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Engenharia Elétrica ·
Energias Renováveis
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Engenharia Elétrica Energias Renováveis Projeto de um Sistema Fotovoltaico On Grid Professor Claudio Porto Marins Mogi das Cruzes 2021 1 INTRODUÇÃO A energia elétrica está presente em praticamente tudo ao nosso redor e tornouse indispensável para a sociedade atual Sistemas de iluminação aquecimento resfriamento comunicação internet e entre outros dependem da energia elétrica Sua geração em larga escala iniciouse no século XIX em Nova York Estados Unidos com a usina Pearl Street Station onde utilizavam motores a vapor para a geração de eletricidade A primeira hidrelétrica do mundo surgiu em Wisconsin nos Estados Unidos para fornecer eletricidade para a casa de um produtor de papel onde uma turbina de água localizada no Rio Fox movimentava um gerador para alimentar dois moinhos de papel e a casa do proprietário 1 No Brasil a primeira hidrelétrica surgiu na cidade de Juiz de Fora em Minas Gerais instalada no Rio Paraibuna e era responsável por fornecer energia elétrica para a iluminação pública 2 Desde então surgiram diversas usinas hidrelétricas no país aproveitando o alto potencial hidráulico sendo o terceiro maior do mundo Segundo dados Agência Nacional de Energia Elétrica ANEEL 67 da energia gerada no país é proveniente de usinas hidrelétricas São 739 centrais geradoras 425 pequenas centrais e 219 usinas hidrelétricas em operação totalizando 1093 GW de potência O Brasil possui três usinas entre as maiores do mundo em potência instalada Itaipu Binacional Belo Monte e Tucuruí 3 Porém nos últimos anos com a diminuição das chuvas e consequente redução na produção de energia elétrica pelas hidrelétricas o preço da energia elétrica tem aumentado significativamente Além disso vêm crescendo a preocupação em relação aos impactos ambientais gerados por uma usina hidrelétrica como por exemplo a supressão da vegetação nativa acentuação do assoreamento dos rios extinção de espécies aquáticas e entre outros 4 Com a necessidade de explorar novas tecnologias para a geração de energia renovável a geração de energia fotovoltaica passou a ter uma grande procura principalmente pelos recursos disponíveis no país para a utilização desta fonte de energia A radiação solar fornece para a atmosfera terrestre cerca de 15 1018 kWh anualmente Esse valor corresponde a cerca de 10000 vezes o consumo mundial de energia em um ano 5 Tratase de uma fonte de energia com grande potencial de expansão Atualmente a energia solar no Brasil representa cerca de 17 da matriz energética e o número de sistemas fotovoltaicos vem crescendo consideravelmente tendo um aumento de 45 em 2019 6 Este trabalho tem como objetivo mostrar uma aplicação de um sistema fotovoltaico On Grid para manter uma residência de pequeno porte em funcionamento na cidade Mogi das Cruzes SP 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Energia Solar Fotovoltaica Energia solar fotovoltaica baseiase na conversão de energia solar em energia elétrica Esse fenômeno ocorre quando a luz solar incide sobre as placas solares gerando uma diferença de potencial elétrico sobre os extremos da estrutura semicondutora Módulos Solares Esse fenômeno ocorre quando a luz solar incide sobre os módulos solares gerando uma diferença de potencial elétrico sobre os extremos da estrutura semicondutora O semicondutor mais utilizado na construção dos módulos solares é o Silício Si podendo ser combinado com o Boro B para criar cargas negativas e combinado com o Fósforo P para criar cargas positivas As células fotovoltaicas são montadas de forma plana e em série e conectadas por uma faixa condutora extremamente fina ligando as células e formando um circuito Essas células são protegidas contra as intempéries através de uma camada de vidro temperado com tratamento antirreflexivo e antiaderente Quando a luz solar atinge as células solares alguns elétrons que circundam os átomos dos semicondutores se desprendem e migram para uma outra parte da célula que se encontra com ausência de elétrons Isso ocorre ao longo do dia com os elétrons fluindo em uma direção constante gerando uma corrente elétrica 7 Inversores Os módulos solares convertem a energia solar em energia elétrica Essa energia gerada é em corrente contínua CC e necessita ser transformada em corrente alternada CA para possibilitar a sua utilização Existem modelos específicos de inversores que dependem do tipo de instalação em que serão utilizados Os inversores ongrid são os modelos mais utilizados em sistemas fotovoltaicos transformando a energia elétrica gerada pelos módulos solares de CC em CA e permitindo a injeção de energia da rede de distribuição Além disso o inversor tem a função de garantir a segurança da rede e do sistema fotovoltaico Modelos atuais de inversores gridtie tem eficiência de 94 a 98 na conversão CC para CA 8 Radiação Solar Devido ao movimento anual do nosso planeta em torno do Sol a radiação solar incidente sofre variações ao longo do ano Além disso a latitude a alternância entre dias e noites nuvens e chuvas também contribuem com essa variação Com isso é necessário conhecer a radiação solar incidente na cidade em que os módulos fotovoltaicos serão instalados Na Tabela 1 estão contidos os dados da