Kamila Costa Mancilha

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1 Universidade Federal de Juiz de Fora Faculdade de Engenharia Curso de Engenharia Elétrica Programa de Formação de Recursos Humanos da Petrobras na área de Sistemas Elétricos Industriais Kamila Costa Mancilha APLICAÇÃO DE ENERGIA FOTOVOLTAICA PARA PRÉDIOS ADMINISTRATIVOS E ÁREAS INDUSTRIAIS Juiz de Fora 2013 Kamila Costa Mancilha

2 2 AGRADECIMENTOS Agradeço primeiramente a Deus por me guiar nessa trajetória de vida, colocando sempre pessoas importantes em meu caminho o que me ajuda a definir quem eu sou e as direções corretas que devo tomar para conquistar cada vez mais sucesso em minha vida profissional, como também, em minha vida pessoal. Aos meus pais, Adilson e Luiza Helena, que em meio a dificuldades sempre me apoiaram para que eu atingisse um objetivo maior na vida e me tornasse a pessoa que sou hoje. Aos amigos que sempre estiveram ao meu lado. Aos mestres que souberam transmitir seus conhecimentos, em especial o professor Abílio Variz, meu orientador, que soube me conduzir para a realização do projeto de forma amiga e honrada. Ao programa PRH-PB214 Programa de Formação de Recursos Humanos da Petrobras na área de Sistemas Elétricos Industriais ao qual fui bolsista durante 18 meses, que contribuiu de forma significativa para minha formação, e ao coordenador e professor Leandro Ramos de Araújo.

3 3 RESUMO O presente trabalho tem por objetivo abordar os principais conceitos e avaliar a viabilidade técnica e econômica para a aplicação de energia fotovoltaica em edificações administrativas e comerciais, como em áreas industriais. O sistema fotovoltaico apresenta diversas vantagens, sendo considerada uma energia limpa. O maior empecilho para a sua utilização em larga escala ainda é o seu custo de implantação, pela necessidade de uma tecnologia sofisticada. Entretanto, pesquisas apontam que o custo desta geração vem caindo cerca de 5 a 7% a cada ano. Para o estudo de viabilidade técnica e econômica de diversos casos, foram utilizadas ferramentas computacionais e metodologias para a obtenção de parâmetros como a quantidade de energia fotovoltaica fornecida pela instalação, custos de aquisição, evolução das tarifas de energia elétrica, entre outros. Dentre os casos simulados destacam-se, o estudo de instalação de placas fotovoltaicas em prédios comerciais e de indústria, utilizando-se de um sistema integrado à edificação e interligado a rede elétrica de distribuição de energia. A motivação para este trabalho é o fato da energia fotovoltaica estar ganhando espaço, por se tratar de uma fonte renovável de energia, frente a esta visão de desenvolvimento sustentável que nos cerca. O grande desafio encontra-se em tornar esta tecnologia viável, uma vez que seu alto custo de implantação dificulta sua utilização em larga escala. O objetivo então é deixar claro, por meio das análises econômicas, como o Brasil é carente em programas de incentivo que alavanque a utilização desta fonte de energia e como é de fundamental importância que este panorama seja modificado, uma vez que o país apresenta um potencial extremamente elevado. Palavras-chave: Sistema fotovoltaico. Conexão à rede de distribuição elétrica. Análise econômica. Relação custo-benefício.

4 4 LISTA DE FIGURAS Figura 1.1: Evolução da produção mundial de energia elétrica (EREC,2005) 12 Figura 1.2: Passos para a evolução da energia fotovoltaica (ASSUNÇÃO, 2010) 14 Figura 2.1: Sistema isolado (ABB, 2010) 17 Figura 2.2: Sistema interligado à rede elétrica (ABB, 2010) 18 Figura 3.1: Composição de um sistema fotovoltaico (CENTRAIS ELÉTRICAS) 19 Figura 3.2: Corte transversal de uma célula fotovoltaica mostrando o funcionamento do efeito fotovoltaico (BLUESOL EDUCACIONAL, 2011) 20 Figura 3.3: Efeito causado pela variação de intensidade luminosa da luz na curva característica i x v para um módulo fotovoltaico (CRESESB, 1999) 21 Figura 3.4: (a) Conexão de células em paralelo (b) Conexão de células e série (CRESESB, 1999) 22 Figura 3.5: Seção transversal de um módulo (ABB, 2010) 23 Figura 3.6: Processo de purificação do silício (ASSUNÇÃO, 2010) 25 Figura 3.7: Cadeia produtiva da energia solar fotovoltaica (ASSUNÇÃO, 2010) 25 Figura 3.8: Painel de células monocristalinas (ACRE, 2004) 26 Figura 3.9: Painel de células policristalinas (ACRE, 2004) 26 Figura 3.10: Painel de filmes fino (RÜTHER, 2004) 27 Figura 3.11: Esquema de um inversor (ABB, 2010) 28 Figura 3.12: Princípio da tecnologia PWM (ABB, 2010) 28 Figura 3.13: Curva de eficiência de um inversor de 650W (RÜTHER, 2004) 29 Figura 4.1: Circuito equivalente (ABB, 2010) 32 Figura 4.2: Característica corrente x tensão (CRESESB, 1999) 32 Figura 4.3: Curva característica potência x tensão (CRESESB, 1999) 33 Figura 4.4: Parâmetros de máxima potência (CRESESB, 1999) 33 Figura 4.5: Influência da temperatura na célula (SOLARTERRA, 2011) 34

5 5 Figura 4.6: (a) Gráfico para a obtenção do fator de espaçamento (b) Figura para o cálculo da distância (SOLARTERRA, 2011) 35 Figura 5.1: (a) Um inversor por planta (b) Um inversor por fileira (c) Vários inversores (ABB, 2010) 37 Figura 5.2: Diagrama de um sistema solar fotovoltaico interligado à rede de distribuição (RÜTHER, 2004) 38 Figura 5.3: (a) Sistema IT (b) Sistema TN (ABB, 2010) 40 Figura 5.4: Sistema sem o transformador (ABB, 2010) 40 Figura 6.1: Relação de custo de um watt fotovoltaico (EPIA, 2008) 43 Figura 7.1: Planta baixa do térreo 46 Figura 7.2: Planta baixa dos andares com os escritórios 47 Figura 7.3: Planta baixa dos anfiteatros 47 Figura 7.4: Curva de carga estipulada fora de escala 50 Figura 7.5: Curva de carga em escala 51 Figura 7.6: Curva de carga com os valores das demandas apontados em cada intervalo de hora 51 Figura 7.7: Energia consumida diariamente 52 Figura 7.8: Incidência da radiação solar (ELETRONICA) 54 Figura 7.9: Simulação do caso com a instalação de painéis monocristalinos no teto do edifício 58 Figura 7.10: Simulação do caso com a instalação de painéis policristalinos no teto do edifício 58 Figura 7.11: Simulação do caso com a instalação de painéis de silício amorfo no teto do edifício 59 Figura 7.12: Instalação de painéis de filmes finos na fachada do edifício (BRIGHT SOLAR) 61 Figura 7.13: Simulação do caso com a instalação de painéis de silício amorfo na fachada do edifício utilizando o inversor SMC 5000A 63 Figura 7.14: Simulação do caso com a instalação de painéis de silício amorfo na fachada do edifício utilizando o inversor SMC 4600A Figura 7.15: Simulação do caso com a instalação de painéis de silício amorfo na fachada do edifício utilizando o inversor SB

6 6 Figura 7.16: Comparação entre o Investimento na Fotovoltaica e a Aplicação do dinheiro 66 Figura 7.17: Fotografia tirada na fábrica fora do horário de funcionamento 68 Figura 7.18: Simulação do caso com a instalação de painéis monocristalinos na área industrial 72 Figura 7.19: Simulação do caso com a instalação de painéis policristalinos na área industrial 73 Figura 7.20: Simulação do caso com a instalação de painéis de silício amorfo na área industrial 73

7 7 LISTA DE TABELAS Tabela 4.1: Ângulos de inclinação segundo a latitude do local da instalação 35 Tabela 7.1: Área dos módulos utilizados nas simulações 54 Tabela 7.2: Especificação das simulações realizadas com a instalação dos módulos fotovoltaicos no teto do edifício 55 Tabela 7.3: Resultados da simulação para os casos com instalação de módulos fotovoltaicos no teto do edifício 56 Tabela 7.4: Resultados das análises econômicas paras os casos com instalação de módulos fotovoltaicos no teto do edifício 57 Tabela 7.5: Especificação das simulações realizadas com a instalação dos módulos fotovoltaicos na fachada do edifício 61 Tabela 7.6: Resultados da simulação para os casos com instalação de módulos fotovoltaicos na fachada do edifício 62 Tabela 7.7: Resultados das análises econômicas para os casos com instalação de módulos fotovoltaicos na fachada do edifício 62 Tabela 7.8: Resultado das análises em diferentes cidades do Brasil utilizando o mesmo sistema do Caso 2 (painéis policristalinos no teto do edifício) 65 Tabela 7.9: Média anual de Radiação Solar para as cidades simuladas acima 65 Tabela 7.10: Especificação das simulações realizadas com a instalação dos módulos fotovoltaicos na indústria 70 Tabela 7.11: Resultados da simulação para os casos com instalação de módulos fotovoltaicos na indústria 71 Tabela 7.12: Resultados das análises econômicas para os casos com instalação de módulos fotovoltaicos na indústria 71

8 8 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO BRASIL E A FOTOVOLTAICA SISTEMA FOTOVOLTAICO TIPOS DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS SISTEMAS ISOLADOS OU AUTÔNOMOS SISTEMAS HÍBRIDOS SISTEMAS INTERLIGADOS À REDE COMPONENTES DO SISTEMA FOTOVOLTAICO GERADOR FOTOVOLTAICO TIPOS DE PAINÉIS FOTOVOLTAICOS SILÍCIO MONOCRISTALINO SILÍCIO POLICRISTALINO SILÍCIO AMORFO TELURETO DE CÁDMIO INVERSOR CONTROLADORES (REGULADORES) DE CARGA BATERIAS (ACUMULADORES DE ENERGIA) TIPOS DE BATERIAS BATERIAS DE CHUMBO-ÁCIDO (BATERIAS ESTACIONÁRIAS) BATERIA NÍQUEL-CÁDMIO OU NÍQUEL METAL HIDRETO BATERIAS DE IÕES DE LÍTIO (LI-ION) OUTROS COMPONENTES ENERGIA PRODUZIDA INSTALAÇÃO DOS SISTEMAS FOTOVOLTAICOS ATERRAMENTO E PROTEÇÃO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS ANÁLISE ECONÔMICA DO INVESTIMENTO ESTUDOS REALIZADOS PRÉDIOS ADMINISTRATIVOS SIMULAÇÕES E ANÁLISES ECONÔMICAS INSTALAÇÃO DE PAINÉIS FOTOVOLTAICOS NA FACHADA DO EDIFÍCIO 60

9 INSTALAÇÃO DE PAINÉIS FOTOVOLTAICOS EM DIFERENTES REGIÕES INSTALAÇÃO DO SISTEMA FOTOVOLTAICO X APLICAÇÃO ÁREA INDUSTRIAL SIMULAÇÕES E ANÁLISES ECONÔMICAS CONCLUSÃO APÊNDICE A APÊNDICE B BIBLIOGRAFIA 82

