGRID Projeto de Usina Fotovoltaica Conselheiro Lafaiete MG Nomes CONSELHEIRO LAFAIETE MG 2023 Sumário 1 Introdução1 11 Problemas e Premissas1 12 Objetivos2 13 Justificativa2 2 Metodologia4 3 Desenvolvimento5 31 Conceitos Básicos e Fundamentação Teórica5 32 Célula Solar Fotovoltaica9 33 Painéis fotovoltaicos10 34 Associação em Paralelo12 35 Associação em Série13 36 Associação Mista15 37 Inversor de frequência16 38 Reguladores MPPT18 39 Dimensionamento do SFVCR19 310 Tipos de Sistemas Fotovoltaicos25 311 Usinas fotovoltaicas UFVs27 4 Projeto final28 41 Elementos iniciais28 42 Dimensionamento29 43 Estimativa de geração de energia33 5 Conclusões34 Referências35 1 1 Introdução Há muitos anos o homem busca otimizar seus recursos de forma a manter a longevidade e garantir a sustentabilidade A energia como suprimento é essencial e cada vez mais demandada pela sociedade Com avanço da tecnologia equipamentos e sistemas que nos fornecem tal energia tornamse mais baratos facilitando o acesso à população de modo que pesquisadores e usuários aprimoram e desenvolvam equipamentos mais eficientes Nesse contexto a energia solar é uma alternativa que está amadurecendo e tornandose cada vez mais viável Vários são os benefícios e as vantagens desta tecnologia serão pormenorizadas neste projeto definindose a energia solar e fotovoltaica como uma fonte de energia sustentável e renovável que não gera ruídos tampouco poluição com instalação simples quando comparada a outras tecnologias e com baixo custo de manutenção 11 Problemas e Premissas O mercado atual de energia para consumidores de baixa tensão está condicionado ao universo cativo onde o cliente não pode escolher outra forma de aquisição de energia a não ser da concessionária ao qual está conectado Com esta premissa buscase uma solução através de uma usina solar fotovoltaica utilizando o formato de geração acoplada à rede ONGRID para fornecer energia para uma unidade consumidora de baixa tensão para um usuário no município de Conselheiro Lafaiete MG Um fator que pesa na decisão de viabilizar ou não uma usina é a dependência do governo ao qual é detentor da concessionária de energia em que define aumentos arbitrários na tarifa de energia e as bandeiras tarifárias calculadas por uma média 2 geral para todo país em que estados com reservatórios mais cheios pagam por estados com menores capacidades de armazenamento Outro motivo que deve ser considerado é o de apagões que acontecem no Brasil A intermitência inerente às fontes eólica e solar sem atuação de mecanismos estabilizadores pode ser prejudicial à toda a cadeia e levar a interrupções repentinas no fornecimento de energia Além disso painéis e turbinas estão limitados a locais com boa incidência solar ou com bom regime de ventos Isso pode resultar em distâncias extraordinárias entre o ponto de produção e onde a energia será consumida aumentando o risco de acidentes nas linhas e o tempo de resposta de operadores 12 Objetivos 121 Objetivo Geral Projetar uma usina solar fotovoltaica com 105 kWp de potência ONGRID com estudo de sua viabilidade financeira 122 Objetivos Específicos Identificar dados de radiação em atlas solares para justificar a incidência solar no local escolhido Apresentar características das normas relacionadas às etapas de conexão ao sistema elétrico de distribuição bem como as normas que regem o sistema de geração distribuída Dimensionar uma usina solar de 105 kWp com o auxílio de software 13 Justificativa No atual cenário de incertezas quanto à regulamentação envolvendo geração distribuída e no alto grau de dependência da população junto as concessionárias de energia elétrica fazse necessário um estudo aprofundado quanto à solução em 3 geração de energia através de usinas solares fotovoltaicas Este projeto visa contribuir em decisões sobre a viabilidade de uma usina solar fotovoltaica de médio porte bem como demonstrar detalhadamente as características de projeto técnico e financeiro 4 2 Metodologia A presente seção tem por objetivo investigar o desenvolvimento do setor fotovoltaico e por consequência adquirir familiaridade com o tema Para um melhor entendimento do assunto a metodologia é dividida nas seguintes etapas Pesquisa bibliográfica para um melhor entendimento sobre o assunto de energia renovável e funcionamento de uma usina fotovoltaica Estudo de usinas fotovoltaicas já existentes Utilização de software para projeto 5 3 Desenvolvimento 31 Conceitos Básicos