radiação solar incidente na cidade de Mogi das Cruzes SP coletados no site do Centro de Referência para as Energias Solar e Eólica Sérgio de Brito CRESESB Mês kWhm² Janeiro 530 Fevereiro 558 Março 472 Abril 411 Maio 333 Junho 307 Julho 320 Agosto 412 Setembro 417 Outubro 474 Novembro 510 Dezembro 566 Média 443 Tabela 1 Radiação Solar Incidente na Cidade de Mogi das Cruzes 9 Regulamentação A Agência Nacional de Energia Elétrica ANEEL publicou em 17 de abril de 2012 a Resolução Normativa n 4822012 permitindo ao consumidor gerar a sua própria energia elétrica a partir de fontes renováveis podendo fornecer o excedente à rede de distribuição e convertendo em créditos para reduzir a fatura dos meses seguintes Novas regras foram implementadas em março de 2016 denominandose microgeração distribuída as instalações com potência instalada de até 75 kW e minigeração distribuída aquelas com potência instalada entre 75 kW e 5 MW conectadas na rede distribuidora Também foram ampliados os prazos de validade dos créditos de 36 para 60 meses com a possibilidade de abater o consumo de outras unidades consumidoras do mesmo titular desde que sejam atendidas pela mesma distribuidora Outras novidades dizem respeito à instalação de geração distribuída em condomínios onde a energia gerada poderia ser dividida entre os moradores e também à respeito à instalação de geração compartilhada possibilitando que usuários dividam a energia gerada para a redução das faturas dos cooperados Além disso as regras para a solicitação de conexão com a rede distribuidora foram simplificadas reduzindo o prazo de 82 para 34 dias A partir de janeiro de 2017 foi possível fazer a solicitação e acompanhar os processos do pedido junto a distribuidora pela internet Para consumidores conectados em baixa tensão um fator a ser considerado é que mesmo que a energia injetada na rede distribuidora seja maior que o consumo será necessário o pagamento do custo de disponibilidade equivalente a 30 kWh para instalações monofásicas a 50 kWh para instalações bifásicas e a 100 kWh para instalações trifásicas Para consumidores conectados em alta tensão a parcela da fatura poderá ser zerada caso a energia injetada seja superior ao consumo do mês sendo apenas cobrada a tarifa correspondente à demanda contratada 10 3 METODOLOGIA Para dimensionamento do sistema fotovoltaico foi utilizada a média de consumo de uma residência localizada na cidade de Mogi das Cruzes SP onde vive uma família com 3 moradores Obtevese a Tabela 2 com os dados de consumo conforme a conta de energia em uma instalação bifásica Mês Consumo Ativo Out20 216 Nov20 219 Dez20 195 Jan21 197 Fev21 186 Mar21 221 Abr21 203 Mai21 200 Jun21 219 Jul21 204 Ago21 180 Set21 212 Média 204 Tabela 2 Média de consumo de energia Considerando o consumo médio da residência e a taxa mínima a ser paga para a distribuidora de energia podese projetar a unidade geradora para atender parcialmente o consumo mensal Dimensionamento das placas solares O cálculo para dimensionar o número dos módulos solares será feito a partir do consumo médio de energia e pela taxa mínima a ser paga para a distribuidora equivalente a 50 kWh mensais com 𝐸𝑐 𝐸𝑚𝑚 𝐶𝐷 1 Onde 𝐸𝑐 Energia de compensação 𝐸𝑚𝑚 Energia média mensal 𝐶𝐷 Circuito de distribuição bifásico 50 kWh Com o valor da energia de compensação mensal encontrado devese calcular o valor da energia de compensação diária 𝐸𝑐𝑑 dividindo por 30 dias conforme a Eq 2 𝐸𝑐𝑑 𝐸𝑐 30 2 Após isso é necessário dimensionar o valor médio que necessita ser gerado considerando a radiação média na cidade de Mogi das Cruzes conforme mostrado na Tabela 1 A potência W𝑝 que deve ser gerada pelos módulos solares é encontrado por W𝑝 𝐸𝑐𝑑 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎çã𝑜 3 Com o valor de W𝑝 encontrado podese dimensionar a quantidade 𝑁 de módulos solares necessários para a unidade geradora considerando a capacidade de geração máxima de cada módulo solar 𝑃𝑚á𝑥𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜 𝑁 𝖶𝑝 𝑃𝑚á𝑥𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜 4 Dimensionamento do inversor Para o dimensionamento do inversor a ser utilizado na unidade geradora 11 devem ser considerados alguns pontos importantes conforme itens abaixo Potência máxima de entrada É a potência máxima 𝑃𝑚á𝑥𝑖𝑛𝑣 que o inversor suporta É possível calcular a quantidade máxima de módulos solares 𝑁𝑚á𝑥 que podem ser ligadas no inversor considerando a potência máxima 𝑃𝑚á𝑥𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜 de cada módulo solar 𝑁𝑚á𝑥 𝑃𝑚á𝑥𝑖𝑛𝑣 𝑃𝑚á𝑥𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜 5 Tensão máxima de entrada É a tensão máxima 𝑉𝑚á𝑥𝑖𝑛𝑣 que o inversor suporta É possível calcular a quantidade máxima de módulos solares 𝑁𝑚á𝑥 que podem ser ligadas no inversor considerando a tensão máxima de circuito aberto 𝑉𝑜𝑐 𝑚á𝑥𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜 de cada módulo solar 𝑁𝑚á𝑥 𝑉𝑚á𝑥𝑖𝑛𝑣 𝑉𝑜𝑐 𝑚á𝑥𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜 6 Tensão de inicialização É a tensão mínima 𝑉𝑚í𝑛𝑖𝑛𝑣 que faz com que o inversor entre em funcionamento ou seja existe uma quantidade mínima 𝑁𝑚í𝑛 de módulos necessários para que o inversor funcione 𝑁𝑚í𝑛 𝑉𝑚í𝑛 𝑖𝑛𝑣 𝑉𝑚𝑝 𝑚í𝑛𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜 7 Corrente máxima de entrada É a máxima corrente que o equipamento pode operar