10 10 1. INTRODUÇÃO Nos últimos anos, o atual modelo energético mundial vem sendo questionado, devido ao acelerado crescimento populacional e consequente aumento do consumo de energia. O termo Desenvolvimento Sustentável, atender às necessidades do presente sem prejudicar as necessidades de um futuro, tem incentivado a utilização das fontes de energia renováveis, consideradas limpas por não interferirem de forma danosa ao meio ambiente, diminuindo assim a atual degradação ambiental. Outra questão alvo de debates é a Eficiência Energética, cujo foco é a utilização da energia de forma racional, ou seja, de forma eficaz, sem comprometer o conforto do consumidor. Seu princípio baseia-se no melhor condicionamento do padrão de serviços e qualidade de vida, reduzindo os custos com o consumo de energia, o que é obtido através da redução dos desperdícios, pela implantação de mudanças comportamentais (melhorias na educação), ações corretivas e introdução de novas tecnologias. Os combustíveis fósseis por serem poluentes, pois emitem gases causadores do Efeito Estufa aquecimento global como o gás carbônico e por serem provenientes de fontes de natureza finita, tendem ao longo das próximas décadas a perderem espaço para as fontes renováveis de energia (SHAYANI, 2006). Tal mudança já encontra-se em andamento. A energia solar fotovoltaica é uma das formas de geração de energia elétrica que está conquistando espaço no mercado mundial frente a esta nova visão, uma vez que o Sol é a maior fonte de energia renovável existente. A implantação dessas fontes de forma distribuída apresenta inúmeras vantagens ao sistema (SHAYANI, 2006). A geração distribuída ocorre próximo ao local de consumo de energia, apresentando ganhos relativos à redução de perdas nas linhas de transmissão e distribuição, além da possibilidade de cogeração. A mentalidade capitalista da sociedade se curva à maximização de seus lucros, onde as gerações centralizadas em grandes usinas se tornam mais atrativas economicamente do que os sistemas distribuídos. A argumentação de que a configuração distribuída trará maiores benefícios sociais ainda é insuficiente para mudar a estrutura econômica do setor energético, porém esse panorama está evoluindo. Nos últimos anos, têm-se grandes estudos sobre a distribuição da energia em forma de redes inteligentes, as Smart Grid, mas poucas efetivadas de fato (SHAYANI, 2006). A partir do momento que a energia for obtida de forma

11 11 descentralizada, todas as regiões passarão a ter igual acesso à eletricidade, dessa forma áreas rurais se desenvolverão, aumentará a necessidade de mão de obra e elevará os níveis de educação e saúde nas áreas mais desprovidas, o que contribuirá para o desenvolvimento social das cidades. Realizando uma análise superficial entre o custo final da energia, as renováveis apresentam um preço mais elevado que a convencional centralizada (usinas hidrelétricas, térmicas) (SHAYANI, 2006). A simplicidade com que a energia fotovoltaica é gerada reduz os custos a serem contabilizados, pois não existe a necessidade de extração, refino e transporte, como ocorre com os combustíveis fósseis. Além de o processo ser mais simples, não emitir gases poluentes ao meio ambiente e nem ruídos, a sua manutenção é mínima. O custo de implantação da geração solar fotovoltaica pode chegar a 50 vezes o custo de uma PCH (pequena central hidrelétrica), por outro lado, considerando a energia gerada ao longo da vida útil do sistema solar, cerca de 30 anos, obtém-se o correspondente a 10 vezes o custo da energia entregue ao consumidor para sistemas isolados e essa relação cai para 3 vezes para a geração interligada à rede elétrica (SHAYANI, 2006). Com a valorização dos custos ambientais e sociais da geração centralizada e a constante redução dos custos dos sistemas solares, devido às inovações nos painéis fotovoltaicos, o sistema solar tende a se tornar economicamente competitivo no mercado mundial de energia elétrica em um curto prazo. Na Figura 1.1 é apresentada a Evolução da produção mundial de energia elétrica (EREC, 2005). Observe que por esta previsão a partir de 2020 ocorre uma explosão da energia solar fotovoltaica, fazendo desta uma das maiores geradoras de energia elétrica junto à hídrica, a eólica e a biomassa.

12 12 Figura Evolução da produção mundial de energia elétrica (EREC,2005). Um dos países pioneiros na utilização da energia solar fotovoltaica distribuída é a Alemanha (SHAYANI, 2006). Estes sistemas são interligados à rede elétrica convencional trabalhando em conjunto com esta, o que alivia o sistema de distribuição da concessionária local, de forma que se a energia solar for superior ao consumo, o excedente é injetado na rede pública, caso ocorra o contrário, a geração solar for inferior à demanda, o sistema é suprido pela rede interligada. O país apresenta uma política onde o consumidor pode vender o excedente de energia gerada às concessionárias, por meio de uma tarifa prêmio. Estes sistemas interligados à rede dispensam o uso de acumuladores de energia, banco de baterias, reduzindo o custo da instalação em cerca de 30%, tornando o sistema fotovoltaico mais atraente. A possibilidade de colocar os painéis nos telhados das construções não torna necessária a utilização de mais espaço físico, o que facilita sua implantação nos centros urbanos. O que dificulta sua utilização ainda são os altos custos para a implementação deste sistema, sua geração ser descontínua, pois apresenta interrupções durante os períodos noturnos ou sombreamentos, além da radiação solar ao longo do dia ser variável.

13 Brasil e a Fotovoltaica O Brasil é um país rico em recursos naturais e possui recursos humanos disponíveis para atuar na geração de energia solar fotovoltaica (ASSUNÇÃO, 2010). Ainda se encontram em definição as políticas públicas para o incentivo ou regulamentação que promovam a inserção dessa fonte de energia nas redes concessionárias, tendo como base, que a conexão do sistema fotovoltaico à rede de distribuição é compreendida como uma fonte complementar de energia, uma vez que se trata de uma fonte intermitente. A primeira iniciativa que incorporou o uso da energia solar fotovoltaica no Brasil foi o Programa de Desenvolvimento Energético de Estados e Municípios PRODEEM (GALDINO & LIMA, 2002), programa que visou à eletrificação rural por meio de sistemas fotovoltaicos, sendo estabelecido em 1994 pelo governo brasileiro (VARELLA, 2008). As regiões que apresentaram o maior número de instalações deste programa foram as Regiões Norte e Nordeste. O maior obstáculo para a utilização desta energia em grande escala é o seu elevado custo atual. Entretanto, pesquisas apontam que para o ano de 2050, 50% da geração de energia no mundo virão de fontes renováveis, sendo 25% dessa energia oriunda da solar fotovoltaica (ASSUNÇÃO, 2010). Com isso, o Brasil tende a aumentar a participação da energia solar fotovoltaica em sua matriz energética nacional, seguida também, da energia eólica. Para a evolução desta tecnologia no país são apresentadas quatro propostas pela CGEE Centro de Gestão e Estudos Estratégicos (ASSUNÇÃO, 2010), conforme ilustrado na Figura 1.2:

14 14 Figura 1.2 Passos para a evolução da energia fotovoltaica (ASSUNÇÃO, 2010). 1) Incentivo a pesquisa e a inovação tecnológica: buscar a redução dos custos de produção das células e módulos fotovoltaicos através de uma cadeia produtiva, para aumentar a competitividade em energia solar fotovoltaica, assim como buscar melhorias na eficiência destes. Modernizar laboratórios de pesquisa, desenvolver recursos humanos para inovar e formar mão de obra de grau técnico, para instalar, operar e manter os sistemas fotovoltaicos, estudar a matéria-prima; 2) Criação de mercado consumidor: criação de empregos estimulando a economia local, regulamentar a conexão de sistemas fotovoltaicos à rede elétrica, divulgar a energia solar para a sociedade, incentivar a geração distribuída conectada à rede elétrica (adotar a tarifa-prêmio), estimular a criação de empresas de serviços de instalação e manutenção; 3) Estabelecimento de indústrias de células solares e de módulos fotovoltaicos: recursos qualificados para produção destes estão sendo formados a partir das plantas piloto (exemplo na PUC-RS), estimular o estabelecimento de indústrias de células e módulos fotovoltaicos, como também, os demais equipamentos necessários para o sistema fotovoltaico; 4) Estabelecimento de indústrias de silício grau solar e grau eletrônico: o Brasil possui uma das maiores reservas de quartzo para produção de silício grau solar e grau eletrônico (aproximadamente 90% dos painéis fotovoltaicos produzidos utilizam silício).

15 15 2. SISTEMA FOTOVOLTAICO A geração de energia em sistemas fotovoltaicos se dá pela transformação direta e instantânea de energia solar em energia elétrica sem a utilização de combustíveis, por meio do Efeito Fotovoltaico. Apresenta várias vantagens que são citadas a seguir: A geração é distribuída, reduzindo as perdas com transmissão e distribuição; É considerada uma energia limpa. Apenas na construção de painéis que utilizam materiais perigosos que consomem grande quantidade de energia, há a liberação de poluentes. Entretanto, em cerca de 3 anos os painéis conseguem devolver essa energia, e em comparação a uma térmica convencional, emitem cerca de 20% a menos de para produzir a mesma quantidade de energia (PORTAL ENERGIA, 2009); Não necessita de combustíveis fosseis; Apresentam vida útil em torno de 25 anos; É um sistema de fácil modulação (ABB, 2010); Apresenta alta confiabilidade, não possui peças móveis (ASSUNÇÃO, 2010); Fácil portabilidade e adaptabilidade dos módulos, permitindo montagens simples e adaptáveis a várias necessidades energéticas; Os sistemas podem ser dimensionados para aplicações de alguns miliwatts ou de kilowatts, pois a potência instalada pode ser alterada pela incorporação de módulos adicionais; O custo de operação é reduzido e a manutenção é quase inexistente; É silenciosa e não perturba o ambiente; Os módulos são resistentes a condições climáticas extremas como granizo, vento, temperatura e umidade. Em contra partida tem-se: Custo inicial de investimento é elevado, pois a fabricação dos módulos fotovoltaicos necessita de uma tecnologia muito sofisticada;

16 16 A geração de potência é irregular devido à variação da fonte de energia, o Sol. A potência gerada depende da radiação solar incidente no local da instalação, da inclinação e orientação dos painéis, da presença ou não de sombreamento e de seus componentes. O rendimento real de conversão de um módulo é reduzido se comparado ao custo do investimento; Quando o sistema é isolado, é necessário um banco de baterias para o armazenamento de energia, o que eleva ainda mais o custo do sistema fotovoltaico; O sistema fotovoltaico não substitui economicamente a energia convencional se esta estiver disponível a menos de aproximadamente 3 Km do local (ASSUNÇÃO, 2010); O descarte dos painéis fotovoltaicos ainda apresenta algumas incertezas. A preocupação encontra-se no descarte dos metais raros, como o cádmio, existente em muitos painéis. O acúmulo destes pode vir a se tornar um sério problema ambiental. Algumas empresas ligadas à energia solar possuem programas de reciclagem dos painéis. Os sistemas fotovoltaicos podem ser interligados à rede elétrica de baixa e média tensão, mas sua maior aplicação no Brasil, atualmente, encontra-se nos sistemas com instalação isolados da rede de distribuição elétrica, geralmente em regiões rurais (VARELLA, 2008). Além da eletrificação rural, são muito utilizados para iluminação exterior, sinalização e outros. 2.1 Tipos de sistemas fotovoltaicos Sistemas isolados ou autônomos São sistemas off grid, que devem possuir um sistema de armazenamento de energia e caso haja a necessidade de corrente alternada deve-se fazer uso de um inversor. São sistemas puramente fotovoltaicos que se tornam vantajosos, de forma técnica e financeira, em pontos isolados do sistema elétrico tradicional, como áreas rurais afastadas. Para a instalação de tal sistema é necessário que o local possua condições climáticas extremamente favoráveis, ou seja, radiação solar elevada, poucas

17 17 nuvens para evitar sombreamentos entre outros. As aplicações mais comuns são: equipamentos de bombeamento de água, rádios de observação do tempo, sistemas de luzes em estradas, portos e aeroportos, abastecimento de campos, anúncios, lugares de alta altitude. A Figura 2.1 exemplifica um sistema isolado. Figura Sistema isolado (ABB, 2010) Sistemas híbridos Os sistemas híbridos utilizam da combinação do sistema fotovoltaico com outras fontes de energia que atendem a carga na ausência da energia solar, como por exemplo, os geradores eólicos, a diesel e a gasolina. São utilizados em sistemas de médio a grande porte Sistemas interligados à rede Os sistemas on grid são ligados diretamente à rede elétrica de distribuição de energia. O sistema fotovoltaico opera de forma conjunta com a rede, sendo que, quando o gerador fotovoltaico não consegue produzir a energia necessária, a rede supre a carga, caso contrário, se o sistema fotovoltaico produzir energia excedente este é injetada na rede, não necessitando de acumuladores. A grande vantagem é a geração ser distribuída, ou seja, sua energia é produzida nas áreas de consumo não apresentando perdas com transmissão (ABB, 2010). Além disso, o fato de dispensarem as baterias reduz seu custo de instalação em cerca de 30% (SOLARTERRA, 2011).