e Fundamentação Teórica Os sistemas solares fotovoltaicos possuem excelente capacidade de produzir corrente elétrica através da luz solar Esta corrente é coletada e processada por dispositivos que convertem e controlam esta eletricidade podendo ser armazenada em baterias ou utilizada diretamente nos sistemas conectados à rede elétrica Esta energia solar fotovoltaica é uma das fontes que mais cresce em todo mundo Segundo Villalva 2012 toda energia que vem do Sol e chega em nosso planeta se dá através do espaço na forma de radiação eletromagnética com frequências e comprimentos de onda distintos Figura 1 A energia contida em uma onda está diretamente ligada à sua frequência em que quanto maior a frequência maior é a energia transmitida Por outro lado o comprimento de onda eletromagnética é inversamente proporcional à sua frequência quanto maior é a frequência menor é seu comprimento de onda Figura 1 Irradiação da energia luminosa Fonte VILLALVA Para expressar a relação entre a frequência e a energia de uma onda eletromagnética Planck desenvolveu a seguinte equação 6 Ehf onde E é a energia da onda expressa em joules J ou elétronsvolt eV f é a frequência expressa em hertz Hz e h é uma constante física de proporcionalidade chamada de constante de Planck que é aproximadamente 66361034 Js Outra expressão matemática que relaciona frequência comprimento de onda e a velocidade desta onda eletromagnética dada por vcλ f onde c é a velocidade da luz no vácuo aproximadamente 300000 kms λ é o comprimento de onda e f é a frequência da onda em Hertz Estas ondas eletromagnéticas oriundas do Sol podem produzir diversos efeitos sobre o planeta e os seres vivos Uma pequena parte destas ondas pode ser captada pelo olho humano e representa o que se chama de luz visível como demonstra a figura 2 Outra parte desta radiação solar não pode ser vista pelo nosso olho e a presença pode ser percebida de diversas formas Figura 2 Composição do espectro da radiação solar Fonte httpswwwinfoescolacomfisicaespectroeletromagnetico Segundo Villalva 2012 o espectro da radiação solar é o conjunto de todas as frequências de ondas eletromagnéticas emitidas pelo Sol e todo espectro de radiação 7 incluindo as ondas visíveis e invisíveis ao olho humano transportam energia que pode ser captada na forma de calor ou energia elétrica A transformação da energia eletromagnética em energia térmica é a captação do calor solar nos materiais e corpos que recebem a radiação Quando estas ondas eletromagnéticas incidem sobre um corpo que tem capacidade de absorver tal radiação esta energia eletromagnética é transformada em energia cinética e transmitida para moléculas e átomos que compõem este corpo Esse processo se refere à transmissão de calor ou de energia térmica A temperatura de um corpo depende diretamente da energia térmica que possui pois quanto maior é o estado de agitação dos átomos e moléculas maior será sua temperatura Essa energia pode variar dependendo da quantidade de radiação que pode ser direta ou indiretamente por ele recebida As ondas eletromagnéticas que incidem em alguns materiais ao invés de transmitir calor podem produzir alterações nas propriedades elétricas ou originar tensões e corrente elétricas Existem vários efeitos elétricos que a radiação eletromagnética pode produzir sobre os corpos os dois mais conhecidos são o efeito fotovoltaico e o fotoelétrico como pode ser observado na Figura 3 Figura 3 Efeito fotovoltaico e efeito fotoelétrico Fonte VILLALVA 2012 8 O principal efeito e a fonte desse estudo é o efeito fotovoltaico cuja transformação da radiação eletromagnética do Sol em energia elétrica através da criação de uma ddp diferença de potencial ou uma tensão elétrica sobre uma célula formada por um conjunto de materiais semicondutores Para haver tensão elétrica a célula deverá ser conectada a dois eletrodos e para surgir corrente elétrica deverá haver um caminho elétrico entre estes dois eletrodos Já o efeito fotoelétrico ocorre em materiais metálicos e não metálicos sólidos líquidos ou gasosos O seu resultado é a remoção de elétrons porém não é capaz de criar tensão elétrica Este efeito é na maioria das vezes confundido com o efeito fotovoltaico embora seja relacionado são fenômenos diferentes O efeito fotoelétrico ocorre em materiais metálicos e não metálicos sólidos líquidos ou gasosos Ele ocasiona a remoção de elétrons mas não é capaz de criar uma tensão elétrica sobre o material O