Análise preliminar do funcionamento de um sistema de energia solar fotovoltaico conectado a rede de distribuição de eletricidade em Recife

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1 Análise preliminar do funcionamento de um sistema de energia solar fotovoltaico conectado a rede de distribuição de eletricidade em Recife Heitor Scalambrini Costa (1), Guilherme Costa Neto (1), Sílvio Diniz de Lourenço Junior (1), Marcos Antonio C. Júnior (2) e Rafael Lira Gomes (2) (1) Laboratório SENDES - Soluções em Energia e Design, Universidade Federal de Pernambuco Campus Caruaru, hscosta@ufpe.br (2) NAPER - Núcleo de Apoio a Projetos de Energias Renováveis Universidade Federal de Pernambuco, naper@ufpe.br Resumo: A Prefeitura do Recife, em parceria com a Universidade Federal de Pernambuco, assinou no final de 2007, convênio de cooperação intitulado Recife: Cidade Solar, objetivando promover o uso de tecnologias energéticas renováveis, em particular a energia solar, no contexto do planejamento urbano de médio e longo prazo para o desenvolvimento sustentável. Uma das atividades do referido Convenio foi à implantação de protótipos com a finalidade de divulgação da tecnologia solar, de avaliação técnicaeconômica da instalação e de avaliação das soluções propostas para a montagem e integração dos módulos solares na edificação. Este trabalho descreve os aspectos técnicos referente à instalação e os testes preliminares realizados em um sistema de produção de energia elétrica solar conectada na rede elétrica, no Centro Público de Economia Popular e Solidária Maria Luzinete da Costa na Comunidade Caranguejo-Tabaiares, no bairro da Madalena, em Recife-PE. O sistema tem aproximadamente 1,2 kw de potência instalada e é composto de 11 módulos solares, ocupando uma área total de 10,4 m 2 ; além de um equipamento denominado inversor (DC/AC) que permite que a eletricidade solar produzida seja injetada na rede elétrica convencional. Nestes quatro meses de monitoramento verificou-se uma redução na conta de energia elétrica consumida neste Centro Comunitário.. Palavras-chave: geração distribuída, eletricidade solar, conexão a rede. Abstract: Recife City Hall, in partnership with the Federal University in Pernambuco, at the end of 2007, signed a Cooperation Agreement entitled Recife: Solar City, to promote the use of renewable energy technologies, particularly solar energy, in the context of urban planning for sustainable development in the medium and long term. One of the activities of the Convention was the creation of prototypes for the purpose of dissemination of solar technology, technical and economic assessment of facilities, and evaluation of solutions proposed for assembly and integration of solar modules in buildings. This paper describes the technical aspects relating to the installation and preliminary testing performed on a system of distributed generation of solar electricity connected to the power grid, mounted at the Public Center for Popular Economy and Solidarity Luzinete Maria da Costa in the Community Tabaiares Crab, district of Magdalena. The system has an installed capacity of approximately 1.2 kw and is composed of 11 solar modules, occupying a total area of 10.4 sq. m, in addition to an inverter DC/AC equipment which allows the solar electricity produced to be injected in the conventional power grid. Within four months of monitoring, there was a reduction on the cost of the electrical energy consumed in this Community Center. Keywords: solar electricity, distributed generation, connection to the power grid 1. INTRODUÇÃO Os sistemas fotovoltaicos podem ser divididos em sistemas ligados à rede e em sistemas autônomos. No último caso, o aproveitamento da energia solar precisa de ser ajustado à demanda energética. Uma vez que a energia produzida não corresponde (na maior parte das vezes) às necessidades energéticas de um consumidor, torna-se obrigatório considerar um sistema de armazenamento (baterias) e meios de apoio complementares de produção de energia (sistemas híbridos). No caso dos sistemas com ligação à rede, a rede pública de distribuição de eletricidade opera como um acumulador de energia elétrica. Nestes sistemas, a totalidade da energia produzida é injetada na rede de distribuição de energia elétrica. No caso da Alemanha (STRATEGIC RESEARCH AGENDA, 2007), há