18 18 A rede elétrica de distribuição pública aceita certo limite de potência intermitente, para não causar problemas relacionados à estabilidade do sistema, que depende da configuração da rede e do grau de conexão com esta. A Figura 2.2 apresenta o esquema de ligação simplificado de um sistema interligado à rede elétrica. Figura Sistema interligado à rede elétrica (ABB, 2010).

19 19 3. COMPONENTES DO SISTEMA FOTOVOLTAICO Uma planta fotovoltaica é constituída por um gerador, um suporte para os painéis, um sistema de controle de potência para evitar um sobrecarregamento do sistema, um sistema de armazenamento de energia (baterias), chaves, equipamentos de proteção, cabos, inversores de corrente com potência adequada e outros. A Figura 3.1 esquematiza um sistema fotovoltaico com seus componentes. Figura Composição de um sistema fotovoltaico (CENTRAIS ELÉTRICAS). 3.1 Gerador fotovoltaico O gerador fotovoltaico é o componente elementar do sistema, onde de fato ocorre a conversão da radiação solar em corrente elétrica (ABB, 2010). A célula é constituída por uma fina camada semicondutora (material com características intermediárias entre um condutor e um isolante), geralmente de silício, com uma espessura de 0,3 mm e uma área de 100 a 225 cm². O silício puro não possui elétrons livres de forma que não é um bom condutor, logo para que este possa ser utilizado deve-se adicionar porcentagens de outros elementos em sua composição, processo denominado de dopagem. O silício é tetravalente, dopado com átomos trivalentes, como por exemplo, o boro, forma a camada P (excesso de cavidades) e dopado com átomos pentavalentes, como por

20 20 exemplo, o fósforo, forma a camada N (excesso de elétrons). A área de contato entre as camadas forma a junção P-N, os elétrons tendem a se mover da região rica em elétrons para a pobre (da camada N para a camada P), acumulando cargas negativas na região P e cargas positivas na região N. Então ocorre a Criação de um campo elétrico que é oposto às cargas elétricas. Ao incidir luz solar na célula, os fótons chocam-se com os elétrons dando-lhes energia e transformando-os em condutores. Aplicando uma tensão entre as camadas permite-se que haja circulação de corrente em uma única direção, atuando como um diodo funcional. A célula exposta à luz faz com que a corrente flua da região N para a região P. A Figura 3.2 apresenta uma célula fotovoltaica e o funcionamento do efeito fotovoltaico em seu interior. Figura Corte transversal de uma célula fotovoltaica mostrando o funcionamento do efeito fotovoltaico (BLUESOL EDUCACIONAL, 2011). Quanto maior a superfície maior é a geração da corrente, pois a intensidade da corrente gerada variará proporcionalmente conforme a intensidade da luz incidente na placa. Esta característica pode ser observada na Figura 3.3. Em condições normais de operação, ou seja, 1 kw/m² de irradiância na temperatura de 25 C, a célula fotovoltaica gera uma corrente de aproximadamente 3 A com uma tensão de 0,5V e um pico de potência de 1,5 a 1,7Wp (ABB, 2010).

21 21 Figura Efeito causado pela variação de intensidade luminosa da luz na curva característica i x v para um módulo fotovoltaico (CRESESB, 1999). Como dito anteriormente, uma célula fotovoltaica individual, produz apenas uma reduzida potência elétrica, o que tipicamente varia entre 1 e 3 W, com uma tensão menor que 1 Volt. Para disponibilizar potências mais elevadas, as células são utilizadas de forma integrada, formando um módulo ou painel. Quanto maior for o módulo, maior será a potência e/ou a corrente disponível. As ligações em série de várias células aumentam a tensão terminal, enquanto que ligações em paralelo permitem aumentar a corrente elétrica circulante (ASSUNÇÃO, 2010). Estas ligações podem ser observadas na Figura 3.4. A maioria dos módulos comercializados atualmente (mais comum) é composta por 36 células de silício cristalino, dispostas em 4 fileiras paralelas conectadas em série, com área variando de 0,5 a 1 m², e utilizadas para aplicações de 12 V. O número máximo de painéis que podem ser conectados em série depende da largura de operação do inversor e da disponibilidade de desconectar e proteger os dispositivos de forma satisfatória a alcançar a tensão desejada.

22 22 Figura (a) Conexão de células em paralelo, (b) Conexão de células e série. (CRESESB, 1999). As células não são exatamente iguais isso faz com que parte da potência gerada seja perdida dentro do próprio módulo, sendo o chamado Mismatch losses (RÜTHER, 2004). Essas desigualdades são determinadas pela diferença de irradiância solar, pelos sombreamentos e por deterioramento dos módulos. A maioria das células solares são conectadas em série, uma pequena sombra sobre uma destas células, pode reduzir o rendimento do sistema como um todo, pois a célula sobre a qual incidir a menor quantidade de radiação é que irá determinar a corrente, e consequentemente, a potência gerada de todo o conjunto a ela conectado. Uma célula quando sombreada pode vir até a atuar como uma carga, levando ao aquecimento do módulo podendo motivar à sua destruição. Podem-se colocar diodos by-pass entre as fileiras dos módulos para evitar a circulação de corrente reversa no mesmo, o que por outro lado leva a uma perda de rendimento, podendo também comprometer a relação custobenefício do empreendimento. As células possuem um encapsulamento que as protege contra agentes atmosféricos e estresses mecânicos, sendo resistentes aos raios ultravioletas e às mudanças inesperadas de temperatura, além de isolar eletricamente as células. Este encapsulamento é da seguinte forma, como mostra a Figura 3.5: uma folha transparente protetora que fica exposta à luz geralmente de vidro, um material para evitar o contato direto entre o vidro e a célula, geralmente de EVA, um suporte geralmente de vidro, metal ou plástico e finalmente um molde de metal geralmente de alumínio.

23 23 Figura Seção transversal de um módulo (ABB, 2010). O processo de fabricação dos módulos fotovoltaicos se dá através das seguintes etapas (SOLARTERRA, 2011): Ensaio elétrico e classificação das células; Interconexão elétrica das células; Montagem do conjunto; Laminação do módulo; Curagem: o laminado processa-se num forno onde se completa a polimerização do plástico encapsulante e alcança-se a adesão perfeita dos diferentes componentes; Emolduração: as molduras de poliuretano são colocadas por meio de máquinas de injeção; Colocação de terminais, bornes, diodos e caixas de conexões; Ensaio final. Durante os ensaios dos módulos são verificados suas características elétricas operacionais, seu isolamento elétrico, os defeitos de acabamento, as resistência ao impacto e à tração das conexões, comportamento em temperaturas elevadas e sua estabilidade às mudanças térmicas (SOLARTERRA, 2011).

24 Tipos de painéis fotovoltaicos Várias tecnologias são utilizadas para a fabricação dos módulos fotovoltaicos, como: Silício monocristalino; Silício policristalino; Silício amorfo; Disseleneto de Cobre, Índio e Gálio (CIGS); Telureto de Cádmio (CdTe) ; Semicondutores Orgânicos. Os módulos mais utilizados atualmente são os de silício (ASSUNÇÃO, 2010). O Brasil possui grandes jazidas de quartzo de qualidade, além do conhecimento para extrair esse mineral e o transformar em silício grau metalúrgico, considerado matériaprima ainda bruta para a produção de painéis fotovoltaicos. O processo de purificação transforma-o tanto em silício grau solar quanto em silício grau eletrônico. O silício grau solar, dependendo de seu grau de purificação, pode ser utilizado como matéria-prima para a indústria fotovoltaica e para a produção de semicondutores (chips de computadores). O processo de purificação de silício utilizado mundialmente é o conhecido por rota química, obtendo silício de grau eletrônico. No Brasil existem pesquisas para se utilizar o processo denominado rota metalúrgica, que produz silício grau solar com menor gasto de energia e menor impacto ambiental, uma vez que o Brasil já possui indústrias de silício grau metalúrgico, podendo se tornar um dos líderes mundiais de produção de silício de grau solar. A Figura 3.6 apresenta o processo de purificação do silício.

25 25 Figura Processo de purificação do silício (ASSUNÇÃO, 2010). A produção nacional de módulos fotovoltaicos levará a uma redução de custo, abrangendo sua utilização por todo o país, como mostra a Figura 3.7. Figura Cadeia produtiva da energia solar fotovoltaica (ASSUNÇÃO, 2010) Silício monocristalino (m-si) Representa a primeira geração de módulos fotovoltaicos, com um rendimento (eficiência) relativamente elevado, cerca de 14 a 17%, porém com técnicas complexas e caras para a sua produção. Utiliza silício de alta pureza (Si = 99,99% a 99,9999%) fundido para banhar o monocristal, como envolve elevadas temperaturas (1400 C), torna necessária uma grande quantidade de energia no seu processo de fabricação (RÜTHER, 2004). A Figura 3.8 exibe uma célula monocristalina.

26 26 Figura Painel de células monocristalinas (ACRE, 2004) Silício policristalino (p-si) O silício policristalino, exemplo Figura 3.9, apresenta diferentes formas e direções na sua reflexão, sua eficiência é menor se comparada ao silício monocristalino, cerca de 12 a 14%, mas seu custo também é reduzido, pois necessitam de menos energia no seu processo de fabricação. A redução de rendimento se dá pela imperfeição do cristal. Durante o processo de fundição e solidificação aparecem blocos com grande quantidade de grãos ou cristais, onde se concentram os defeitos que tornam este material menos eficiente do que o m-si. Nos últimos anos este tipo de tecnologia vem ganhando espaço no mercado mundial, sendo mais utilizado hoje que o silício monocristalino (RÜTHER, 2004). Figura Painel de células policristalinas (ACRE, 2004).

27 Silício amorfo (a-si) A tecnologia de painéis de filmes finos (Figura 3.10) baseia-se na deposição de materiais semicondutores em suportes de vidro, polímeros, alumínio, aço, economizando material e possibilitando flexibilidade á célula. O silício amorfo apresenta um reduzido custo, mas em contra partida sua eficiência também é reduzida, ficando em torno de 8 a 10%, ou seja, muito baixa comparada as tecnologias apresentadas anteriormente. Pode ser borrifado em camadas de plástico ou material flexível, podendo adaptá-lo a superfícies curvas. Apresentam alto grau de desordem na estrutura dos átomos. Uma vantagem do painel de a-si é que este não reduz sua potência gerada com o aumento da temperatura de operação, sendo de ótima aplicação em países de climas quentes como o Brasil (RÜTHER, 2004). Figura Painel de filmes fino (RÜTHER, 2004) Telureto de Cádmio (CdTe) Seu mercado ainda é limitado, se comparado ao silício cristalino apresenta uma eficiência menor, em torno de 10 a 11%. Sua produção em larga escala envolve problemas ambientais por apresentar elementos altamente tóxicos em sua composição. O mesmo ocorre com o Disseleneto de Cobre, Índio e Gálio (CIGS), pois além de apresentar elementos tóxicos (Cd, Se, Te), alguns também são raros (Te, Se, Ga, In, Cd) o que torna um obstáculo à expansão dessa tecnologia.