Quando a corrente do circuito ultrapassa esse valor o inversor faz a limitação da corrente de saída e consequentemente elevando a tensão de entrada O dimensionamento do sistema deve levar em consideração a corrente máxima de operação para que o inversor trabalhe sem perder a eficiência String Box É um equipamento que tem como principal objetivo proteger o circuito de curtos circuitos e surtos elétricos 12 Nela são conectados os dispositivos de proteção dos circuitos de corrente contínua CC e corrente alternada CA geralmente ligadas separadamente Na String Box CC temse basicamente quatro tipos de componentes Invólucro local onde os dispositivos de proteção e manobra são instalados Fusível dispositivo de proteção que tem como objetivo proteger os cabos contra sobrecargas e curtoscircuitos garantindo a segurança da instalação e dos usuários Dispositivo de proteção contra surto DPS dispositivo de proteção que tem como objetivo proteger a instalação contra surtos de tensão ou corrente causados por descargas atmosféricas Chave seccionadora dispositivo que possibilita o seccionamento do circuito sob carga quando a unidade geradora necessita ser desligada para manutenção Na String Box CA temse basicamente três tipos de componentes invólucro disjuntor termomagnético que possui a mesma função que o fusível e pode ser usado para seccionar o circuito e o DPS Energia Produzida pelo Gerador A estimativa de produção mensal de energia pode ser obtida através da Eq8 𝐸𝑔𝑖 𝑃W𝑝 𝑁 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎çã𝑜𝑚𝑒𝑑 𝜂 𝑑𝑖𝑎𝑠 8 Onde 𝐸𝑔𝑖 Energia produzida pelo gerador em kWh 𝑃W𝑝 Potência nominal de cada módulo fotovoltaico 𝑁 Número de módulos fotovoltaicos 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎çã𝑜𝑚𝑒𝑑 Nível médio anual de radiação solar no local da instalação em horas de insolação máxima 𝜂 Eficiência global do sistema fotovoltaico sendo o valor típico entre 07 e 08 𝑑𝑖𝑎𝑠 Quantidade de dias do mês Com isso é possível chegar ao valor total de energia economizado em Reais R pela tarifa de energia com o acréscimo dos tributos PIS COFINS e ICMS 𝐸𝑐𝑜𝑛𝑜𝑚𝑖𝑎 𝐸𝑔𝑖 𝑡𝑟𝑖𝑏𝑢𝑡𝑜𝑠 9 Cabeamento Elétrico Segundo o Manual de Engenharia Fotovoltaica 13 a seção mínima do condutor pode ser determinada pela Equação 10 Onde 𝑆 𝜌 𝑑𝐼 10 Δ𝑉 𝑆 Seção mínima do condutor em mm² 𝜌 Resistividade do material do condutor em Ωmm²m 𝑑 Distância total do condutor considerando ida e volta em m 𝐼 Corrente que passa pelo condutor em A Δ𝑉 Queda de tensão tolerada pelo cabeamento no trecho analisado Na maior parte das instalações fotovoltaicas o condutor utilizado é o cobre que apresenta uma resistividade típica de 𝜌𝑐𝑢 001724 Ωmm²m a 20C 4 RESULTADOS E DISCUSSÕES A média de consumo mensal encontrada na residência foi de 204 kWh conforme dados da Tabela 2 Para calcular o valor da Energia de Compensação será utilizada a Eq 1 𝐸𝑐 𝐸𝑚𝑚 𝐶𝐷 𝐸𝑐 204 50 𝐸𝑐 154 𝑘Wℎ Com o valor da Energia de Compensação Mensal encontrada devese calcular o valor diário através da Eq 2 𝐸𝑐 𝐸𝑐𝑑 30 𝐸𝑐𝑑 154 30 𝐸𝑐𝑑 513 𝑘Wℎ De acordo com o CRESESB a média de radiação solar na cidade de Mogi das Cruzes SP é de aproximadamente 443 kWhm² conforme os dados da Tabela 1 Assim é possível calcular a potência média gerada diariamente pelas placas solares conforme a Eq 3 𝐸𝑐𝑑 W𝑝 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎çã𝑜 W𝑝 5130 443 W𝑝 1158 W𝑝 Para calcular o número de painéis a serem utilizados na instalação devese definir o modelo de painel solar a ser utilizado Será utilizado o modelo CS3K295P do fabricante Canadian Solar com potência nominal de 295 W A escolha deste módulo baseouse na alta disponibilidade no mercado garantia de 25 anos e por possuir certificação do Inmetro oferecendo uma boa relação custobenefício Com isso podemos calcular o número de módulos conforme a Eq 4 𝑁 W𝑝 𝑃𝑚á𝑥𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜 𝑁 1158 295 𝑁 392 Como a radiação solar sofre variações ao longo do dia foi optado em acrescentar mais um módulo solar para garantir uma geração que atenda a demanda da residência Com os 5 módulos de 295 W a potência instalada do sistema será de 1475 W Com o valor da potência do sistema definida podese dimensionar o inversor a ser utilizado O inversor escolhido foi o modelo MIC 2000 TLX do fabricante Growatt com potência máxima de 2000 W A escolha deste modelo baseouse na alta disponibilidade garantia de 10 anos e certificação do Inmetro oferecendo bom custobenefício Serão verificadas as especificações do inversor no datasheet conforme os parâmetros citados no capítulo 3 É necessário verificar o número máximo de módulos a serem utilizados no inversor considerando o valor da potência nominal Como o projeto utilizará 5 módulos então está dentro das especificações conforme calculado na Eq5 𝑁𝑚á𝑥 𝑃 𝑃𝑚á𝑥𝑖𝑛𝑣 𝑚á𝑥𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜 𝑁𝑚á𝑥 2000 295 𝑁𝑚á𝑥 678 É necessário verificar o número máximo de módulos a serem utilizados no inversor considerando o valor da tensão máxima Como o projeto utilizará 5 módulos então está dentro das especificações conforme calculado na Eq 6 𝑁𝑚á𝑥 𝑉 𝑉𝑚á𝑥𝑖𝑛𝑣 𝑜𝑐 𝑚á𝑥𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜 500 𝑁𝑚á𝑥 391 𝑁𝑚á𝑥 1278 É necessário verificar o número mínimo de módulos a serem utilizados no inversor considerando o valor da tensão de inicialização Como o projeto utilizará 5 módulos