2 previsões no sentido de que, no ano 2050, os sistemas fotovoltaicos possam ser responsáveis por uma fatia significativa da energia elétrica gerada (cerca de um terço). Com uma cobertura fotovoltaica, o telhado de um prédio se transforma numa usina de eletricidade. Em alguns países, incluindo Alemanha e Japão, os prédios dispõem hoje de medidores de via dupla vendendo eletricidade à concessionária local quando têm excesso e adquirindo-a quando há insuficiência. Prédios comerciais novos nos Estados Unidos, Alemanha e Suíça incorporaram materiais fotovoltaicos às suas fachadas para gerarem eletricidade. Pela aparência externa, nada indica que as vidraças e janelas sejam, na realidade, geradores elétricos. O local preferencial para a instalação fotovoltaica é o topo dos telhados das edificações. Montar ou integrar sistemas fotovoltaicos em diferentes tipos de prédios (apartamentos, escolas, centros comerciais,...), tem ocorrido cada vez mais. A utilização da tecnologia fotovoltaica está também a crescer de forma acentuada quando incorporada em diferentes formas de construção, como, por exemplo, nos painéis antiruído das auto-estradas. A energia fotovoltaica tem crescido rapidamente, impulsionado por diferentes mecanismos de suporte ao mercado, ainda que esse crescimento esteja abaixo do esperado. A conexão de painéis fotovoltaicos (FV) diretamente na rede elétrica é a tecnologia que mais cresce no mundo, com um aumento anual de 50% na capacidade instalada acumulada de 2006 e Atualmente se estima em 7,7 GigaWatts a potência instalada desta tecnologia. Isto se traduz em mais de 1,5 milhões de casas com painéis solares atuando como produtores independentes de energia elétrica (RENEWABLES 2007: GLOBAL STATUS REPORT). Nos próximos anos, a previsão é de que os sistemas fotovoltaicos sejam progressivamente instalados na Europa. A indústria fotovoltaica local poderá ter um papel chave na crescente implementação deste tipo de sistemas domésticos. Esta alternativa é hoje uma realidade técnica e econômica que se espalha pelo mundo e que na segunda metade da década de 90 iniciou suas primeiras experiências no Brasil, país de grande extensão territorial e população dispersa e elevado nível de radiação solar. No que concerne aos sistemas fotovoltaicos conectados a rede, se estima que de 1995 a 2008 foram instalados no país 33 sistemas (ZILLES, 2009), totalizando em torno de 100 kwp em potência instalada. Um sistema fotovoltaico com ligação à rede é composto, normalmente, pelos seguintes componentes, mostrados na figura Gerador fotovoltaico (vários módulos fotovoltaicos dispostos em série e em paralelo, com estruturas de suporte e de montagem), 2. Caixa de junção (equipada com dispositivos de proteção e interruptor de corte principal DC), 3. Cabos AC-DC, 4. Inversor, 5. Mecanismo de proteção e instrumentação de medida. FIGURA 1 Esquema de um sistema fotovoltaico conectado à rede. A utilização da eletricidade solar no Estado de Pernambuco ocorre desde 1994, onde as primeiras instalações de sistemas autônomos foram em domicílios rurais, no município de Mirandiba. De lá para cá, algumas centenas de sistemas de bombeamento de água também foram instalados em áreas rurais. Além de uma quinzena de cercas elétricas instaladas e acionadas com eletricidade solar, e também escolas

3 rurais foram eletrificadas. Em 2006 o primeiro sistema solar fotovoltaico foi implementado na área urbana, na Escola do Legislativo da Assembléia Legislativa Estadual, pela Universidade Federal de Pernambuco/Núcleo de Apoio a Projetos.de Energias Renováveis (COSTA, 2006). Em 2007, a Prefeitura do Recife, em parceria com a UFPE e a ONG Naper Solar, implementou o projeto Recife: Cidade Solar. O trabalho aqui apresentado constitui em uma das atividades deste Convênio, que permitiu a instalação de um gerador elétrico solar para atender os computadores do Infocentro existente no Centro Público de Economia Popular e Solidária da Comunidade de Caranguejos e Tabaiares no bairro da Madalena no Recife. É descrito e apresentado o desempenho técnico e econômico do sistema fotovoltaico de 1,2 kw de potência, conectado diretamente na rede elétrica, nos primeiros quatro meses de funcionamento. 2. DESCRIÇÃO DA INSTALAÇÃO 2.1. Do local e estrutura A escolha do local se deu com base nas características necessárias para a instalação de um sistema fotovoltaico, pois a fachada do edifício é voltada (figura 2), com um pequeno desvio, para o norte geográfico, e não possui obstáculos para a incidência da radiação solar. Além disso, como a fachada é voltada para uma rua, há a vantagem de mostrar e divulgar a instalação. Houve a preocupação de se integrar a estrutura de suporte e os módulos solares a arquitetura da construção. Adotou-se na escolha dos materiais e no design da instalação o critério de custo mínimo. FIGURA 2 - Vista frontal da edificação. O material escolhido para a estrutura de suporte foi o alumínio, exceto pelas vigas de sustentação na cobertura da casa, pois como a instalação está exposta diretamente às diferentes condições meteorológicas, é necessário um material que não sofra corrosão com a ação da chuva e do Sol. Assim, a estrutura que agrupa os módulos é em alumínio, de perfis em U de 1 x 2, e de perfis em L de 1½ x 2½. Já a sustentação da estrutura que suporta os módulos (figura 3) é obtida com a ajuda de perfis em U de ferro galvanizado com dimensões de 4 x 1½, e que estão fixados na alvenaria das paredes laterais da construção, garantindo assim sua estabilidade (figura 4). FIGURA 3 - Detalhes da fixação das estruturas dos módulos nas cantoneiras de ferro.