28 Inversor O inversor é o responsável pela conversão entre a corrente contínua e corrente alternada, além de controlar a qualidade da potência de saída, possibilitando a conexão do sistema com a rede elétrica pública. Possui um filtro formado por capacitores e indutores e um transistor que controla a abertura e o fechamento de cada sinal, quebrando a corrente contínua em pulsos, obtendo assim na saída, uma forma de onda quadrada através da tecnologia PWM (modulação da largura de pulso) permitindo a regulação da frequência e o valor rms da saída, como mostram as Figuras 3.11 e Figura Esquema de um inversor (ABB, 2010). Figura 3.12 Princípio da tecnologia PWM (ABB, 2010). As deformações devido às comutações podem produzir perturbações nas células, as distorções harmônicas. A potência entregue pelo gerador depende do ponto de operação, por isso utiliza-se um MPPT (Maximum Power Point Tracker) que calcula os pares de tensão corrente que produzem a máxima potência. Um diferencial de 1% na eficiência do inversor pode resultar 10% a mais em energia gerada ao longo de um ano (RÜTHER, 2004), como mostra a Figura 3.13 abaixo.

29 29 Figura Curva de eficiência de um inversor de 650W (RÜTHER, 2004). 3.3 Controladores (reguladores) de carga O controlador monitora constantemente a tensão dos acumuladores. Se a tensão alcança um valor para o qual se considera que a bateria esteja carregada, o controlador interrompe o processo de carga, através da abertura do circuito entre os módulos fotovoltaicos e a bateria (controlo tipo série) ou curto-circuitando a saída dos módulos fotovoltaicos (controle tipo shunt paralelo). Quando o consumo faz com que a bateria comece a descarregar, diminuir sua tensão, o controlador reconecta o gerador à bateria e recomeça o ciclo, evitando uma descarga profunda, o que aumenta a vida útil da mesma. Um controlador de carga deve possuir em média uma vida útil de 10 anos, possuir chaveamento eletrônico, proteção contra inversão de polaridade e deve compensar as variações de temperatura existentes (BRAGA, 2008). 3.4 Baterias (acumuladores de energia) As baterias acumulam a energia que se produz durante as horas de luminosidade para poder utilizar esta durante a noite ou períodos prolongados que impedem a geração de energia. Estabiliza a corrente e a tensão na hora de alimentar

30 30 cargas elétricas, suprindo transitórios que possam ocorrer na geração. Também são responsáveis por fornecer uma intensidade de corrente superior àquela que o dispositivo fotovoltaico pode entregar em casos especiais, como por exemplo, no arranque de um motor que exige cerca de 4 a 6 vezes sua corrente nominal. As baterias para terem um bom desempenho nos sistemas fotovoltaicos devem possuir elevada vida cíclica para descargas profundas, pouca manutenção, alta eficiência de carregamento, boa confiabilidade e mínima mudança de desempenho quando operar fora da faixa de temperatura recomendada Tipos de baterias Baterias de chumbo-ácido (baterias estacionárias) A matéria ativa dessas baterias é o chumbo e o eletrólito uma solução aquosa de ácido sulfúrico, a unidade de construção básica é a célula de 2 Volts em média (tensão nominal). Quando ligadas em paralelo devem possuir mesma tensão e capacidade. São as mais utilizadas devido sua variedade de tamanhos, baixo custo e grande disponibilidade no mercado (BRAGA, 2008). A capacidade de armazenamento de uma bateria esta ligada a sua velocidade de descarga, sendo que quanto maior o tempo de descarga maior será a quantidade de energia que a bateria fornece. Para as baterias de chumbo-ácido o tempo de descarga típico é de 100 horas, por exemplo, para as baterias DF1000 com esse tempo de descarga, a capacidade é de 70 Ah (ampér-hora) (FREEDOM, 2008) Bateria Níquel-Cádmio (NiCd) ou Níquel Metal Hidreto (NiMH) Essas baterias utilizam hidróxido de níquel para as placas positivas e óxido de cádmio para as placas negativas, o eletrólito utilizado é alcalino (hidróxido de potássio). Elas admitem descargas profundas (de até 90% da capacidade nominal), apresentam baixo coeficiente de autodescarga, alto rendimento de absorção de carga (superior a

31 31 80%), custo elevado em comparação com as baterias ácidas longo tempo de vida e pequena manutenção Baterias de iões de lítio (Li-ion) Estas baterias são constituídas basicamente por um cátodo de lítio, um ânodo de carbono poroso e um eletrólito composto por sais de lítio em um solvente orgânico. São as que apresentam maior longevidade e resistência aos ciclos de carga e descarga, sendo também as mais caras, devido à tecnologia e materiais utilizados. Apresentam baixa eficiência, são leves e possuem uma vida útil elevada. 3.5 Outros componentes Além dos componentes listados anteriormente, existem outros também importantes para a operação de um sistema fotovoltaico, dos quais se destacam: As chaves são utilizadas para romper o fluxo de corrente em casos de emergência ou para se realizar uma manutenção. Os fusíveis e os disjuntores protegem os equipamentos contra sobrecorrentes provocadas por curtos circuitos. Os cabos utilizados nestes sistemas são normalmente resistentes à radiação ultravioleta e têm duplo isolamento, devendo suportar as temperaturas elevadas que são atingidas assim como as condições severas do meio ambiente, como precipitações atmosféricas. Em condições de corrente contínua a planta não deve exceder 50% da tensão dos cabos, e em corrente alternada a tensão na planta não deve exceder a taxa de tensão dos cabos. Lembrando que em corrente contínua a tensão é maior, logo a isolação deve ser reforçada em dobro para minimizar os riscos provocados por faltas e curtos circuitos. A área da seção transversal de um cabo é definida pela capacidade de carregar corrente sendo que esta não deve ser menor que a corrente projetada. Deve-se lembrar que esses dispositivos devem operar em corrente contínua.

32 32 4. ENERGIA PRODUZIDA A célula fotovoltaica pode ser vista como uma fonte de corrente, com uma resistência interna (Rs) e uma condutância (Gi), podendo ser representada pelo circuito equivalente apresentado na Figura 4.1. Figura Circuito equivalente (ABB, 2010). A eficiência da célula é afetada por uma pequena variação de Rs, uma vez que esta encontra-se em série com a tensão a ser medida. Ao passo que é pouco afetada por uma variação de Gi, por estar em paralelo, sendo que a parcela de corrente referente à condutância é desprezada para a realização dos cálculos (ABB, 2010). A curva característica tensão x corrente mostrada abaixo (Figura 4.2) comprova a consideração feita de que a célula apresenta o funcionamento de uma fonte de corrente constante. Pode-se observar que um acréscimo de tensão faz com que aumente a potência até esta atingir seu ponto máximo, onde cai repentinamente próxima ao ponto de tensão de circuito aberto. Figura Característica corrente x tensão (CRESESB, 1999).

33 33 Figura Curva característica potência x tensão (CRESESB, 1999). Figura Parâmetros de máxima potência (CRESESB, 1999). Aumentando o nível de insolação no módulo fotovoltaico, ocorre um aumento da temperatura da célula, o que tende a reduzir a eficiência do mesmo. Isto acontece, pois o aumento da temperatura diminui significativamente a tensão, ao passo que a corrente sofre uma elevação pequena, permanecendo praticamente constante, com isso ocorre a diminuição da potência gerada. Em locais com temperaturas ambientes muito elevadas é aconselhável utilizar módulos que possuam maior quantidade de células em série para que consigam atingir a tensão adequada de funcionamento (SOLARTERRA, 2011). Os módulos de silício amorfo são menos influenciados que os demais tipos.

34 34 Figura Influência da temperatura na célula (SOLARTERRA, 2011). Como já foi dito anteriormente a produção de energia fotovoltaica depende da disponibilidade de radiação solar, da orientação e inclinação dos módulos e da eficiência da instalação fotovoltaica. A máxima eficiência dos módulos se dá com o ângulo de incidência dos raios solares em 90. A incidência da radiação solar varia com a latitude e com a declinação solar durante o ano. Para calcular o ângulo que os painéis devem ser instalados, devese considerar o caminho que o Sol faz através do céu durante diferentes períodos do ano. A fixação dos painéis deve ser orientada de forma que o painel pegue a melhor insolação ao meio dia no local da instalação. Valores positivos de ângulo indica que a orientação é para o oeste, enquanto os negativos indicam o leste (ABB, 2010). Outro fator importante que deve ser levado em consideração é a presença de objetos próximos aos módulos. Os módulos devem estar suficientemente afastados de qualquer objeto que projete sombra sobre eles no período de melhor radiação solar, que ocorre normalmente de 9 às 17 horas (SOLARTERRA, 2011). As duas figuras a seguir ajudam no cálculo da distância mínima que o objeto deve estar dos módulos. O fator de espaçamento deve ser obtido com base na latitude do local da instalação. Conhecendo este fator é possível calcular a distância pela seguinte fórmula.

35 35 (4.1) Sendo o fator de espaçamento retirado do gráfico apresentado abaixo, a altura do objeto e a altura em relação ao nível do solo em que se encontram instalados os módulos. A curva do fator de espaçamento é obtida em relação à latitude do local a realizar a instalação do sistema fotovoltaico. Figura (a) Gráfico para a obtenção do fator de espaçamento (b) Figura para o cálculo da distância (SOLARTERRA, 2011). Os módulos devem ser orientados para que a sua face frontal esteja na direção do Norte geográfico (ou Sul, quando no hemisfério Norte). Para conseguir um melhor aproveitamento da radiação solar incidente, os módulos devem estar inclinados em relação ao plano horizontal sob um ângulo que varia conforme a latitude do local da instalação. Recomenda-se a adoção dos seguintes ângulos de inclinação, expostos na Tabela 4.1. Tabela 4.1- Ângulos de inclinação segundo a latitude do local da instalação (SOLARTERRA, 2011). Latitude Ângulo de inclinação 0 a a 20 Latitude a 45 Latitude a 65 Latitude a 75 80

36 36 5. INSTALAÇÃO DOS SISTEMAS FOTOVOLTAICOS As plantas fotovoltaicas podem ser instaladas de três formas diferentes: (i) integradas, (ii) parcialmente integradas e (iii) não integradas. As plantas não integradas são utilizadas de maneira centralizada, como uma usina geradora convencional, normalmente a certa distância do ponto de consumo, sendo que seus módulos são montados no chão. As plantas parcialmente integradas substituem parcialmente a construção, geralmente partes dos telhados. Enquanto as plantas integradas substituem todo o material, como por exemplo, todo o telhado é substituído por módulos fotovoltaicos, apresentando a vantagem de não necessitar de uma área extra, o que facilita sua implantação em centros urbanos. A instalação em centros urbanos ocorre próximo aos pontos de consumo o que figura na eliminação de perdas com transmissão e distribuição de energia elétrica. Os painéis também podem ser vistos como uma ferramenta arquitetônica, que proporcione à instalação uma estética inovadora e ecológica, o que tem atraído grandes empresas para sua utilização já que o tema sustentabilidade encontra-se em foco. As plantas também são caracterizadas pela quantidade de inversores que estas utilizam em sua configuração. Em sistemas pequenos é comum o emprego de um único inversor, para o sistema se tornar mais econômico. Por outro lado, uma falha no sistema ocasiona perda total da produção de energia do sistema fotovoltaico. Para as plantas de médio porte, geralmente utiliza-se um inversor para cada fileira de módulos, reduzindo as paradas de produção de energia devido às faltas. Finalmente, em sistemas de grande porte utilizam-se vários inversores, de modo que o sistema seja subdividido em vários grupos. Entretanto não utiliza um inversor para cada fileira de módulos, o que torna seu investimento mais atrativo, assim como sua manutenção.

37 37 Figura (a) Um inversor por planta, (b) Um inversor por fileira, (c) Vários inversores. (ABB, 2010). Em sistemas Net Metering, o mais utilizado nos Estados Unidos, adota-se um medidor bidirecional, o que torna necessário ser de mesmo valor as tarifas de energia, tanto a absorvida da rede como também a injetada nesta (RÜTHER, 2004). Caso as tarifas sejam diferentes é necessário utilizar dois ou três medidores. A figura a seguir representa esses medidores. Se for empregado o sistema Net Metering, somente o medidor 3 (kwh 3) é necessário. Por outro lado, se este sistema não for adotado, há a necessidade dos outros medidores, sendo que o medidor 1 (kwh 1) fará a medição da energia produzida pelo gerador solar fotovoltaico e o medidor 2 (kwh 2) fará a medição da energia injetada na rede.