efeito fotoelétrico é muitas vezes confundido com o efeito fotovoltaico embora estejam relacionados são fenómenos diferentes 9 32 Célula Solar Fotovoltaica Como já mencionado no tópico anterior o efeito fotovoltaico é o fenômeno físico que permite a conversão direta da luz em eletricidade Isto ocorre quando a luz ou até mesmo a radiação eletromagnética do Sol incide sobre uma célula que possui materiais semicondutores em sua composição A Figura 4 demonstra a estrutura de uma célula fotovoltaica composta por duas camadas de material semicondutor tipo p e tipo n uma grade de coletores metálicos superior e uma base metálica em sua parte inferior Figura 4 Tipos de células fotovoltaicas comerciais Fonte httpwwwcresesbcepelbrindexphpsectioncomcontentlangptcid381 Os materiais mais utilizados na confecção de células fotovoltaicas segundo a legenda da figura anterior são a silício monocristalino monoSi b silício policristalino polySi e c silício amorfo aSi A maior eficiência na transformação de energia solar em elétrica é obtida com as células de silício monocristalino da ordem de 18 infelizmente as mais caras As células de silício policristalino apresentam rendimento da ordem de 16 e são mais baratas que as anteriores devido à menor energia necessária para a sua fabricação e melhor aproveitamento de material As células de silício amorfo são as mais baratas mas seu rendimento ainda é baixo da ordem de 10 As células fotovoltaicas são ligadas em conjuntos sérieparalelo compondo módulos fotovoltaicos de diversas potências e tensões Os módulos fotovoltaicos ainda são caros tornando a energia obtida por meio deles por enquanto mais cara que a obtida por fontes hidráulicas ou mesmo termelétricas Entretanto para regiões distantes dos grandes centros de geração e 10 consumo é uma opção econômica Para comunidades pequenas no interior do Brasil por exemplo é uma solução técnicoeconômica viável O CEPEL trabalhando com o apoio do PRODEEM já instalou centenas de sistemas em comunidades deste tipo com excelentes resultados A tendência do custo dos módulos é cair tanto pela melhoria na tecnologia de fabricação quanto por economia de escala pelo gradativo aumento de sua utilização 33 Painéis fotovoltaicos Além da fonte solar um elemento muito importante para a geração de energia fotovoltaica é o painel fotovoltaico Este elemento é responsável pela captação da energia solar fotovoltaica e da geração de eletricidade através do efeito fotovoltaico Através deste efeito os fótons que atingem as células fotovoltaicas forçam o desprendimento de elétrons que deixam em seu lugar espaços vazios Esses espaços vazios deixados são novamente preenchidos e os elétrons que se desprendem fluem ordenadamente para o material com ausência de elétrons neste caso o silício formando assim uma corrente elétrica PORTAL SOLAR 2018 Na Figura 5 apresentase um dos modelos mais vendidos no mercado hoje a placa Solar 550W Canadian Solar MONO HiKu CS6W550MS 11 Figura 5 Placa Solar 550W Canadian Solar MONO HiKu CS6W550MS FONTEhttpswwwforcaeluzeletricocombrenergiasolarplacasolar550wcanadiansolarmonohiku cs6w550ms2069 Tais painéis podem ser conectados entre em série ou em paralelo a fim de se obter o melhor aproveitamento baseado na aplicação e especificações do projeto A configuração em série assim como em circuitos elétricos provoca uma somatória das tensões de cada painel mantendose a corrente em todos eles Já na conexão em paralelo a tensão total do sistema é a mesma mas as correntes são somadas como observado na Figura 6 Assim é necessário o conhecimento da aplicação para a melhor configuração do sistema 12 Figura 6 Configurações dos painéis fotovoltaicos série e paralelo Fonte Alternative Energy Tutorials 2018 34 Associação em Paralelo Ao conectar as células em paralelo somamse as correntes de cada módulo e a tensão do módulo é exatamente a tensão da célula A conexão consiste em ligar os terminais positivos juntos e os terminais negativos também juntos É indicada por exemplo em sistemas autônomos quando se pretende obter correntes mais elevadas e manter o nível da tensão estipulada do módulo conforme ilustrado na Figura 7 Figura 7 Conjunto de células fotovoltaicas agrupadas em paralelo Fonte Santos 2013 É importante ressaltar que na associação de módulos fotovoltaicos devem ser utilizados módulos com a mesma especificação de forma a minimizar as perdas de potência no sistema Tomando tal fato como base podese escrever 