4 2.2. Dos módulos solares O módulo escolhido foi o modelo PV 110 E do fabricante Golden Genesis Company (figura 5), que utiliza silício monocristalino em suas células, e possui uma potência nominal de 110 Wp. FIGURA 4 - Fotografia da estrutura dos módulos solares. As principais características elétricas e físicas desse modelo de módulo são apresentadas na tabela 1. TABELA 1 - Dados elétricos e físicos dos módulos PV 110 E. Características nas condições de referência Módulo - PV 110 E Potência máxima (Pmax) 110 Wp Tensão de máxima potência (Vmp) 16,7 V Corrente de máxima potência (Imp) 6,6 A Corrente de curto circuito 7,5 A Tensão de circuito aberto 20,7 V Largura 660 mm Comprimento 1475 mm Área 0,97 m² Temperatura nominal de operação da célula (NOCT) 46 0 C.Fonte: Catálogo do fabricante. FIGURA 5 - Fotografia do módulo PV110 E.

5 2.3. Do inversor Com a instalação de 11 módulos, a potência nominal instalada é de 1,2 kwp, assim o inversor selecionado tem uma potência nominal semelhante. Neste caso a relação potência nominal do inversor e a potência nominal dos módulos ligados a ele é de aproximadamente 1. Logo, nesse caso, não foi feito um subdimensionamento do inversor, como ocorre em regiões de baixa irradiação solar em que essa relação é de aproximadamente 0,7. O inversor escolhido foi o modelo Sunnyboy (SB)1100 da fabricante SMA (figura 6). Esse modelo de inversor possui índice de proteção que evita situações perigosas para o pessoal que faz à manutenção da rede de distribuição. Adota mecanismos que desconecta automaticamente da rede o sistema gerador quando alguma fase do inversor sair da margem de operação definida. É um inversor sincronizado com a rede, ou seja, toma com referencia para a geração dos impulsos de comutação de seus dispositivos semicondutores a própria freqüência da rede, dessa forma quando a linha é desligada o inversor desconecta-se. As principais características elétricas e físicas desse modelo de inversor são apresentadas na tabela 2. TABELA 2 - Dados elétricos e físicos dos inversores SB1100. Dimensão (mm) 434 x 295 x 214 Peso (kg) 22 Potência Nominal a 20º C (VA) 1210 Tensão de Entrada (V CC ) Forma de onda Senoidal Pura Tensão nominal de saída (V) 230 Freqüência nominal de saída 60 Hz Distorção harmônica média < 4% Rendimento máximo 93% Consumo noturno (W) 0,1 Fonte: Catálogo da fabricante SMA Das ligações elétricas e condutores FIGURA 6 - Fotografia do inversor SunnyBoy. Com a definição da disposição dos módulos fotovoltaicos na estrutura, foi estudada a melhor forma de conexão entre os módulos, segundo a NBR 5410 (ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, 2004). A configuração das conexões elétricas escolhidas consta de um arranjo com 11 módulos, todos ligados em série (figura 7).