então está dentro das especificações conforme calculado na Eq7 𝑁𝑚í𝑛 𝑉 𝑉𝑚í𝑛 𝑖𝑛𝑣 𝑚𝑝 𝑚í𝑛𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜 50 𝑁𝑚í𝑛 325 𝑁𝑚í𝑛 153 É necessário verificar a máxima corrente de operação considerando que o valor da corrente de operação dos módulos fotovoltaicos seja inferior à capacidade do inversor A corrente de operação dos módulos é de 908 A e a do inversor é de 13 A atendendo as especificações Com as especificações dos módulos e do inversor é possível estimar a quantidade aproximada da geração fotovoltaica por mês considerando os dados da radiação média mensal da Tabela 1 e a Eq8 𝐸𝑔𝑖 𝑃W𝑝 𝑁 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎çã𝑜𝑚𝑒𝑑 𝜂 𝑑𝑖𝑎𝑠 Mês Dias Potência Instalada kWh Radiação Solar kWhm² Rendimento Energia Mensal Produzida kWh Janeiro 31 1475 530 08 19387 Fevereiro 28 1475 558 08 18436 Março 31 1475 472 08 17266 Abril 30 1475 411 08 14549 Maio 31 1475 333 08 12181 Junho 30 1475 307 08 10868 Julho 31 1475 320 08 11706 Agosto 31 1475 412 08 15071 Setembro 30 1475 417 08 14762 Outubro 31 1475 474 08 17339 Novembro 30 1475 510 08 18054 Dezembro 31 1475 566 08 20704 Tabela 3 Energia mensal produzida Considerando que o valor do kWh em R 066 30 de tributos PIS COFINS e ICMS em outubro de 2021 podemos calcular o valor economizado por mês conforme mostrado na Tabela 4 Mês Energia Mensal Produzida kWh Custo do kWh R Tributos por kWh R Valor economizado R Janeiro 19387 066 020 16634 Fevereiro 18436 066 020 15818 Março 17266 066 020 14814 Abril 14549 066 020 12483 Maio 12181 066 020 10451 Junho 10868 066 020 9325 Julho 11706 066 020 10043 Agosto 15071 066 020 12931 Setembro 14762 066 020 12666 Outubro 17339 066 020 14877 Novembro 18054 066 020 15490 Dezembro 20704 066 020 17764 Tabela 4 Valor mensal economizado Considerando os valores cobrados pela concessionária em outubro de 2021 estimase uma economia anual de R 160530 A distância entre os módulos fotovoltaicos e o inversor será de aproximadamente 25 metros considerando ida e volta considerando uma queda de tensão de no máximo 2 Com isso podemos calcular a seção do condutor conforme a Eq 10 𝑆 𝜌 𝑑 𝐼 Δ𝑉 𝑆 001724 25 908 2 𝑆 195674 mm² Com base no valor encontrado podese definir a seção dos cabos elétricos O cabo elétrico com seção comercial mais próxima do valor encontrado é de 25 mm² Com isso podemos estimar os custos para a instalação do sistema fotovoltaico com base nos valores de mercado em outubro de 2021 mostrados na Tabela 5 Item Descrição Qtd Custo Unitário R Custo Total R 1 Módulo Fotovoltaico 295 Wp 5 90000 450000 2 Inversor 2kW 1 350000 350000 3 Kit suporte para módulo fotovoltaico 1 75000 75000 4 String Box CC 2E2S 1 65000 65000 5 String Box CA 1 34000 34000 6 Rolo cabo flexível 25 mm² preto 50 m 1 13000 13000 7 Rolo cabo flexível 25 mm² vermelho 50 m 1 13000 13000 8 Rolo cabo flexível 25 mm² verde 25 m 1 8000 8000 9 Kit de terminal tipo ilhós 25 mm² 100 pçs 1 2500 2500 10 Rolo de fita isolante 1 2500 2500 1013000 Tabela 5 Custo dos materiais do projeto O custo da mão de obra pode variar de acordo com a região fornecedor e modelos de equipamentos utilizados Segundo o site Portal Solar 14 o custo médio para a instalação de projetos residenciais de até 223 kWp é de R 363858 Incluindo os custos com material o investimento total para o projeto será de R 1376858 com um retorno estimado em 8 anos e 5 meses considerando a economia mensal na tarifa de energia elétrica Uma observação importante é que o proprietário da residência não conseguirá zerar a tarifa devido à taxa mínima referente à 50 kWh e outras despesas referentes à iluminação pública 5 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1 A história da eletricidade e cientistas que mudaram o mundo Disponível em httpswwwtecmundocombrciencia122576historiaeletricidadecientistasmudaram mundovideohtm Acesso em 19 de out de 2021 2 Rotas da Eletricidade Disponível em httpsrevistapesquisafapespbrrotasda eletricidade Acesso em 19 de out de 2021 3 No Dia Mundial da Água ANEEL publica infográfico sobre hidrelétricas no Brasil Disponível em httpwwwaneelgovbrsaladeimprensaexibicao2 assetpublisherzXQREz8EVlZ6contentnodiamundialdaaguaaneelpublicainfografico sobrehidreletricasno brasil656877inheritRedirectfalseredirecthttp2F2Fwwwaneelgovbr2Fsalade imprensaexibicao 23Fppid3D101INSTANCEzXQREz8EVlZ626pplifecycle3D026ppstate 3Dnormal26ppmode3Dview26ppcolid3Dcolumn 226ppcolpos3D126ppcolcount3D3 Acesso em 19 de out de 2021 4 Energia hidrelétrica Disponível em httpsmundoeducacaouolcombrgeografiaenergia hidreletricahtm Acesso em 20 de out de 2021 5 Radiação Solar Disponível em httpwwwcresesbcepelbrindexphpsectioncomcontentlangptcid301 Acesso em 20 de out de 2021 6 Energia solar no Brasil Disponível em httpswwwportalsolarcombrenergiasolarno brasilhtml Acesso em 20 de out de 2021 7 Como Funciona o Painel Solar Fotovoltaico Disponível em httpswwwportalsolarcombrcomofuncionaopainelsolarfotovoltaicohtml Acesso em 20 de out de 2021 8 Inversor Solar GridTie Disponível em httpselysiacombrinversorsolargridtie Acesso em 20 de out de 2021 9 Potencial Solar Disponível em httpwwwcresesbcepelbrindexphpdata Acesso em 20 de out de 2021 10 Geração Distribuída Disponível em httpwwwaneelgovbrgeracaodistribuida Acesso em 26 de out de 2021 11 Dimensionamento de Módulos por String no Inversor Fotovoltaico Disponível em httpsfotusenergiacombrblogdimensionamentodemodulosporstringnoinversor fotovoltaico Acesso em 26 de out de 2021 12 String Box O Que é e Como Funciona Disponível em httpswwwsolarvoltenergiacombrblogstringboxoqueeecomofunciona Acesso em 26 de out de 2021 13 Manual de Engenharia Fotovoltaica Disponível em httpwwwcresesbcepelbrpublicacoesdownloadmanualdeengenhariafv2014pdf Acesso em 26 de out de 2021 14 Preços e custos de instalação Disponível em httpswwwportalsolarcombrpainelsolar precoscustosdeinstalacaohtml Acesso em 28 de out de 2021