13 I TI 1I 2I N V 1V 2V N A figura 8 corresponde à representação gráfica da curva característica I x V referente à associação em paralelo de três módulos fotovoltaicos Shell SM 10012 em condições STC Figura 8 Representação das curvas I x V referentes à associação em paralelo de três módulos fotovoltaicos Fonte Santos 2013 35 Associação em Série Ao conectar as células em série somamse as tensões de cada módulo e a corrente não é afetada A conexão Figura 9 é feita de um terminal positivo de um módulo a um terminal negativo de outro É indicada quando se deseja obter tensões elevadas mantendo a corrente estipulada do módulo 14 Figura 9 Conjunto de células fotovoltaicas agrupadas em série Fonte Santos 2013 De acordo com a Figura 310 podese escrever V TV 1V 2V N I 1I 2I N A Figura 10 corresponde à representação gráfica da curva característica I x V referente à associação em série de três módulos fotovoltaicos Shell SM 10012 em condições STC Figura 10 Representação das curvas I x V referentes à associação em série de três módulos fotovoltaicos Fonte Santos 2013 15 36 Associação Mista Nos sistemas fotovoltaicos em especial àqueles conectados à rede elétrica é comum realizar a associação de várias fileiras módulos conectados em série ligadas em paralelo A Figura 11 representa uma associação mista de n x m módulos fotovoltaicos onde n é o número de módulos associados em paralelo e m o número de módulos associados em série Figura 11 Conjunto de células fotovoltaicas agrupadas em associação mista Fonte Santos 2013 Na associação mista conseguese obter valores elevados tanto de corrente quanto de tensão Se o sistema é composto por módulos de igual especificação a corrente I que atravessa cada fileira é igual Assim I 1I 2I N V 1V 2V N A Figura 12 é a representação gráfica da curva característica I x V referente à associação mista de três módulos fotovoltaicos Shell SM 10012 em condições STC 16 Figura 12 Representação das curvas I x V referentes à associação mista de três módulos fotovoltaicos Fonte Santos 2013 37 Inversor de frequência O inversor de frequência é um elemento bastante importante em um sistema fotovoltaico Esse componente é responsável por fazer a transformação da energia que provém dos módulos fotovoltaicos em corrente contínua para corrente alternada na forma senoidal LISITA 2005 p36 Esse componente é construído de modo que recebe toda a energia produzida nos painéis fotovoltaicos e através de um circuito eletrônico faz a transformação de CC para CA Isso é necessário porque assim como o sistema da concessionária que receberá parte desta energia produzida pelos painéis fotovoltaicos a instalação residencial é projetada em corrente alternada assim como os equipamentos que nela serão conectados Um esquema de funcionamento do inversor de frequência é mostrado na FIGURA 13 Ele tem em sua composição interruptores semicondutores de potência funcionando como chaves com um esquema de abertura e fechamento a fim de proporcionar na saída corrente alternada Normalmente são utilizados IGBTs Insulated Gate Bipolar Transistors que permitem controlar instantaneamente a condução e o corte em seu início utilizando 17 sinais aplicados ao gatilho ALMEIDA 2011 Assim a energia que entra no inversor de frequência inicialmente em corrente contínua é transformada em corrente alternada através de constantes chaveamentos que auxiliam na entrega de corrente na forma senoidal a forma de energia amplamente utilizada Figura 13 Esquemático Do Inversor De Frequência Fonte Almeida 2011 Além de converter a energia produzida da forma CC para a forma CA o inversor de frequência utilizado nos sistemas fotovoltaicos tem um componente que auxilia no melhor aproveitamento da energia produzida o MPPT Maximum Power Point Tracking Sua importância se dá pelo fato de este ser capaz de localizar o ponto onde o produto tensão x corrente tem o maior valor como pode ser visto na Figura 14 É interessante observar que a tensão e a corrente se comportam de maneira diferente A tensão aumenta até atingir seu valor máximo e começa a decair após atingir esse ponto já a corrente aumenta linearmente até o momento em que este máximo de tensão é atingido começando assim a decair Daí a importância do MPPT que localiza o ponto antes de o decaimento ocorrer para garantir que o produto tensão x corrente ou seja a potência entregue seja a maior possível diminuindo perdas desnecessárias de geração WIND SUN 2018 Temos assim o