38 38 Figura Diagrama de um sistema solar fotovoltaico interligado à rede de distribuição (RÜTHER, 2004). Através destes medidores é possível detectar a energia elétrica que é consumida da rede elétrica, a entregue à rede elétrica e a produzida pelo sistema fotovoltaico, sendo que o balanço de energia do sistema é obtido utilizando a seguinte fórmula: (5.1) Onde é a energia produzida pela planta fotovoltaica e entregue à rede elétrica, é a energia absorvida da rede elétrica, é a energia produzida pela planta fotovoltaica mantida pela tarifa de feedback ( retorno obtido com a geração de energia fotovoltaica) e é a energia consumida pelo usuário da planta.

39 39 Durante a noite e nos momentos em que a planta fotovoltaica não produz energia, sabe-se que: (5.2) Ou seja, toda a energia consumida é retirada da redede distribuição elétrica. Quando a planta gera energia são possíveis duas situações: : o balanço é positivo e a energia é entregue à rede elétrica e : o balanço é negativo e a energia é absorvida da rede elétrica. 5.1 Aterramento e Proteção de Sistemas Fotovoltaicos O sistema de aterramento envolve as partes condutoras expostas, ou seja, as armações de metal dos painéis, e o sistema de geração de potência, as partes vivas do sistema (células). O aterramento é realizado de forma que evite que o sistema atinja tensões elevadas em caso de falhas. O sistema de isolação é seguro para pessoas que tocam partes vivas de pequenas plantas, pois a resistência de isolação da terra para estas não é infinita e uma pessoa pode servir como uma resistência para a passagem de corrente até esta retornar a terra. Porém o mesmo não pode ser dito para plantas maiores, pois uma corrente pode causar a eletrocução de uma pessoa podendo leva-la à morte. A resistência de isolação diminui com o aumento da corrente, com o tamanho do sistema, com o passar do tempo e com a umidade também (ABB, 2010). As plantas possuem os seguintes tipos de sistema de proteção: IT, TN ou TT. O sistema IT apresenta o neutro isolado da terra e suas massas ligadas diretamente à terra de proteção. O sistema TN possui o neutro ligado à terra de serviço e suas massas ligadas diretamente ao neutro. Já o sistema TT possui o neutro ligado à terra de serviço e suas massas ligadas diretamente à terra de proteção. Considerando o lado do transformador ligado à carga, os sistemas podem ser IT, ou seja, as plantas possuem suas partes vivas isoladas do terra por meio de uma resistência de aterramento. Ou podem ser sistemas do tipo TN, onde os neutros também são aterrados. Ao analisar o lado referente à alimentação do transformador, o sistema pode ser do tipo TT, onde as partes condutoras expostas pertencentes à planta do consumidor são protegidas por um circuito de quebra de corrente residual posicionado

40 40 no começo da planta, resultando na proteção da rede como do gerador fotovoltaico também. Figura (a) Sistema IT (b) Sistema TN ( ABB, 2010). Nas plantas que não existe o transformador, a instalação fotovoltaica deve ser isolada do terra e suas partes vivas devem se tornar uma extensão da rede por meio de um sistema TT ou TN. Figura Sistema sem o transformador (ABB,2010). Uma questão importante e crítica em todos os sistemas é a proteção, e isso não seria diferente para os sistemas fotovoltaicos. Deve-se realizar o estudo para que o sistema fique protegido contra sobrecorrentes e sobretensões. Os cabos devem ser escolhidos corretamente de acordo com a capacidade de corrente máxima que pode afetá-los. Como já foi dito, um módulo pode vir a funcionar

41 41 como uma carga, devido a sombreamentos ou faltas, isso pode causar danos aos módulos, sendo que este resiste a uma corrente reversa variando de 2,5 a 3 vezes a corrente de curto circuito (ABB, 2010). Os efeitos do curto circuito na rede e nos capacitores são de natureza transitória e normalmente tais efeitos não são dimensionados na proteção posicionados no lado DC. Entretanto, é necessário analisar caso a caso com prudência. Os dispositivos devem satisfazer o uso de corrente contínua e ter uma taxa de tensão de serviço igual ou maior a tensão máxima do gerador fotovoltaico, sendo que estes devem ser posicionados no final do circuito a ser protegido. A capacidade de bloquear dos dispositivos não deve ser menor que a corrente de curto circuito de outras fileiras. Para a proteção do lado de corrente alternada, ou seja, o lado da carga, os cabos devem ser dimensionados com uma capacidade de corrente maior que a máxima que o inversor pode entregar. É aconselhável a utilização de chaves interruptoras para facilitar a manutenção das fileiras sem retirar de serviço outras partes da planta. As instalações fotovoltaicas isoladas podem ser alvo de sobretensões de origem atmosférica, seja de forma direta (golpes de raios nas estruturas) ou indireta. Logo é importante verificar a possibilidade da instalação de um sistema de proteção contra as descargas atmosféricas SPDA.

42 42 6. ANÁLISE ECONÔMICA DO INVESTIMENTO Desde 2007 entrou em vigor as tarifas de incentivo para a utilização dos sistemas fotovoltaicos em países como a Alemanha por exemplo. Essa tarifa consiste na remuneração da energia produzida pelo sistema fotovoltaico, em um período de 20 anos. Este incentivo trás vantagens econômicas pela entrega de potência para a rede, sendo que a energia produzida pode ser utilizada para o próprio consumo ou pode ser vendida para o mercado de energia. Caso seja utilizada para o próprio cosumo, o produtor receberá uma diminuição na sua conta de energia, mas se esta for utilizada para a venda, o sistema se torna uma fonte explícita de renda. Um sistema de venda de energia para a rede é estendido para todas as plantas de fontes renováveis que possuem uma média anual de potência menor que 200kW. O cálculo desta tarifa considera a quantidade de energia elétrica trocada com a rede, o valor da energia elétrica entregue à rede e o valor da taxa paga pela energia tirada da rede dividida pelo preço da energia e do serviço. Quando o valor da energia entregue à rede exceder a absorvida, o balanço representará um crédito. Para as plantas fotovoltaicas participantes do Net Metering existe uma recompensa adicional pelo uso eficiente da energia nas construções. Para a instalação de qualquer sistema duas análises de viabilidade devem ser realizadas, uma técnica e uma econômica. Do ponto de vista técnico, deve-se garantir o tamanho ótimo da instalação. Para a realização da análise econômica deve-se considerar a relação custo-benefício do empreendimento, consistindo numa comparação entre o investimento inicial e o valor presente do investimento. O lucro (L) pode ser calculado pelo retorno do investimento (R) subtraindo os custos da instalação (C), esta relação é válida para uma duração instantânea. (6.1) Se o valor presente (NPV) calculado for positivo significa que os descontos darão um grande retorno sendo maior que o custo inicial, o que torna a instalação da planta vantajosa do ponto de vista financeiro. (6.2) Onde é o investimento inicial, é o dinheiro que esta fluindo a cada ano e é o custo referente a juros e a inflação. A taxa de retorno interno (IRR) também é utilizada como um indicador econômico. Se esta taxa exceder o custo capital

43 43 considera-se o investimento lucrativo. Entretanto, se o IRR for menor que o retorno o investimento deve ser evitado. Caso exista a possibilidade de duas alternativas com o mesmo risco de investimento, deve-se escolher a que possui o maior IRR. O payback (N) é representado pelo número de anos depois que o NPV se torna nulo, considerando n como o número de anos previsto para o investimento, este se tornará oportuno se N > n, caso contrário o investimento deve ser evitado. Na Itália, país que possui uma quantidade significativa de sistemas fotovoltaicos, apresenta um payback em torno de 11 anos (ABB, 2010). Estudos confirmam que os preços no que diz respeito à energia fotovoltaica vem sofrendo quedas ano após ano (VALLÊRA, 2005), como mostra a Figura 6.1 através da curva vermelha. O gráfico de barras representa a relação entre custo e tamanho da instalação fotovoltaica. Observe que, com o aumento da instalação, aumenta-se o custo do Wp (watt-pico) produzido. Quando se trata de capacidade de geração de energia em um dia não se deve esquecer que um sistema convencional, como por exemplo, uma central hidrelétrica, pode gerar energia durante 24 horas por dia. O mesmo não ocorre com os sistemas fotovoltaicos, que dependendo de sua localização geográfica podem gerar em média 6 horas por dia de energia (SHAYANI, 2006). Portanto, para que o sistema fotovoltaico possa produzir a mesma quantidade de energia em um dia, ele deve ter sua potência aumentada em 4 vezes, o que eleva seu custo de implantação. Figura Relação de custo de um watt fotovoltaico (EPIA, 2008). Entretanto, deve ser levado em consideração que os sistemas fotovoltaicos não apresentam gastos com combustível, o que em usinas térmicas representa um elevado

44 44 custo, além dos gastos com operação e manutenção que na geração fotovoltaica chega a ser até 5 vezes mais barato (SHAYANI, 2006). A manutenção de um painel fotovoltaico deve garantir que estes permaneçam limpos, livres de poeiras e outros, para que não ocorram sombreamentos que venham a reduzir a geração de energia. Essa limpeza a própria água da chuva realiza. Em caso de quebra de algum painel não é necessário mão de obra altamente qualificada para realizar a troca, motivo pelo qual o custo com manutenção é mínimo.

45 45 7. ESTUDOS REALIZADOS Os sistemas solares fotovoltaicos utilizados em edificações de forma integrada e interligada à rede de distribuição pública de energia elétrica oferecem uma série de vantagens para o sistema elétrico, ressaltando a minimização das perdas com transmissão e distribuição de energia comparadas à transmissão e distribuição da energia elétrica convencional e a não necessidade de uma área física externa à edificação comparada, por exemplo, aos sistemas de geração eólica. Além disso, o sistema fotovoltaico pode oferecer suporte de reativo aos pontos críticos da rede, melhorando a qualidade de energia entregue ao consumidor (RÜTHER, 2004). Geralmente, em instalações comerciais, o perfil de consumo de energia da instalação se ajusta perfeitamente à geração fotovoltaica, pois a utilização dos aparelhos de ar condicionado coincide com o período de maior geração de energia, ou seja, durante o dia onde o calor é mais intenso assim como a radiação solar incidente nos módulos fotovoltaicos. O perfil de consumo energético de um prédio público é dividido da seguinte forma, aproximadamente 50% é destinado aos ar condicionados, seguido de cerca de 25% para a iluminação, e em proporções menores os demais equipamentos de escritório, elevadores e bombas (SHAYANI, 2006). Em instalações industriais, a utilização de painéis de forma integrada às edificações também se torna vantajosa por na maioria das vezes, constar de grandes áreas de cobertura geralmente plana, o que facilita a instalações dos painéis. A seguir serão apresentadas todas as análises que realizei para a instalação do sistema fotovoltaico em prédios administrativos e em áreas industriais, sendo que todas as considerações foram tomadas com base no estudo apresentado até o capítulo anterior. 7.1 Prédios administrativos Inicialmente, para o estudo do consumo energético em um prédio administrativo, foi considerada uma edificação típica, tomando como base parâmetros reais. O detalhamento de tal edificação, que será utilizado posteriormente para as análises, encontra-se a seguir. Foi proposto um edifício composto por 10 andares, sendo:

46 46 1º andar: Recepção, sala de espera, cantina e banheiros; 2º e 3 andares: Garagem; 4º ao 9º andares: Escritórios com banheiros; 10º andar: Anfiteatros e banheiros. As dimensões técnicas para a edificação são: altura de 30m e área da secção de 300 m² (20 x 15 m²). As figuras abaixo representam as plantas baixas para os diferentes andares. Figura Planta baixa do térreo

47 47 Figura Planta baixa dos andares com os escritórios Figura Planta baixa dos anfiteatros OBS: As imagens estão na escala de 1:100.