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pública 2 Desde então surgiram diversas usinas hidrelétricas no país aproveitando o alto potencial hidráulico sendo o terceiro maior do mundo Segundo dados Agência Nacional de Energia Elétrica ANEEL 67 da energia gerada no país é proveniente de usinas hidrelétricas São 739 centrais geradoras 425 pequenas centrais e 219 usinas hidrelétricas em operação totalizando 1093 GW de potência O Brasil possui três usinas entre as maiores do mundo em potência instalada Itaipu Binacional Belo Monte e Tucuruí 3 Porém nos últimos anos com a diminuição das chuvas e consequente redução na produção de energia elétrica pelas hidrelétricas o preço da energia elétrica tem aumentado significativamente Além disso vêm crescendo a preocupação em relação aos impactos ambientais gerados por uma usina hidrelétrica como por exemplo a supressão da vegetação nativa acentuação do assoreamento dos rios extinção de espécies aquáticas e entre outros 4 Com a necessidade de explorar novas tecnologias para a geração de energia renovável a geração de energia fotovoltaica passou a ter uma grande procura principalmente pelos recursos disponíveis no país para a utilização desta fonte de energia A radiação solar fornece para a atmosfera terrestre cerca de 15 1018 kWh anualmente Esse valor corresponde a cerca de 10000 vezes o consumo mundial de energia em um ano 5 Tratase de uma fonte de energia com grande potencial de expansão Atualmente a energia solar no Brasil representa cerca de 17 da matriz energética e o número de sistemas fotovoltaicos vem crescendo consideravelmente tendo um aumento de 45 em 2019 6 Este trabalho tem como objetivo mostrar uma aplicação de um sistema fotovoltaico On Grid para manter uma residência de pequeno porte em funcionamento na cidade Mogi das Cruzes SP 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Energia Solar Fotovoltaica Energia solar fotovoltaica baseiase na conversão de energia solar em energia elétrica Esse fenômeno ocorre quando a luz solar incide sobre as placas solares gerando uma diferença de potencial elétrico sobre os extremos da estrutura semicondutora Módulos Solares Esse fenômeno ocorre quando a luz solar incide sobre os módulos solares gerando uma diferença de potencial elétrico sobre os extremos da estrutura semicondutora O semicondutor mais utilizado na construção dos módulos solares é o Silício Si podendo ser combinado com o Boro B para criar cargas negativas e combinado com o Fósforo P para criar cargas positivas As células fotovoltaicas são montadas de forma plana e em série e conectadas por uma faixa condutora extremamente fina ligando as células e formando um circuito Essas células são protegidas contra as intempéries através de uma camada de vidro temperado com tratamento antirreflexivo e antiaderente Quando a luz solar atinge as células solares alguns elétrons que circundam os átomos dos semicondutores se desprendem e migram para uma outra parte da célula que se encontra com ausência de elétrons Isso ocorre ao longo do dia com os elétrons fluindo em uma direção constante gerando uma corrente elétrica 7 Inversores Os módulos solares convertem a energia solar em energia elétrica Essa energia gerada é em corrente contínua CC e necessita ser transformada em corrente alternada CA para possibilitar a sua utilização Existem modelos específicos de inversores que dependem do tipo de instalação em que serão utilizados Os inversores ongrid são os modelos mais utilizados em sistemas fotovoltaicos transformando a energia elétrica gerada pelos módulos solares de CC em CA e permitindo a injeção de energia da rede de distribuição Além disso o inversor tem a função de garantir a segurança da rede e do sistema fotovoltaico Modelos atuais de inversores gridtie tem eficiência de 94 a 98 na conversão CC para CA 8 Radiação Solar Devido ao movimento anual do nosso planeta em torno do Sol a radiação solar incidente sofre variações ao longo do ano Além disso a latitude a alternância entre dias e noites nuvens e chuvas também contribuem com essa variação Com isso é necessário conhecer a radiação solar incidente na cidade em que os módulos fotovoltaicos serão instalados Na Tabela 1 estão contidos os dados da radiação solar incidente na cidade de Mogi das Cruzes SP coletados no site do Centro de Referência para as Energias Solar e Eólica Sérgio de Brito CRESESB Mês kWhm² Janeiro 530 Fevereiro 558 Março 472 Abril 411 Maio 333 Junho 307 Julho 320 Agosto 412 Setembro 417 Outubro 474 Novembro 510 Dezembro 566 Média 443 Tabela 1 Radiação Solar Incidente na Cidade de Mogi das Cruzes 9 Regulamentação A Agência Nacional de Energia Elétrica ANEEL publicou em 17 de abril de 2012 a Resolução Normativa n 4822012 permitindo ao consumidor gerar a sua própria