conjunto que engloba os 18 componentes básicos iniciais para geração de energia fotovoltaica a fonte solar os painéis fotovoltaicos e o inversor de frequência que farão o condicionamento da energia solar fotovoltaica para que seja aproveitada e utilizada pelas cargas às quais estiver conectada Contudo os componentes de proteção que ainda não foram abordados neste trabalho têm um papel muito importante para que a energia gerada seja aproveitada sem riscos e da melhor maneira possível Por isso esses aspectos serão abordados na próxima seção Figura 14 Mppt Maximum Power Point Tracking Fonte Novergy 2017 38 Reguladores MPPT Ao longo do dia um arranjo fotovoltaico está submetido a diferentes níveis de radiação solar e temperatura o que resulta em várias curvas características I x V fazendo com o que o ponto de máxima potência se desloque durante o dia A função de um regulador MPPT Maximum Power Point Tracker é pesquisar o ponto em que a potência é máxima e garantir que o sistema opere em torno deste Neste tipo de regulador um conversor CCCC é conectado logo na saída dos painéis fotovoltaicos e através de um sistema de rastreio é determinado o ponto ótimo de operação sendo a saída do conversor ajustada para a tensão de carga da bateria como mostrado na Figura 15 19 Figura 15 Funcionamento de um regulador MPPT Fonte Santos 2013 Devido à sua maior complexidade esses reguladores são bem mais caros e também devido às perdas do conversor CCCC normalmente são adotados apenas para os sistemas com potência instalada superior a 500 W 39 Dimensionamento do SFVCR Para o dimensionamento do SFVCR inicialmente devese atentar à inclinação e orientação do local a ser instalado Atualmente existem algumas fontes que podem ser consultadas a fim de se obter dados relacionados à incidência solar nos mais diversos municípios brasileiros assim como em localidades de outros países Uma das fontes amplamente utilizada para consulta no Brasil é o CRESESB Centro de Referência para as Energias Solar e Eólica Sérgio de S Brito pertencente ao Ministério de Minas e Energia em parceria com a Eletrobrás e aplicativos como o PVSYST Este aplicativo o possui dados atualizados e de fácil consulta sobre a irradiação solar baseado nas coordenadas da localidade como mostrado na Figura 16 para as coordenadas de Conselheiro Lafaiete MG 20 Figura 16 Consulta aos dados de Conselheiro Lafaiete MG Fonte Os autores Inseridos os dados da localidade em questão essa plataforma disponibiliza o histórico de irradiação no plano horizontal na análise com ângulo igual à latitude na maior média anual para a localidade analisada e a maior média mensal Cada uma destas análises está associada a um ângulo de inclinação referenciado ao Norte como exemplificado na Figura 17 Esses dados são de grande importância para que possamos analisar a quantidade de painéis necessária para a geração proposta assim como a potência 21 Figura 17 Dados de irradiação de Conselheiro Lafaiete MG Fonte Os autores Dada a irradiação outro parâmetro importante para o dimensionamento é o conhecimento do consumo da unidade consumidora analisada Para isso se faz necessária a análise do histórico de consumo que usualmente é considerado a partir do histórico anual Para comprovação é importante a análise ainda do consumo de 2 ou 3 anos anteriores à instalação já que o perfil de consumo é sazonal e as variações sazonais ano a ano podem ser comprovadas ou verificada a média para um dimensionamento mais confiável Esses dados podem ser adquiridos a partir da fatura de energia elétrica disponibilizada pela concessionária de energia tanto para consumidores residenciais como para consumidores de outras classes A conexão com a concessionária é possível de forma monofásica bifásica ou trifásica Esta conexão varia de acordo com a demanda do consumidor uma vez que existe a possibilidade de escolha no momento da contratação Para cada tipo de conexão existe uma tarifa mínima a ser faturada mesmo que não haja consumo que exceda este valor no mês analisado Essa tarifa mínima recebe o nome de custo por disponibilidade e é prevista pela Resolução 414 Seção V Art 98 da ANEEL Para a 22 conexão monofásica o faturamento mínimo é de 30 kWh para a bifásica é de 50 kWh e no caso trifásico de 100 kWh O painel fotovoltaico é o componente que fará a captação da irradiação para geração de energia Assim o conhecimento da área desse componente é diretamente proporcional à quantidade de energia