6 Os condutores utilizados para a ligação dos módulos, em série, foram do tipo cabo flexível de seção nominal de 6 mm² homologados. Esses cabos foram fixados nos próprios módulos e nos perfis do sistema de sustentação por meio de braçadeiras de PVC.(figura 8). Área dos módulos (m 2 )= 10,7 - Potência nominal (kw)= 1,2 Corrente de trabalho (A)= 6,6 - Tensão de trabalho (V)= 183,7 FIGURA 7 - Interligações elétricas do gerador. Na ligação entre os arranjos de módulos fotovoltaicos e a entrada dos inversores, em corrente contínua, também foram empregados os mesmos tipos de cabos. FIGURA 8 - Detalhes das ligações elétricas entre os módulos Da proteção elétrica No caso de tensão superior a 48 V cc a instalação requer cuidados com relação à segurança. Uma atenção especial se deve dar as questões de isolamento e aterramento da instalação. A proteção utilizada entre os arranjos de módulos fotovoltaicos e o inversor foi um disjuntor bipolar de 20 A (figura 9). Essa proteção visa possibilitar a manutenção e/ou retirada do inversor em segurança, já que a corrente de curto-circuito é baixa. Já a proteção utilizada entre o inversor e a rede elétrica, trecho do circuito em corrente alternada, foi um disjuntor monopolar termomagnético que protege o circuito tanto contra sobrecargas quanto contra curtos-circuitos. Essa proteção também serve para se abrir o circuito, isolando a geração fotovoltaica do restante da instalação e possibilitando a manutenção na rede elétrica de distribuição em corrente alternada sem riscos para os operadores do sistema. O inversor sincronizado com a rede é um cuidado adicional, pois já possui proteção contra o ilhamento (MACEDO, 2007). A estrutura de suporte dos módulos foi interligada a um condutor de proteção e aterrada.

7 FIGURA 9 - Fotografia da caixa de conexão e disjuntores com o inversor Do gerador fotovoltaico A ligação elétrica do arranjo, 11 módulos ligados em série (figura 7), leva o gerador a fornecer uma potência nominal de 1.2 kw p e uma tensão, em seu ponto de máxima potência de 183,7 V cc, e uma corrente contínua de 6,6 A. Esses valores são obtidos nas condições padrão, ou seja, irradiância incidente de W/m² e a temperatura nas células de 25 C. A figura 10 mostra o diagrama unifilar da instalação. FIGURA 10 - Diagrama unifilar da instalação. Para que se tenha uma visão geral do sistema, a figura 11 mostra o sistema após sua completa instalação e em pleno funcionamento. 3. AVALIAÇÃO TÉCNICA E ECONÔMICA PRELIMINAR O sistema iniciou sua operação no dia 5 de dezembro/2008. Transcorridos 128 dias (13 de maio/2009), verifica-se uma produção média diária de 6,1 kwh. Se considerar a vida útil dos geradores fotovoltaicos (30 anos), pode-se estimar uma produção de energia neste período da ordem de 50 MWh. FIGURA 11 - Fotografia da instalação.