48 48 Pelas imagens acima apresentadas pode-se observar que, o prédio consta de 12 escritórios por andar, cada um com seu respectivo banheiro, totalizando 72 escritórios. Além disso, consta de 5 anfiteatros no último andar, 4 elevadores, dois andares utilizados para estacionamento dos carros dos funcionários, uma cantina e áreas de espera próxima à recepção com televisores. A seguir são listados os equipamentos existentes no edifício com sua respectiva potência. Estes dados permitem a determinação da carga instalada da edificação. Escritório: 1 Computador com impressora 250W 1 Ar-condicionado 8500Btu 1300W 1 Aquecedor de ambiente 1550W 1 Bebedouro 100W 2 Lâmpadas fluorescentes (40W) 80W 1 Lâmpada fluorescente compacta (banheiro) 20W Total 3300W 12 escritórios x 6 andares x 3300W = 237,60kW Cantina: 2 Freezer vertical 280L (200W) 400W 1 Freezer horizontal 330L (2 portas) 200W 1 Forno micro ondas 1150W 1 Cafeteira elétrica média 750W 1 Estufa 1000W 1 Grill 1200W 1 Suggar 200W 1 Liquidificador 320W 1 Espremedor de laranjas 150W 1 Torradeira 800W 1 Forno elétrico 2000W

49 49 12 Lâmpadas fluorescentes (40W) Total 480W 8650W Recepção: 1 Máquina Xerox pequena 1500W 1 Scanner 50W 1 Ar-condicionado 16000Btu 1950W 2 Computadores com impressora (250W) 500W 2 Televisores (200W) 400W 12 Lâmpadas fluorescentes (40W) 480W Total 4880W Banheiros (térreo): 6 Lâmpadas fluorescentes (40W) 240W Anfiteatros: 5 Retroprojetores (210W) 1050W 5 Computadores (180W) 900W 5 Amplificadores de som (50W) 250W 42 Lâmpadas fluorescentes (40W) 1680W Total 3880W Garagem: 80 lâmpadas fluorescentes (40W) 3200W Elevadores:

50 50 Cada elevador possui capacidade para 8 pessoas Consumo médio por viagem 0,40kWh Estipulando o tempo de 3 mim para uma viagem e o elevador funcionando de 7:00 às 20:00, num total de 13 horas, tem-se: Carga total instalada 275,74kW Portanto, de posse da informação da utilização de cada um desses equipamentos ao longo do dia foram definidas as curvas de carga da edificação. A Figura 7.4 mostra como foi realizada a distribuição das cargas ao longo do dia, estando as demandas dessas fora de escala. Figura Curva de carga estipulada fora de escala A Figura 7.5 já apresenta a curva de carga considerando os consumos de cada equipamento, de forma que a figura mostra em escala a carga demandada ao longo do dia. Na Figura 7.6 o valor dessas demandas encontram-se explicitadas no gráfico.

51 Demanda (kw) Curva de Carga - Prédio Administrativo Horas do dia Figura Curva de carga em escala ,91 155, , ,32 37, ,75 13,95 10,75 0 0h-1h 1h-2h 2h-3h 3h-4h 4h-5h 5h-6h 6h-7h 7h-8h 8h-9h 9h-10h 10h-11h 11h-12h 12h-13h 13h-14h 14h-15h 15h-16h Figura Curva de carga com os valores das demandas apontados em cada intervalo de hora Pela curva de carga calcula-se o consumo diário, multiplicando a demanda pelo intervalo de tempo e depois somando as parcelas, como mostra a seguir:

52 52 Consumo diário 1759,17 kwh Figura Energia consumida diariamente Considerando que um mês possui 30 dias tem-se: Consumo mensal 52,77 MWh Segundo a ANEEL (relatorios.aneel.gov.br, 2013), para a classe de consumo comercial, serviços e outros, a tarifa cobrada referente à região Sudeste é de R$

53 53 295,22 por MWh (em Abril de 2013). Portanto, o edifício nestas condições apresenta os seguintes custos em relação à energia elétrica: Custo mensal: Custo anual: Esses valores serão utilizados para a realização de diversos ensaios com diferentes tipos de painéis fotovoltaicos e diferentes configurações de instalações, para que seja possível comparar e concluir qual configuração, no cenário atual, é a mais vantajosa ou a que se encontra mais próximo disso Simulações e análises econômicas Para a aquisição dos dados necessários às análises (rendimento fotovoltaico, nível de consumo próprio e outros) foi utilizado o software SMA Sunny Design que apresenta como resultado a geração anual de energia fotovoltaica que a instalação é capaz de fornecer. Para as simulações iniciais o local estipulado para a implementação do sistema fotovoltaico foi a cidade de Juiz de Fora, em Minas Gerais. Em relação às temperaturas foram adotados os valores utilizados para uma condição normal de operação, sendo o sistema trabalhando na temperatura de 25 C, com uma temperatura mínima de 5 C e uma máxima de 40 C (valores estipulados pelo software). A Tabela 7.1 apresenta três casos testes com a instalação de painéis no telhado do prédio (correspondente a uma área de 300 m²), cada um utilizando um tipo de painel (monocristalino, policristalino e filmes finos silício amorfo). A inclinação utilizada para os painéis foi de 23, assim como o seu azimute (ângulo entre a perpendicular ao plano de incidência e o plano de vibração de uma radiação eletromagnética planopolarizada), sendo este o mais favorável para tal região. Na figura abaixo o ângulo de azimute é representado por, formado pela direção Sul-Norte com a projeção no plano horizontal da normal ao painel. Dado em graus a partir do Norte e em direção os sentido horário. 1 Software desenvolvido pela SMA Solar Technology.

54 54 Figura 7.8 Incidência da radiação solar (ELETRONICA). Visto que grande parte dos equipamentos são importados e cotados em dólares americanos ou euros, para o cálculo dos custos de investimento foram adotadas as seguintes taxas de câmbio como sendo igual a R$2,0020/US$1,00 e R$2,6352/EU$1,0, valores retirados de Valor Econômico (Banco Central do Brasil, 2013) no dia 30 de Abril de Para a realização das simulações que serão apresentadas a seguir, os painéis e inversores foram escolhidos de forma a obter o melhor rendimento para cada simulação. Esta escolha foi realizada tendo como base os diversos modelos disponíveis pelo programa SMA Sunny Design A quantidade de painéis a serem utilizados foi determinada pelo cálculo entre a área disponível no telhado do edifício e a área correspondente de cada painel, de forma a conseguir um melhor aproveitamento na instalação destes. Tabela Área dos módulos utilizados nas simulações Módulo Área (m²) SolarWorld SW 230 mono 1,6767 SolarWorld SW 230 poly 1,6767 Sharp NA-F121 (A5) 1,4217 Com a definição do tipo de painel a ser utilizado, assim como seu fabricante, seu modelo e a sua quantidade, e também o tipo de inversor em relação a modelo e fabricante, o software sugere o número de inversores necessários que satisfaça a

55 55 instalação em questão. Foram simulados três casos com diferentes tipos de painéis, painéis monocristalinos, policristalinos e de filmes finos. Tabela 7.2 Especificação das simulações realizadas com a instalação dos módulos fotovoltaicos no teto do edifício CASO 1 CASO 2 CASO 3 Painel Monocristalino Policristalino Silício amorfo Especificação do painel Potência do painel Quantidade de painéis Custo com painéis (R$) Especificação do inversor Quantidade de inversores Custo com inversores (R$) Custo total de investimento (R$) SolarWorld SW 230 mono SolarWorld SW 230 poly Sharp NA-F121 (A5) 230 W 230 W 121 W Sunny mini central - SMC 4600A Sunny mini central - SMC 4600A Sunny mini central - SMC 4600A , , ,76 Ao simular cada caso obtém-se o rendimento anual do sistema fotovoltaico assim como a porcentagem de energia utilizada para seu próprio consumo. Se a energia produzida for menor que o seu consumo anual, toda a energia será utilizada para seu próprio consumo, não deixando excedente para a injeção de energia na rede. Para realizar as simulações a edificação descrita anteriormente foi considerada um consumidor típico comercial, trabalhando em dias úteis de 8 às 18 horas. Durante a simulação é considerado um Fator de Capacidade (relação entre o rendimento real e o nominal do sistema fotovoltaico em um mesmo intervalo de tempo) de acordo com a localização escolhida para a instalação dos painéis. Este fator leva em consideração o período em que o sistema não gera energia, devido à presença de nuvens, chuvas, períodos da noite entre outros.

56 56 Tabela 7.3 Resultados da simulação para os casos com instalação de módulos fotovoltaicos no teto do edifício Rendimento anual fotovoltaico Porcentagem utilizada para o próprio consumo CASO 1 CASO 2 CASO 3 38,72 MWh 38,52 MWh 25,13 MWh 100 % 100 % 100 % Para o estudo da viabilidade econômica, foram considerados os custos de investimentos, custos com energia elétrica convencional, evolução das tarifas de energia, e taxa de juros do mercado financeiro nacional. A taxa de juros utilizada foi de 5% ao ano, e para a evolução na tarifa de energia foi considerada um aumento de 2% a cada 2 anos. Dessa forma foi possível calcular o payback previsto para cada caso teste. Abaixo encontra-se de forma detalhada o cálculo realizado para a obtenção da economia obtida com a instalação do sistema fotovoltaico para o Caso 1. Para os demais utilizou-se o mesmo raciocínio. (7.1) (7.2) (7.3) (7.4) (7.5) (7.6) (7.7) (7.8)

57 57 Tabela 7.4- Resultados das análises econômicas paras os casos com instalação de módulos fotovoltaicos no teto do edifício CASO 1 CASO 2 CASO 3 Economia de gastos com energia elétrica (R$) , , ,88 Payback previsto (anos) > 25 > 25 > 25 A seguir encontram-se os gráficos referentes a cada caso simulado. Em cada gráfico é apresentado o lucro que a instalação do sistema fotovoltaico proporciona e o momento quando o sistema passa a ser vantajoso, ou seja, passa a ser rentável ao investidor. A curva em azul apresenta a evolução da tarifa de energia ao longo dos anos simulados, simulou-se 25 anos, uma vez que a vida útil do sistema fotovoltaico gira em torno de 25 anos. Esta curva inicia-se no valor gasto anualmente com a energia elétrica antes de realizar a instalação do sistema fotovoltaico, e a cada dois anos, ela aumenta a uma taxa de juros de 2% ao ano. A curva vermelha apresenta o lucro que a instalação dos painéis proporciona com o passar dos anos. Seu primeiro valor indica o total de investimento necessário para realizar a instalação do sistema fotovoltaico. Seu lucro é dado pela economia que a instalação desse sistema proporciona no gasto com a energia elétrica, sendo que a cada ano este valor é implementado, e foi considerado que este lucro está rendendo a uma taxa de juros de 5% ao ano. Já a curva verde apresenta o retorno proporcionado pelo sistema, ou seja, seu payback, quando este passa a ser positivo significa que todos os custos com a instalação do sistema foram pagos e a partir deste momento o sistema fotovoltaico somente rende lucros para o investidor. Se esta situação ocorrer antes do tempo de vida útil do sistema, a instalação é rentável. A curva se inicia no valor gasto no primeiro ano da instalação (total do investimento + custo anual com a energia oriunda da rede elétrica após a instalação), no segundo ano contabiliza-se apenas o custo anual com a rede elétrica após a instalação do sistema e a economia que este sistema proporciona. Nos demais anos o gasto com a energia elétrica continua sendo subtraído do lucro, considerando o aumento da tarifa de energia a cada dois anos. Quando sua curva atingir um valor positivo, significa que a partir deste momento o sistema apenas proporciona lucros.