energia elétrica a partir de fontes renováveis podendo fornecer o excedente à rede de distribuição e convertendo em créditos para reduzir a fatura dos meses seguintes Novas regras foram implementadas em março de 2016 denominandose microgeração distribuída as instalações com potência instalada de até 75 kW e minigeração distribuída aquelas com potência instalada entre 75 kW e 5 MW conectadas na rede distribuidora Também foram ampliados os prazos de validade dos créditos de 36 para 60 meses com a possibilidade de abater o consumo de outras unidades consumidoras do mesmo titular desde que sejam atendidas pela mesma distribuidora Outras novidades dizem respeito à instalação de geração distribuída em condomínios onde a energia gerada poderia ser dividida entre os moradores e também à respeito à instalação de geração compartilhada possibilitando que usuários dividam a energia gerada para a redução das faturas dos cooperados Além disso as regras para a solicitação de conexão com a rede distribuidora foram simplificadas reduzindo o prazo de 82 para 34 dias A partir de janeiro de 2017 foi possível fazer a solicitação e acompanhar os processos do pedido junto a distribuidora pela internet Para consumidores conectados em baixa tensão um fator a ser considerado é que mesmo que a energia injetada na rede distribuidora seja maior que o consumo será necessário o pagamento do custo de disponibilidade equivalente a 30 kWh para instalações monofásicas a 50 kWh para instalações bifásicas e a 100 kWh para instalações trifásicas Para consumidores conectados em alta tensão a parcela da fatura poderá ser zerada caso a energia injetada seja superior ao consumo do mês sendo apenas cobrada a tarifa correspondente à demanda contratada 10 3 METODOLOGIA Para dimensionamento do sistema fotovoltaico foi utilizada a média de consumo de uma residência localizada na cidade de Mogi das Cruzes SP onde vive uma família com 3 moradores Obtevese a Tabela 2 com os dados de consumo conforme a conta de energia em uma instalação bifásica Mês Consumo Ativo Out20 216 Nov20 219 Dez20 195 Jan21 197 Fev21 186 Mar21 221 Abr21 203 Mai21 200 Jun21 219 Jul21 204 Ago21 180 Set21 212 Média 204 Tabela 2 Média de consumo de energia Considerando o consumo médio da residência e a taxa mínima a ser paga para a distribuidora de energia podese projetar a unidade geradora para atender parcialmente o consumo mensal Dimensionamento das placas solares O cálculo para dimensionar o número dos módulos solares será feito a partir do consumo médio de energia e pela taxa mínima a ser paga para a distribuidora equivalente a 50 kWh mensais com 𝐸𝑐 𝐸𝑚𝑚 𝐶𝐷 1 Onde 𝐸𝑐 Energia de compensação 𝐸𝑚𝑚 Energia média mensal 𝐶𝐷 Circuito de distribuição bifásico 50 kWh Com o valor da energia de compensação mensal encontrado devese calcular o valor da energia de compensação diária 𝐸𝑐𝑑 dividindo por 30 dias conforme a Eq 2 𝐸𝑐𝑑 𝐸𝑐 30 2 Após isso é necessário dimensionar o valor médio que necessita ser gerado considerando a radiação média na cidade de Mogi das Cruzes conforme mostrado na Tabela 1 A potência W𝑝 que deve ser gerada pelos módulos solares é encontrado por W𝑝 𝐸𝑐𝑑 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎çã𝑜 3 Com o valor de W𝑝 encontrado podese dimensionar a quantidade 𝑁 de módulos solares necessários para a unidade geradora considerando a capacidade de geração máxima de cada módulo solar 𝑃𝑚á𝑥𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜 𝑁 𝖶𝑝 𝑃𝑚á𝑥𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜 4 Dimensionamento do inversor Para o dimensionamento do inversor a ser utilizado na unidade geradora 11 devem ser considerados alguns pontos importantes conforme itens abaixo Potência máxima de entrada É a potência máxima 𝑃𝑚á𝑥𝑖𝑛𝑣 que o inversor suporta É possível calcular a quantidade máxima de módulos solares 𝑁𝑚á𝑥 que podem ser ligadas no inversor considerando a potência máxima 𝑃𝑚á𝑥𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜 de cada módulo solar 𝑁𝑚á𝑥 𝑃𝑚á𝑥𝑖𝑛𝑣 𝑃𝑚á𝑥𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜 5 Tensão máxima de entrada É a tensão máxima 𝑉𝑚á𝑥𝑖𝑛𝑣 que o inversor suporta É possível calcular a quantidade máxima de módulos solares 𝑁𝑚á𝑥 que podem ser ligadas no inversor considerando a tensão máxima de circuito aberto 𝑉𝑜𝑐 𝑚á𝑥𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜 de cada módulo solar 𝑁𝑚á𝑥 𝑉𝑚á𝑥𝑖𝑛𝑣 𝑉𝑜𝑐 𝑚á𝑥𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜 6 Tensão de inicialização É a tensão mínima 𝑉𝑚í𝑛𝑖𝑛𝑣 que faz com que o inversor entre em funcionamento ou seja existe uma quantidade mínima 𝑁𝑚í𝑛 de módulos necessários para que o inversor funcione 𝑁𝑚í𝑛 𝑉𝑚í𝑛 𝑖𝑛𝑣 𝑉𝑚𝑝 𝑚í𝑛𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜 7 Corrente máxima de entrada É a máxima corrente que o equipamento pode operar Quando a corrente do circuito ultrapassa esse valor o inversor faz a limitação da corrente de saída e consequentemente elevando a tensão de entrada O dimensionamento do sistema deve levar em consideração a corrente máxima de operação para que o inversor trabalhe sem perder a eficiência String Box É um equipamento que tem como principal objetivo proteger o circuito de curtos circuitos e surtos elétricos 12 Nela são conectados os dispositivos de proteção dos circuitos de corrente contínua CC e corrente alternada CA geralmente ligadas