produzida Usualmente os painéis fotovoltaicos têm dimensões retangulares e sua área pode ser calculada de maneira simples utilizando geometria como mostrado na equação 3 Como o painel tem dimensões de metros a área é dada em metros quadrados Embora a área do painel seja dada infelizmente esse componente hoje possui eficiência baixa o que faz com que grande parte da irradiação incidente não seja aproveitada para conversão em energia elétrica A eficiência dos painéis fotovoltaicos disponíveis no mercado atualmente na produção em série gira entre 75 e 14 como pode ser observado na Tabela 1 Tabela 1 Eficiência de painéis fotovoltaicos Fonte Adaptado de Souza 2017 Além da eficiência do painel fotovoltaico deve ser observada a eficiência do sistema como um todo considerando as perdas em todos os equipamentos e componentes que fazem parte do sistema fotovoltaico como um todo Este é um dado muito importante para o dimensionamento uma vez que devemos esperar um rendimento menor do que informado por cada equipamento separado Para isso foram utilizados valores propostos por Miranda 2014 e mostrados na Tabela 2 Nesses valores são consideradas as perdas nos módulos condutores MPPT e conexões além das perdas por temperatura e sujeira entre outros Dessa maneira 23 podemos ter uma visão geral das perdas do sistema para um dimensionamento mais próximo do real e projetar a quantidade de painéis para a produção mais próxima possível da esperada Tabela 2 Eficiência do Sistema Fotovoltaico Fonte Adaptado de Miranda 2014 Dados estes fatores podemos agrupálos para o cálculo do número de painéis necessários para suprir a demanda do projeto em questão Este cálculo pode ser realizado utilizando a equação 4 de MIRANDA 2014 que foi adaptada Onde 24 Desse modo é possível determinar a quantidade de painéis com base nas especificações de irradiação perdas e consumo da UC Além disso podemos determinar a potência instalada a partir da quantidade de painéis uma vez que cada painel fotovoltaico possui uma potência de pico e a multiplicação deste valor pela quantidade de painéis nos dá esta grandeza na forma PINSTN paineis Ppainel O conhecimento da potência instalada e do número de painéis fotovoltaicos nos fornece informações tanto da área necessária para a instalação dos módulos quanto para a determinação do inversor de frequência que deve ser instalado a fim de garantir o funcionamento do sistema Atualmente estão disponíveis no mercado diversos inversores de frequência para sistemas fotovoltaicos com potências que variam entre 1kW a 10 kW quando aplicados a consumidores residenciais e acima de 10 kW para consumidores industriais Contudo existem inversores de potências superiores além de micro inversor com potências bastante baixas e de aplicação específica Conhecidos estes parâmetros é possível a elaboração de memorial descritivo diagramas e análise da área de instalação do sistema a fim de garantir um projeto bemsucedido e que atenda às normas da concessionária de energia 25 310 Tipos de Sistemas Fotovoltaicos Os sistemas fotovoltaicos são classificados conforme o modo como é feita a geração ou entrega da energia elétrica em Sistemas isolados off grid Sistemas conectados à rede on grid Sistemas híbridos Usinas FV Na Figura 18 temos uma visão em fluxograma de tipos de sistemas fotovoltaicos Figura 18 Sistemas fotovoltaicos Fonte BLUESOL 26 Os sistemas fotovoltaicos conectados à rede on grid objeto deste projeto fornecem energia para as redes de distribuição Todo o potencial gerado é rapidamente escoado para a rede que age como uma carga absorvendo a energia Tais sistemas geralmente não utilizam sistemas de armazenamento de energia e por isso são mais eficientes que os sistemas autônomos além de geralmente serem mais baratos Os sistemas On Grid dependem de regulamentação e legislação favorável pois usam a rede de distribuição das concessionárias para o escoamento da energia gerada Esses sistemas utilizam grandes números de painéis fotovoltaicos e não utilizam armazenamento de energia pois toda a geração é entregue diretamente na rede Temos uma visão de como é o sistema on grid nas Figuras 19 e 20 Figura 19 Sistema on grid Fonte Ananias Figura 20 Sistema on grid 27 Fonte Ananias A seguir listamse as funções de cada etapa do sistema On Grid Módulos Fotovoltaicos captam a energia solar Inversor GridTie Transforma a corrente contínua do painel em corrente alternada de 127 V220V e 60Hz compatível com