58 ,00 Caso , , , , , , , Fluxo de Lucro com a Energia Fotovoltaica Retorno da Instalação Tarifa de Energia Figura 7.9 Simulação do caso com a instalação de painéis monocristalinos no teto do edifício , , , , , , , ,00 Caso Fluxo de Lucro com a Energia Fotovoltaica Retorno da Instalação Tarifa de Energia Figura Simulação do caso com a instalação de painéis policristalinos no teto do edifício

59 ,00 Caso , , , Fluxo de Lucro com a Energia Fotovoltaica Retorno da Instalação Tarifa de Energia , ,00 Figura Simulação do caso com a instalação de painéis de silício amorfo no teto do edifício Comparando e analisando estes três casos é possível observar que: O caso que utiliza o painel monocristalino (Caso 1) apresenta um rendimento superior aos demais, devido ao fato do painel ser construído com um silício de melhor qualidade (maior pureza), porém seu custo se torna mais elevado. O rendimento apresentado pelo painel policristalino (Caso 2) não cai de forma significativa se comparado com o monocristalino, o que o torna mais vantajoso nas instalações por seu custo ser pouco mais reduzido. Sua relação custo-benefício é mais atrativa, pois tem-se praticamente o mesmo rendimento necessitando de um menor investimento, razão pela qual domina as instalações atualmente. A utilização dos painéis de filmes finos (Caso 3) apesar de possuir um custo extremamente reduzido comparado com os demais, possui também uma perda de rendimento, o que desfavorece a sua implementação. Como já foi dito no item 3.1.1, o rendimento do painel de silício amorfo reduz em relação ao painel monocristalino aproximadamente 8%, e em relação ao policristalino 4%. Estudos e testes em laboratórios a cada ano que passa consegue melhorar a eficiência de tal painel, o que fará alavancar a utilização da energia fotovoltaica em massa, pois o problema

60 60 do rendimento será solucionado e junto a este estará associado seu baixo custo de aquisição. Enquanto isso não ocorre, os painéis de silício amorfo estão sendo mais utilizados por uma questão estética, por serem semitransparentes podem ser utilizados nas fachadas dos edifícios, ao mesmo tempo em que aproveitam a iluminação natural do dia produzem energia para a instalação, e conferem uma responsabilidade social para a construção. Em relação ao tempo necessário para obter retorno do investimento, payback, os três casos se mostram inviáveis comparados ao tempo de vida útil da instalação, em média 25 anos. Ambos apresentaram um payback superior a 25 anos, desta forma o sistema não agrega lucro. Esta situação mostra como é indispensável a introdução de meios que incentivem a utilização desta forma de geração de energia. Observando agora as curvas em vermelho e em azul, torna-se mais claro identificar se a instalação é vantajosa ou não. Note que nos três casos, a curva vermelha (lucro obtido com o sistema fotovoltaico) não ultrapassa a curva em azul (gastos considerando a evolução da tarifa de energia), a utilização da energia convencional se mostra mais vantajosa que a instalação do sistema fotovoltaico. Chega-se à conclusão que os resultados apresentados com os três tipos mais utilizados de painéis fotovoltaicos (monocristalino, policristalino e filmes finos silício amorfo) são condizentes com o que era de se esperar, pelo fato da melhor situação em relação a custo-benefício ser a instalação de painéis policristalinos, pelas razões descritas anteriormente. Porém, em nenhuma dessas situações a instalação fotovoltaica é viável, devido ao seu elevado custo, o que aumenta o tempo necessário para que o sistema obtenha um retorno favorável ao investidor Instalação de painéis fotovoltaicos na fachada do edifício Neste subitem são apresentados três novos testes considerando a instalação dos painéis na fachada do prédio. A Figura abaixo exemplifica a instalação de painéis de filmes finos na fachada de um edifício em Portugal.

61 61 Figura 7.12 Instalação de painéis de filmes finos na fachada do edifício (BRIGHT SOLAR) Foram utilizados apenas painéis de filmes finos (silício amorfo), para o prédio ter o aproveitamento da luz do dia, uma vez que são painéis semitransparentes, para uma iluminação mais eficiente do ponto de vista energético, o que os demais painéis não permitiriam por serem painéis opacos. Nos três casos apresentados a seguir foram utilizados 406 módulos da fabricante Sharp, modelo Sharp NA F121 (A5), a diferenciação entre os casos encontra-se na escolha dos inversores. A diferença entre os inversores encontra-se na sua capacidade. Os de maiores capacidades utilizam um menor número de inversores. Tabela Especificação das simulações realizadas com a instalação dos módulos fotovoltaicos na fachada do edifício Custo com painéis (R$) Especificação do inversor Quantidade de inversores Custo com inversores (R$) Custo total de investimento (R$) CASO 4 CASO 5 CASO 6 Sunny mini central - SMC 5000A Sunny mini central - SMC 4600A Sunny mini central - SMC 6000A , , ,40

62 62 Da mesma forma, o rendimento anual do sistema fotovoltaico é obtido pela simulação dos casos acima no programa SMA Sunny Design Para realizar a simulação também foi considerado um consumidor típico comercial, trabalhando em dias úteis de 8 às 18 horas. Tabela Resultados da simulação para os casos com instalação de módulos fotovoltaicos na fachada do edifício Rendimento anual fotovoltaico Porcentagem utilizada para o próprio consumo CASO 4 CASO 5 CASO 6 53,08 MWh 52,35 MWh 53,06 MWh 100 % 100 % 100 % seguir. Os resultados obtidos pela realização das análises econômicas encontram-se a Tabela 7.7 Resultados das análises econômicas para os casos com instalação de módulos fotovoltaicos na fachada do edifício CASO 4 CASO 5 CASO 6 Economia de gastos com energia elétrica (R$) , , ,37 Payback previsto (anos) Para as análises econômicas tornarem mais simples, encontram-se abaixo os gráficos referentes a cada simulação com a instalação de painéis de filmes finos na fachada do edifício. Foram utilizadas as mesmas taxas de juros, o mesmo valor do dólar, do euro, da tarifa de energia para poder comparar essas instalações.

63 , , , , , , , ,00 Caso Fluxo de Lucro com a Energia Fotovoltaica Retorno da Instalação Tarifa de Energia Figura 7.13 Simulação do caso com a instalação de painéis de silício amorfo na fachada do edifício utilizando o inversor SMC 5000A , ,00 Caso , , , , , , Fluxo de Lucro com a Energia Fotovoltaica Retorno da Instalação Tarifa de Energia Figura 7.14 Simulação do caso com a instalação de painéis de silício amorfo na fachada do edifício utilizando o inversor SMC 4600A 11

64 ,00 Caso , , , , , , Fluxo de Lucro com a Energia Fotovoltaica Retorno da Instalação Tarifa de Energia Figura 7.15 Simulação do caso com a instalação de painéis de silício amorfo na fachada do edifício utilizando o inversor SB 2500 Note que como as simulações estão utilizando os mesmo módulos, a diferença de custo de investimento está no tipo de inversor. Pela Tabela 7.5 é fácil perceber que à medida que aumenta a capacidade de conversão do inversor, mais caro este se torna. Logo, o Caso 6 faz uso do inversor mais caro entre os casos simulados, sendo o caso que apresenta o maior payback. Outra observação consequente desta anterior é o fato da redução da capacidade de conversão tornar necessária a utilização de um maior número de inversores. O Caso 4 mostra-se mais eficiente, apesar da necessidade de um investimento um pouco maior que o Caso 5, apresenta o mesmo payback e um maior rendimento fotovoltaico. Observe que nos Casos 4 e 5, a curva vermelha (lucro obtido com o sistema fotovoltaico) ultrapassa a curva em azul (gastos considerando a evolução da tarifa de energia) mostrando que a instalação do sistema fotovoltaico nestes casos é mais atrativa que a utilização da energia convencional Instalação de painéis fotovoltaicos em diferentes regiões Agora será realizada uma análise na qual seja possível uma comparação da geração de energia fotovoltaica em diferentes regiões do Brasil, para analisar como a radiação solar influencia em tal fator. Para isso, utilizaremos como base o Caso 2, onde são usados painéis policristalinos no topo do edifício. Os azimutes e as inclinações escolhidas favorecem a maior geração de energia fotovoltaica.

65 65 Tabela Resultado das análises em diferentes cidades do Brasil utilizando o mesmo sistema do Caso 2 (painéis policristalinos no teto do edifício) Cidades Azimute Inclinação Rendimento anual fotovoltaico (MWh) Belém ,81 Brasília ,71 Fortaleza ,25 Juiz de Fora ,52 Porto Alegre ,88 Rio de Janeiro ,60 O primeiro fato que merece importância são os valores de azimute e inclinação. Estes valores se diferenciam de uma cidade para outra por apresentarem diferentes localizações em relação à Linha do Equador. Esses dados são utilizados para proporcionar a cada caso, a disposição que obtenha o melhor rendimento fotovoltaico possível. As duas cidades que apresentam maiores rendimentos fotovoltaicos são as cidades de Fortaleza (Nordeste) seguida de Belém (Norte), justamente as cidades que apresentam maior taxa de radiação solar, 5,56 e 5,05 kwh/m².dia, respectivamente. A tabela abaixo mostra esses índices de radiação solar para as cidades simuladas acima, sendo que os valores foram retirados de Solar Energy (2013). Tabela 7.9 Média anual de Radiação Solar para as cidades simuladas acima Cidades Média Anual de Radiação Solar (kwh/m².dia) Belém 5,05 Brasília 4,93 Fortaleza 5,56 Juiz de Fora 4,16 Porto Alegre 4,45 Rio de Janeiro 4,64 Observe que a geração de energia fotovoltaica é proporcional ao índice de radiação solar, ou seja, ao passo que se aumenta a radiação solar da região a ser instalado o sistema fotovoltaico, aumenta-se a geração fotovoltaica.

66 Instalação do Sistema Fotovoltaico x Aplicação Para um investidor a questão ambiental e o investimento ser lucrativo após alguns anos, não são o suficiente para que este opte a investir na instalação de um sistema fotovoltaico, ele sempre analisa todas as possíveis possibilidades para apostar seu dinheiro. Pensando nisso, o Caso 4, instalação de painéis fotovoltaicos de silício amorfo na fachada de um edifício, será analisado por este novo âmbito. Neste Caso 4, o investimento necessário para a instalação do sistema fotovoltaico foi de R$ ,16 e o retorno esperado deste investimento foi de 21 anos. Considere agora que ao invés de investir este valor no sistema fotovoltaico, este foi aplicado no mercado financeiro, por exemplo, em uma poupança, rendendo juros a taxa de 5% ao ano. O gráfico abaixo apresenta essa relação , , , , , , , , , , , Retorno da Instalação Fotovoltaica Lucro com o investimento do dinheiro Figura 7.16 Comparação entre o Investimento na Fotovoltaica e a Aplicação do dinheiro Observe que o investimento na instalação do sistema fotovoltaico se aproxima do lucro obtido com a aplicação da mesma quantia, porém ainda não ultrapassa. Portanto, neste caso, aplicar o dinheiro no mercado financeiro é mais vantajoso. Por isso a necessidade de se criar tarifas de incentivo para a utilização da energia

67 67 fotovoltaica. Com os incentivos a curva em azul irá subir e tornará a instalação do sistema fotovoltaico atrativa para os olhos dos grandes investidores. 7.2 Área Industrial Para a realização do estudo de viabilidade técnica e econômica de uma instalação fotovoltaica em uma área industrial, foi utilizada como base uma empresa do ramo de calçados de segurança, localizada na cidade de Itanhandu MG. O horário de funcionamento da fábrica é de 7 às 12h e de 13 às 17h, o que já favorece a implementação do sistema fotovoltaico, uma vez que o funcionamento da indústria se dá exatamente no período diurno, onde se tem maior radiação solar. A área coberta pelo galpão da fábrica compreende 1800 m² (20m x 90m). A seguir encontra-se a lista de equipamentos utilizados na fabricação dos calçados de proteção individual, assim como os demais equipamentos que demandam energia, como por exemplo, ventiladores e bebedouros. 7 Balancins de corte hidráulico 1,5 hp (Açoreal) 7829,85 W 1 Balancim de ponte de aviamento 4,25 cv (Poppi) 3125,87 W 1 Máquina de aplicar couraça termoplástica (USM Brasil) 1100 W 1 Máquina de carimbar (Erps) 500 W 1 Máquina de entretelar (Erps) 3500 W 2 Máquinas de cambrear (Morbach) 400 W 1 Máquina de prensar metatasso 3 cv (Becker) 2206,5 W 35 Máquinas de costura ½ cv (Ivomaq) 12871,25 W 1 Máquina de costura ½ cv (Juki Corporation) 367,75 W 3 Máquinas de conformar ½ cv (BM Fusionmaq) 1103,25 W 3 Máquinas de estrubelar (Tecnomaq) 1104 W 1 Prensa pneumática (USM Brasil) 5500 W 1 Braqueadora 1 cv (Weq motores SA) 735,5 W 1 Forno (Master) 4000 W 1 Esteira 25m com 22 lâmpadas fluorescentes 2200 W 1 Aspirador de pó 1,5 cv (Master) 1103,25 W