separadamente Na String Box CC temse basicamente quatro tipos de componentes Invólucro local onde os dispositivos de proteção e manobra são instalados Fusível dispositivo de proteção que tem como objetivo proteger os cabos contra sobrecargas e curtoscircuitos garantindo a segurança da instalação e dos usuários Dispositivo de proteção contra surto DPS dispositivo de proteção que tem como objetivo proteger a instalação contra surtos de tensão ou corrente causados por descargas atmosféricas Chave seccionadora dispositivo que possibilita o seccionamento do circuito sob carga quando a unidade geradora necessita ser desligada para manutenção Na String Box CA temse basicamente três tipos de componentes invólucro disjuntor termomagnético que possui a mesma função que o fusível e pode ser usado para seccionar o circuito e o DPS Energia Produzida pelo Gerador A estimativa de produção mensal de energia pode ser obtida através da Eq8 𝐸𝑔𝑖 𝑃W𝑝 𝑁 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎çã𝑜𝑚𝑒𝑑 𝜂 𝑑𝑖𝑎𝑠 8 Onde 𝐸𝑔𝑖 Energia produzida pelo gerador em kWh 𝑃W𝑝 Potência nominal de cada módulo fotovoltaico 𝑁 Número de módulos fotovoltaicos 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎çã𝑜𝑚𝑒𝑑 Nível médio anual de radiação solar no local da instalação em horas de insolação máxima 𝜂 Eficiência global do sistema fotovoltaico sendo o valor típico entre 07 e 08 𝑑𝑖𝑎𝑠 Quantidade de dias do mês Com isso é possível chegar ao valor total de energia economizado em Reais R pela tarifa de energia com o acréscimo dos tributos PIS COFINS e ICMS 𝐸𝑐𝑜𝑛𝑜𝑚𝑖𝑎 𝐸𝑔𝑖 𝑡𝑟𝑖𝑏𝑢𝑡𝑜𝑠 9 Cabeamento Elétrico Segundo o Manual de Engenharia Fotovoltaica 13 a seção mínima do condutor pode ser determinada pela Equação 10 Onde 𝑆 𝜌 𝑑𝐼 10 Δ𝑉 𝑆 Seção mínima do condutor em mm² 𝜌 Resistividade do material do condutor em Ωmm²m 𝑑 Distância total do condutor considerando ida e volta em m 𝐼 Corrente que passa pelo condutor em A Δ𝑉 Queda de tensão tolerada pelo cabeamento no trecho analisado Na maior parte das instalações fotovoltaicas o condutor utilizado é o cobre que apresenta uma resistividade típica de 𝜌𝑐𝑢 001724 Ωmm²m a 20C 4 RESULTADOS E DISCUSSÕES A média de consumo mensal encontrada na residência foi de 204 kWh conforme dados da Tabela 2 Para calcular o valor da Energia de Compensação será utilizada a Eq 1 𝐸𝑐 𝐸𝑚𝑚 𝐶𝐷 𝐸𝑐 204 50 𝐸𝑐 154 𝑘Wℎ Com o valor da Energia de Compensação Mensal encontrada devese calcular o valor diário através da Eq 2 𝐸𝑐 𝐸𝑐𝑑 30 𝐸𝑐𝑑 154 30 𝐸𝑐𝑑 513 𝑘Wℎ De acordo com o CRESESB a média de radiação solar na cidade de Mogi das Cruzes SP é de aproximadamente 443 kWhm² conforme os dados da Tabela 1 Assim é possível calcular a potência média gerada diariamente pelas placas solares conforme a Eq 3 𝐸𝑐𝑑 W𝑝 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎çã𝑜 W𝑝 5130 443 W𝑝 1158 W𝑝 Para calcular o número de painéis a serem utilizados na instalação devese definir o modelo de painel solar a ser utilizado Será utilizado o modelo CS3K295P do fabricante Canadian Solar com potência nominal de 295 W A escolha deste módulo baseouse na alta disponibilidade no mercado garantia de 25 anos e por possuir certificação do Inmetro oferecendo uma boa relação custobenefício Com isso podemos calcular o número de módulos conforme a Eq 4 𝑁 W𝑝 𝑃𝑚á𝑥𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜 𝑁 1158 295 𝑁 392 Como a radiação solar sofre variações ao longo do dia foi optado em acrescentar mais um módulo solar para garantir uma geração que atenda a demanda da residência Com os 5 módulos de 295 W a potência instalada do sistema será de 1475 W Com o valor da potência do sistema definida podese dimensionar o inversor a ser utilizado O inversor escolhido foi o modelo MIC 2000 TLX do fabricante Growatt com potência máxima de 2000 W A escolha deste modelo baseouse na alta disponibilidade garantia de 10 anos e certificação do Inmetro oferecendo bom custobenefício Serão verificadas as especificações do inversor no datasheet conforme os parâmetros citados no capítulo 3 É necessário verificar o número máximo de módulos a serem utilizados no inversor considerando o valor da potência nominal Como o projeto utilizará 5 módulos então está dentro das especificações conforme calculado na Eq5 𝑁𝑚á𝑥 𝑃 𝑃𝑚á𝑥𝑖𝑛𝑣 𝑚á𝑥𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜 𝑁𝑚á𝑥 2000 295 𝑁𝑚á𝑥 678 É necessário verificar o número máximo de módulos a serem utilizados no inversor considerando o valor da tensão máxima Como o projeto utilizará 5 módulos então está dentro das especificações conforme calculado na Eq 6 𝑁𝑚á𝑥 𝑉 𝑉𝑚á𝑥𝑖𝑛𝑣 𝑜𝑐 𝑚á𝑥𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜 500 𝑁𝑚á𝑥 391 𝑁𝑚á𝑥 1278 É necessário verificar o número mínimo de módulos a serem utilizados no inversor considerando o valor da tensão de inicialização Como o projeto utilizará 5 módulos então está dentro das especificações conforme calculado na Eq7 𝑁𝑚í𝑛 𝑉 𝑉𝑚í𝑛 𝑖𝑛𝑣 𝑚𝑝 𝑚í𝑛𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜 50 𝑁𝑚í𝑛 325 𝑁𝑚í𝑛 153 É necessário verificar a máxima corrente de operação considerando que o valor da corrente de operação dos módulos fotovoltaicos seja inferior à capacidade do inversor A corrente de operação dos módulos é de 908 A e a do inversor é de 13 A atendendo as especificações Com as especificações dos módulos e do inversor é possível estimar a quantidade aproximada da geração fotovoltaica