a eletricidade da rede Interruptor de Segurança mecanismo de proteção Quadro de Luz distribui energia para a residência A eletricidade alimenta os utensílios e eletrodomésticos e o excedente flui para a rede elétrica através do medidor bidirecional reduzindo a tarifa de energia elétrica 311 Usinas fotovoltaicas UFVs Usinas fotovoltaicas podem atingir potências da ordem de MWp podendo ser operados por produtores independentes e sua conexão com a rede é em geral feita em média tensão por exemplo 138 ou 345 kV Caso seja uma geração associada a uma unidade consumidora com potência instalada até 1MVp então poderá ser enquadrada como minigeração na RN 482 Neste caso o modulo 3 do Prodist propõe que tais sistemas de minigeração ou seja aqueles com potência instalada superior a 100kWp e inferior a 1MWp sejam conectadas em média tensão mas ressalta que o nível de tensão de conexão da central geradora deve ser definido pela distribuidora em função das limitações A Figura 21 mostra o esquema de um sistema deste tipo onde é evidenciada a presença de um transformador na subestação pra elevar a tensão ao nível de distribuição Figura 21 Sistema de grande porte Fonte Ananias 28 4 Projeto final 41 Elementos iniciais O projeto do SFVCR foi instalado na cidade de Conselheiro Lafaiete MG cuja radiação solar diária média mensal corresponde a 548 kWhm²dia Nos meses de janeiro fevereiro e dezembro observamse os maiores índices de irradiação conforme levantado pelo software PVSYST Figura 22 A Figura 23 traz a localização geográfica do município reforçando as coordenadas Figura 22 Irradiação Solar Diária Média de Conselheiro Lafaiete Fonte PVSYST 29 Figura 23 Localização de Conselheiro Lafaiete Fonte PVSYST Os painéis fotovoltaicos serão instalados em fileiras orientadas para o Norte com inclinação de 30 42 Dimensionamento Para o dimensionamento e a realização do projeto com o auxílio do PVSYST inicialmente foi necessário determinar qual painel solar seria utilizado e do inversor Neste projeto optouse por utilizar o painel solar fabricado pela AE Solar modelo TopCon AE550CMD com potência de 550 Wp A escolha deste painel solar está atrelada à boa disponibilidade do fornecedor do kit gerador fotovoltaico adquirido Vale ressaltar que este painel possui uma das melhores eficiências entre os disponíveis no mercado o que garante um melhor aproveitamento na conversão de energia Ele é fabricado com silício policristalino com rendimento de 295 Este painel solar é uma solução de energia solar de alto desempenho projetada para fornecer uma potência excepcional e eficiência superior Com potência de 550W essa placa oferece um aproveitamento máximo da energia solar disponível Equipada com a tecnologia monocristalino de ponta o painel é capaz de converter eficientemente a luz solar em eletricidade Mesmo em condições de luminosidade reduzida essa tecnologia garante um desempenho consistente e confiável Construída 30 com materiais de alta qualidade a placa solar possui uma estrutura robusta que a torna resistente a impactos e intempéries Sua durabilidade é garantida mesmo em condições climáticas adversas proporcionando um investimento seguro e de longo prazo Essa placa é versátil e pode ser integrada a diferentes tipos de sistemas solares desde residenciais até comerciais Seja para telhados solares ou projetos maiores essa placa oferece uma solução confiável e eficiente Suas especificações técnicas são mostradas na Figura 24 Figura 24 Dados do painel solar selecionado Fonte AE Solar 2023 A fim de verificar se quantidade de painéis fotovoltaicos calculados é suficiente para atender à demanda utilizase a expressão N paineisConsumomensalCobrançaminima Dmed A Emed p 31 Onde Consumo mensal consumo em kWh da UC analisada Cobrança mínima custo por disponibilidade em kWh dmed média de dias em um mês assumindose o valor de 3041 dias A área em m² do painel fotovoltaico percentual da eficiência do painel fotovoltaico Emed irradiação solar diária média da localidade em kWhm²dia p perdas totais do sistema fotovoltaico Utilizandose os dados do município e do painel solar selecionado escolhese o atendimento ao consumo mensal de 10 edificações além de cobrança mínima igual a 50 kHw definida com base na conexão com a rede neste caso monofásica Como o dimensionamento do sistema leva em consideração a irradiação solar média diária se faz necessário o uso do fator dmed 3041 que representa a média de dias em um mês considerando