8 O preço dos equipamentos e materiais empregados na construção da estrutura de montagem e na instalação elétrica foi estimado em R$ ,00. Como verificado esta instalação apresenta os custos de investimento elevados, o que dificulta muito uma maior disseminação desta tecnologia. O que tem tornado a eletricidade solar cada vez atrativa em outras partes do mundo, são as estratégias empregadas de promoção, integrando aspectos que vão desde a divulgação da tecnologia, incentivos fiscais, leis obrigatórias de uso, mudanças de códigos de obra, financiamento, entre outras medidas. Na tabela 3 são apresentados informações sobre o consumo de energia elétrica do Centro Público da Comunidade Caranguejo-Tabaiares, fornecidos pelo extrato de conta da Companhia Energética de Pernambuco-CELPE para os anos de 2008 e TABELA 3 - Gastos com energia elétrica* em Caranguejo-Tabaiares. Consumo (kwh) Tarifa (R$) Preço (R$/kWh) Mes Janeiro ,97 79,87 0,503 0,479 Fevereiro ,66 98,06 0,503 0,471 Março ,13 125,77 0,500 0,477 Abril ,05 174,79 0,500 0,476 Maio , , Junho , , Julho , , Agosto , , Setembro , , Outubro , , Novembro , , Dezembro , , Média ,11 119,62 0,496 0,475 * Valores obtidos pelos autores consultando as contas mensais fornecidas pela CELPE. Verifica-se que nos primeiros quatro meses após a instalação do sistema o consumo de Janeiro a abril de 2009 foi de 884 kwh, enquanto no igual período de 2008 foi de kwh. A redução no consumo de 53% não pode ser explicada somente pela contribuição do sistema solar. Nos primeiros meses de 2009 houve uma sensível diminuição das atividades do Centro Comunitário, com a paralisação do Infocentro. Equipamentos como computadores, ar-condicionados e impressoras não funcionaram no período. O consumo devido à iluminação também diminuiu, pois não ocorreram atividades noturnas. No igual quadrimestre de análise verifica-se que em 2008 os gastos foram de R$ 973,81 em 2009 foram de R$ 478,49, representando uma redução nos gastos em energia elétrica de R$ 495,32 (51%). 4. COMENTÁRIOS FINAIS A utilização de um sistema fotovoltaico, em edificações, não deve acarretar em qualquer risco aos usuários. Cumprindo os requisitos de segurança e as normas técnicas vigentes com relação às instalações e a escolha dos equipamentos, as falhas possíveis no sistema são reduzidas drasticamente. Particularmente aquelas devido a descargas elétricas recebidas pelas pessoas e incêndios provocados por curto circuitos (OLIVEIRA, 1998). Nessa breve análise dos primeiros meses de funcionamento da instalação pôde ser constatada uma sensível redução nos gastos de energia elétrica, que pode ser atribuído não somente ao sistema solar instalado, mas também a redução das atividades do Centro no que concerne às atividades do Infocentro. A utilização da energia solar de uma forma direta, através de módulos fotovoltaicos, apresenta-se como uma forma de geração de energia limpa de baixo impacto ambiental, sem resíduos prejudiciais ao meio ambiente. A crescente demanda mundial de energia, o progressivo esgotamento das fontes convencionais não-renováveis e o problema ambiental, colocam a energia solar como alternativa promissora para geração de eletricidade. A conversão da energia solar diretamente em eletricidade, em um processo limpo,

9 silencioso e realizado no próprio local do consumo é uma solução bastante atrativa. Com este sistema o consumidor torna-se também um produtor de energia, dono e responsável pelo processo de geração. Consumidores que já contam com a energia elétrica convencional geram parte da própria energia que consomem. Em lugar de se gerar a eletricidade em grandes centrais e distribuí-la, ela é gerada no próprio local de uso, reduzindo-se os impactos ambientais das grandes instalações de geração e de transmissão. Os principais benefícios destas instalações podem ser resumidos na: redução do valor da conta de energia elétrica da concessionária; geração de energia limpa, renovável, sem agressão ao meio ambiente e geração de CO 2 ; elevada confiabilidade operacional; nível baixo de manutenção; possibilidade de integração com a arquitetura da edificação: e não utilização de baterias elétricas. Na presente instalação descrita, o acompanhamento do comportamento elétrico do sistema fotovoltaico conectados na rede de distribuição elétrica permite uma avaliação mais acurada desta tecnologia, possibilitando melhoria na confiabilidade de avaliação de seu desempenho. Espera-se que com a instalação de medidores o sistema descrito possa ser mais bem avaliado tecnicamente. BIBLIOGRAFIA STRATEGIC RESEARCH AGENDA For Photovoltaic Solar Energy Technology, The European Photovoltaic Technology Platform, RENEWABLES 2007: GLOBAL STATUS REPORT, preparado pela Renewable Energy Network for the 21 th Century - REN21 em colaboração com WorldWatch Institute, ZILLES, R. Comunicação pessoal, COSTA, H. S.; AGUIAR, R. O. Resultados preliminares do uso da energia solar fotovoltaica na Escola do Legislativo de Pernambuco, VI Congresso de Ensino Pesquisa e Extensão da Universidade Federal de Pernambuco, Recife, junho, ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 5410 (segunda versão): Informação e Documentação - Referências - Elaboração. Rio de Janeiro: ABNT, MACEDO, W. N.; ZILLES, R. Contribuição energética de um sistema fotovoltaico conectado a rede elétrica de baixa tensão. I Congresso Brasileiro de Energia Solar, Fortaleza, OLIVEIRA, H. F. S.; ZILLES, R. Pequenos geradores fotovoltaicos conectados a rede de distribuição de eletricidade. III Congresso Brasileiro de Planejamento Energético, São Paulo, 1998 AGRADECIMENTOS A Prefeitura do Recife pelo apoio financeiro para a realização deste trabalho.