por mês considerando os dados da radiação média mensal da Tabela 1 e a Eq8 𝐸𝑔𝑖 𝑃W𝑝 𝑁 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎çã𝑜𝑚𝑒𝑑 𝜂 𝑑𝑖𝑎𝑠 Mês Dias Potência Instalada kWh Radiação Solar kWhm² Rendimento Energia Mensal Produzida kWh Janeiro 31 1475 530 08 19387 Fevereiro 28 1475 558 08 18436 Março 31 1475 472 08 17266 Abril 30 1475 411 08 14549 Maio 31 1475 333 08 12181 Junho 30 1475 307 08 10868 Julho 31 1475 320 08 11706 Agosto 31 1475 412 08 15071 Setembro 30 1475 417 08 14762 Outubro 31 1475 474 08 17339 Novembro 30 1475 510 08 18054 Dezembro 31 1475 566 08 20704 Tabela 3 Energia mensal produzida Considerando que o valor do kWh em R 066 30 de tributos PIS COFINS e ICMS em outubro de 2021 podemos calcular o valor economizado por mês conforme mostrado na Tabela 4 Mês Energia Mensal Produzida kWh Custo do kWh R Tributos por kWh R Valor economizado R Janeiro 19387 066 020 16634 Fevereiro 18436 066 020 15818 Março 17266 066 020 14814 Abril 14549 066 020 12483 Maio 12181 066 020 10451 Junho 10868 066 020 9325 Julho 11706 066 020 10043 Agosto 15071 066 020 12931 Setembro 14762 066 020 12666 Outubro 17339 066 020 14877 Novembro 18054 066 020 15490 Dezembro 20704 066 020 17764 Tabela 4 Valor mensal economizado Considerando os valores cobrados pela concessionária em outubro de 2021 estimase uma economia anual de R 160530 A distância entre os módulos fotovoltaicos e o inversor será de aproximadamente 25 metros considerando ida e volta considerando uma queda de tensão de no máximo 2 Com isso podemos calcular a seção do condutor conforme a Eq 10 𝑆 𝜌 𝑑 𝐼 Δ𝑉 𝑆 001724 25 908 2 𝑆 195674 mm² Com base no valor encontrado podese definir a seção dos cabos elétricos O cabo elétrico com seção comercial mais próxima do valor encontrado é de 25 mm² Com isso podemos estimar os custos para a instalação do sistema fotovoltaico com base nos valores de mercado em outubro de 2021 mostrados na Tabela 5 Item Descrição Qtd Custo Unitário R Custo Total R 1 Módulo Fotovoltaico 295 Wp 5 90000 450000 2 Inversor 2kW 1 350000 350000 3 Kit suporte para módulo fotovoltaico 1 75000 75000 4 String Box CC 2E2S 1 65000 65000 5 String Box CA 1 34000 34000 6 Rolo cabo flexível 25 mm² preto 50 m 1 13000 13000 7 Rolo cabo flexível 25 mm² vermelho 50 m 1 13000 13000 8 Rolo cabo flexível 25 mm² verde 25 m 1 8000 8000 9 Kit de terminal tipo ilhós 25 mm² 100 pçs 1 2500 2500 10 Rolo de fita isolante 1 2500 2500 1013000 Tabela 5 Custo dos materiais do projeto O custo da mão de obra pode variar de acordo com a região fornecedor e modelos de equipamentos utilizados Segundo o site Portal Solar 14 o custo médio para a instalação de projetos residenciais de até 223 kWp é de R 363858 Incluindo os custos com material o investimento total para o projeto será de R 1376858 com um retorno estimado em 8 anos e 5 meses considerando a economia mensal na tarifa de energia elétrica Uma observação importante é que o proprietário da residência não conseguirá zerar a tarifa devido à taxa mínima referente à 50 kWh e outras despesas referentes à iluminação pública 5 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1 A história da eletricidade e cientistas que mudaram o mundo Disponível em httpswwwtecmundocombrciencia122576historiaeletricidadecientistasmudaram mundovideohtm Acesso em 19 de out de 2021 2 Rotas da Eletricidade Disponível em httpsrevistapesquisafapespbrrotasda eletricidade Acesso em 19 de out de 2021 3 No Dia Mundial da Água ANEEL publica infográfico sobre hidrelétricas no Brasil Disponível em httpwwwaneelgovbrsaladeimprensaexibicao2 assetpublisherzXQREz8EVlZ6contentnodiamundialdaaguaaneelpublicainfografico sobrehidreletricasno brasil656877inheritRedirectfalseredirecthttp2F2Fwwwaneelgovbr2Fsalade imprensaexibicao 23Fppid3D101INSTANCEzXQREz8EVlZ626pplifecycle3D026ppstate 3Dnormal26ppmode3Dview26ppcolid3Dcolumn 226ppcolpos3D126ppcolcount3D3 Acesso em 19 de out de 2021 4 Energia hidrelétrica Disponível em httpsmundoeducacaouolcombrgeografiaenergia hidreletricahtm Acesso em 20 de out de 2021 5 Radiação Solar Disponível em httpwwwcresesbcepelbrindexphpsectioncomcontentlangptcid301 Acesso em 20 de out de 2021 6 Energia solar no Brasil Disponível em httpswwwportalsolarcombrenergiasolarno brasilhtml Acesso em 20 de out de 2021 7 Como Funciona o Painel Solar Fotovoltaico Disponível em httpswwwportalsolarcombrcomofuncionaopainelsolarfotovoltaicohtml Acesso em 20 de out de 2021 8 Inversor Solar GridTie Disponível em httpselysiacombrinversorsolargridtie Acesso em 20 de out de 2021 9 Potencial Solar Disponível em httpwwwcresesbcepelbrindexphpdata Acesso em 20 de out de 2021 10 Geração Distribuída Disponível em httpwwwaneelgovbrgeracaodistribuida Acesso em 26 de out de 2021 11 Dimensionamento de Módulos por String no Inversor Fotovoltaico Disponível em httpsfotusenergiacombrblogdimensionamentodemodulosporstringnoinversor fotovoltaico Acesso em 26 de out de 2021 12 String Box O Que é e Como Funciona Disponível em httpswwwsolarvoltenergiacombrblogstringboxoqueeecomofunciona Acesso em 26 de out de 2021 13 Manual de Engenharia Fotovoltaica Disponível em httpwwwcresesbcepelbrpublicacoesdownloadmanualdeengenhariafv2014pdf Acesso em 26 de out de 2021 14 Preços e custos de instalação Disponível em httpswwwportalsolarcombrpainelsolar precoscustosdeinstalacaohtml Acesso em 28 de out de 2021