um ano de 365 dias Com tais valores obtémse N paineis11992 Assim considerandose minimamente as 10 edificações a serem atendidas pela usina com o painel selecionado mantémse a margem de segurança de 12 paineis Ou seja a quantidade de painéis fotovoltaicos é arredondada para cima a fim de garantir que a energia gerada seja suficiente para atender o consumo de energia dimensionado Em posse deste valor e sabendo que cada painel possui potência Ppainel 550 W foi calculada a potência instalada do sistema fotovoltaico pela equação Pinst1255066kW Este é o dimensionamento manual dos painéis Resultados simulares podem ser obtidos com o PVSYST um dos mais utilizados e de fácil manuseio no setor É preciso inserir no software os dados do inversor e do painel para o programa fazer todos os 32 cálculos Também se faz necessário configurar a sua localização geográfica que pode ser de forma manual ou usando o GPS Com todos os dados inseridos selecionase o inversor PVP 75KW480 da PV Powered operando de 295 a 500 V temse a seguinte configuração Figura 25 Configuração do PVSYST Fonte Os autores O inversor instalado suporta até 75 kWp O PVSYST informa que a potência mais precisa é de 66 kWp Assim o inversor está superdimensionado para a carga prevista embora operante A título de comparação sugerese como alternativa um inversor de menor capacidade com as mesmas placas selecionadas um inversor de 12 kWp BG12KTR da Invt que comporta melhor a demanda de 12 paineis conforme os selecionados sem risco de excesso de temperatura ou parâmetros fora das especificações Na Figura 26 observamse os gráficos com as produções geradas pelas 12 placas na entrada do inversor 33 Figura 26 Produção do conjunto selecionado Fonte Os autores De todo modo a escolha do inversor mais robusto não afeta a quantidade de painéis que foram utilizados na instalação Dadas as limitações da área do telhado os painéis fotovoltaicos foram instalados na orientação norte em duas strings de 6 painéis cada com inclinação de 30 43 Estimativa de geração de energia Após o dimensionamento do sistema foi estimada a geração de energia mensal com base na quantidade de painéis calculada Haverá meses em que a geração de energia será superior ao seu consumo como indicado pelo PVSYST Nesse caso o excedente de energia gerada fica em forma de créditos para a UC para compensação nos meses em que a geração de energia for menor que o consumo de acordo com a resolução 6872015 da ANEEL 34 5 Conclusões A partir dos resultados obtidos em simulação do sistema projetado foi verificado que seu funcionamento está de acordo e supera as expectativas de geração O levantamento de requisitos auxiliou na elaboração do projeto e forneceu uma visão macroscópica do desafio a ser superado A observação das normas e recomendações pertinentes garantirão uma instalação adequada e prevenirão a ocorrência de acidentes e falhas de geração 35 Referências AE SOLAR Datasheet do Painel Fotovoltaico Disponível em httpssolarevolusomcombrproduto382518 gclidCj0KCQjwhfipBhCqARIsAH9msbk1s iL6NVv5PP9Wp9X4GywpxBB5nH5YcMTKmRDpQGOIlrIDZCZHcaApEIEALwwcB Acesso em 06012024 ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica Energia no Brasil e no Mundo Disponível em httpwww2aneelgovbrarquivospdfatlaspar1cap2pdf Acesso em 06012024 ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica Resolução Normativa nº 414 Disponível em httpwww2aneelgovbrcedocren2010414pdf Acesso em 06012024 ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica Resolução Normativa nº 482 Disponível em httpwww2aneelgovbrcedocren2012482pdf Acesso em 06012024 ALMEIDA P M de Condicionamento da Energia Solar Fotovoltaica para Sistemas Interligados à Rede Elétrica Universidade Federal de Juiz de ForaLABSOLAR 2011 BLUESOL Disponível em httpsblogbluesolcombrinfograficocomofuncionaa energiasolar wwwbluesolcombr Acesso em 06012024 CRESESB Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos Disponível em httpwwwcresesbcepelbrpublicacoesdownloadManualdeEngenhariaFV201 4pdf Acesso em 05012024 MIRANDA A Análise de viabilidade econômica de um sistema fotovoltaico conectado à rede Projeto de GraduaçãoUFRJEscola PolitécnicaCurso de Engenharia Elétrica Rio de Janeiro Brasil 2014 39 71 36 SANTOS A M Tecnologia Fotovoltaica Trabalho de Conclusão de Curso Disponível em httpspantheonufrjbrbitstream1142295041monopoli10006143pdf UFRJ 2013 VILLALVA M G Energia Solar Fotovoltaica Conceitos e Aplicações São Paulo Erica 2012