68 68 1 Lixadeira (Gilber) 1000 W 1 Montadora de bico pneumática (Internacional) 1500 W 1 Máquina sazi ½ cv 367,75 W 2 Compressores 15 cv (Chaperine) W 2 Máquinas de ilhós (Kehl) 720 W 1 Máquina de chanfrar 2 cv (Cemec) 1471 W 138 Lâmpadas fluorescentes W 8 Ventiladores (Arge) 1040 W 2 Bebedouros 130 W Total 89740,97 W OBS: 1 cv = 735,5 W 1 hp = 745,7 W Logo, o carga total instalada é de 89,74 kw. Figura Fotografia tirada na fábrica fora do horário de funcionamento

69 69 Esta indústria é considerada um consumidor industrial do subgrupo A4, ou seja, sua tarifa é do tipo horo-sazonal verde. A tarifa horo-sazonal possui preços diferenciados de acordo com as horas do dia e os períodos do ano. Sendo que considera-se o horário de ponta (3 horas consecutivas definidas pela concessionária) e o horário fora de ponta (demais horas do dia), e período seco (intervalo entre os meses de maio a novembro) e período úmido (intervalo entre os meses de dezembro a abril). Por ser do tipo verde apresenta uma tarifa única para a demanda de potência e tarifas diferenciadas para o consumo de energia. Através da sua conta de energia tem-se que o consumo anual de energia da instalação é de kwh. Sua tensão de alimentação é de 13,8 kv e a indústria possui um transformador particular, que quando necessita de manutenção, ela é realizada pela própria concessionária de energia (Cemig) através do pagamento de uma taxa extra Simulações e análises econômicas Itanhandu MG, cidade onde se encontra a indústria, não está entre as cidades disponíveis no programa SMA Sunny Design É possível inserir uma nova cidade, mas para o projeto ficaria inviável, pois são necessários 8760 valores de temperatura ( C) e 8760 valores de radiação global horizontal (W/m²), ambos medidos na cidade que se deseja inserir no software. Com isso, entre as cidades disponíveis foi escolhida Juiz de Fora por ser a que mais se aproxima de sua característica climática. A escolha da quantidade de painéis a serem utilizados se deu da mesma forma que a descrita para o caso de um edifício comercial. Os tipos de painéis foram os mesmos utilizados nos casos 1, 2 e 3. Por se tratar agora de uma indústria com nível de tensão superior aos prediais, os inversores utilizados serão diferentes, mais robustos e consequentemente mais caros.

70 70 Tabela 7.10 Especificação das simulações realizadas com a instalação dos módulos fotovoltaicos na indústria CASO 1 CASO 2 CASO 3 Painel Monocristalino Policristalino Silício amorfo Especificação do painel SolarWorld SW 230 mono SolarWorld SW 230 poly Sharp NA-F121 (A5) Potência do painel 230 W 230 W 121 W Quantidade de painéis Custo com painéis (R$) Especificação do inversor Sunny central SC 250HE (EVR) Sunny central SC 250HE (EVR) Sunny central SC 100HE (EVR) Quantidade de inversores Custo com inversores (R$) Custo total de investimento (R$) , , ,86 Note que para se obter o melhor aproveitamento possível da área pode-se utilizar um maior número de módulos, principalmente no caso 3 (1260 módulos), porém não seria possível a instalação desse número de painéis e inversores devido a incompatibilidade para a instalação destes no sistema, como por exemplo, seria necessário um número maior de inversores para ligar a apenas poucos módulos, isso encareceria o projeto e não o tornaria viável. Por isso, foi utilizado menos módulos que a capacidade máxima suportada pela área do galpão para que assim obtivesse a melhor relação custo benefício para o projeto. O número de painéis utilizados foi determinado a partir de sugestões que o software apresenta. Simulando no programa SMA Sunny Design 2.21, tem-se o rendimento anual do sistema fotovoltaico. Para realizar a simulação foi considerado um consumidor industrial, trabalhando em dias úteis de 8 às 18 horas.

71 71 Tabela Resultados da simulação para os casos com instalação de módulos fotovoltaicos na indústria Rendimento anual fotovoltaico Porcentagem utilizada para o próprio consumo CASO 1 CASO 2 CASO 3 270,09 MWh 268,49 MWh 140,23 MWh 35,6 % 35,7 % 59,3 % Observe que em todos os casos simulados, a geração de energia fotovoltaica foi superior à necessária para atender todo o consumo industrial. Nestes casos, o restante da energia seria jogado na rede de distribuição elétrica pública e a empresa receberia incentivos em troca, ou seja, a indústria estaria vendendo energia para a concessionária local. Atualmente no Brasil existe uma resolução normativa nº 482 da ANEEL, que foi aprovada em 17 de Abril de 2012, com o intuito de facilitar a geração de energia de forma distribuída para unidades de pequeno porte, abrangendo a microgeração (até 100 kw) e a minigeração (de 100 kw a 1 MW). A norma utiliza o Sistema de Compensação de Energia, ou seja, a energia gerada que não for consumida é injetada no sistema da distribuidora e o consumidor recebe créditos equivalentes a esta que podem ser abatidos do seu consumo nos meses subsequentes, em um prazo de 36 meses. Para o caso de usinas maiores de até 30 MW, o consumidor também recebe descontos nas tarifas de uso do sistema de distribuição e de transmissão, TUSD e TUST respectivamente. Caso a usina entre em operação até 31/12/2017, durante os primeiros dez anos esse desconto será de 80% e nos demais anos passará para 50%. Já as usinas que entrarem em operação depois de 31/12/2017 receberão apenas 50% de desconto nas tarifas citadas. Logo, para a realização da análise econômica destes casos simulados para a indústria de calçados, foi levada em consideração a norma citada acima, obtendo os seguintes resultados. Tabela 7.12 Resultados das análises econômicas para os casos com instalação de módulos fotovoltaicos na indústria CASO 1 CASO 2 CASO 3 Economia de gastos com energia elétrica (R$) , , ,70 Payback previsto (anos) 8 7 3

72 72 Pelos gráficos apresentados a seguir fica claro como a análise nestes casos se diferencia das análises realizadas para o prédio administrativo. A curva em azul representa o gasto com a energia antes da instalação do sistema fotovoltaico, esta foi calculada como anteriormente considerando o aumento da tarifa de energia de 2% a cada dois anos. A curva em amarelo apresenta o gasto com a energia depois de realizada a instalação fotovoltaica. Durante os três primeiros anos foi considerado um gasto nulo, uma vez que o sistema gera toda a energia necessária para seu consumo e ainda consegue recuperar os créditos equivalentes à energia excedente que é injetada na rede de distribuição. Após estes três anos a energia volta a ser paga, porém com os descontos nas tarifas de uso do sistema de distribuição e transmissão. A curva em vermelho representa o fluxo de lucro obtido com a instalação fotovoltaica, sendo dado pela diferença entre os dois gastos apresentados anteriormente, além de considerar que este dinheiro esta rendendo a uma taxa de juros de 5% ao ano. Finalmente, a curva verde apresenta o retorno obtido com a instalação, ou seja, seu payback, quando esta curva se torna positiva seu investimento passa a ser lucrativo , , , , , , , , Gasto com energia antes da instalação Gasto com energia depois da instalação Fluxo de lucro com a energia fotovoltaica Retorno da instalação Figura 7.18 Simulação do caso com a instalação de painéis monocristalinos na área industrial

73 , , , , , ,00 Gasto com energia antes da instalação Gasto com energia depois da instalação Fluxo de lucro com a energia fotovoltaica Retorno da instalação , Figura 7.19 Simulação do caso com a instalação de painéis policristalinos na área industrial , , ,00 Gasto com energia antes da instalação Gasto com energia depois da instalação ,00 Fluxo de lucro com a energia fotovoltaica Retorno da instalação ,00 Figura 7.20 Simulação do caso com a instalação de painéis de silício amorfo na área industrial Analisando a questão técnica continuamos com a mesma questão apresentada em todos os casos anteriores. A instalação que se utiliza de módulos monocristalinos é a mais eficiente por gerar uma maior energia, porém é a mais onerosa. Enquanto isso,

74 74 a instalação de painéis policristalinos gera praticamente a mesma quantidade de energia, só reduz um pouco por ser um painel de menor pureza em silício, a um custo menor. Em grandes instalações qualquer redução de custo com equipamentos é de grande valia, uma vez que envolve muito dinheiro. A utilização de painéis de silício amorfo, mesmo sendo a configuração de menor eficiência e consequentemente, menor rendimento fotovoltaico, apresentou a melhor relação custo benefício, pelo fato de conseguir gerar energia acima do suficiente para seu consumo a um custo bem menor, o que lhe proporciona um payback mais satisfatório, neste caso de 3 anos.

75 75 8. CONCLUSÃO Neste trabalho foi apresentada uma introdução ao sistema de energia fotovoltaica, assim como uma análise de sua viabilidade econômica frente a sua aplicação em prédios administrativos e áreas industriais. Para tal, utilizou-se o software SMA Sunny Design 2.21 para simular diversos casos apresentados ao longo deste. Através da análise dos casos simulados, concluiu-se que o Brasil pode se tornar um grande gerador de energia fotovoltaica, devido às suas diversas condições favoráveis, como sua extensão e sua localização global. Os investimentos para a utilização desse tipo de energia avançaram com a subida dos preços do petróleo, de forma que a energia fotovoltaica está substituindo os geradores a diesel em equipamentos de monitoramento de pequenas plataformas de petróleo, além de realizarem a proteção catódica para dutos enterrados. Em Mossoró (RN) existe uma unidade piloto de bombeio de petróleo acionado por painéis fotovoltaicos (SAUER, 2006). As análises realizadas tanto no edifício comercial, como na área industrial, mostraram que a utilização de painéis monocristalinos é a mais favorável considerando a visão técnica, por apresentar maior rendimento fotovoltaico, gerando assim maior volume de energia elétrica. Os módulos monocristalinos são fabricados a partir de silício de alta pureza, o que eleva seu rendimento, mas em contrapartida, eleva seu preço. Ao analisar a visão econômica, este panorama se modifica. Os módulos policristalinos tornam-se mais favoráveis que os comentados anteriormente, pois apresentam menor custo para sua aquisição, diminuindo assim o valor a ser investido para implantar o sistema fotovoltaico. Além disso, seu rendimento não é comprometido de forma que afete o sistema. A redução de seu rendimento em relação ao módulo monocristalino é de cerca de 3%. Desta forma, a instalação com módulos policristalinos apresenta uma relação custo-benefício mais atrativa, motivo pelo qual é o sistema mais utilizado na área de geração fotovoltaica. A tecnologia mais recente em energia fotovoltaica são os painéis de filmes finos, sendo que o mais utilizado é o de silício amorfo. Esse tipo de módulo possui um custo extremamente reduzido comparado com os demais, mas o que o impede de ser competitivo com o painel policristalino é seu baixo rendimento. Em situações que a

76 76 área utilizada para realizar a instalação não é um fator determinante este tipo de painel pode se tornar competitivo. Seu custo é reduzido, pois demandam pouca energia e matérias primas na sua fabricação. Sua eficiência com o passar dos anos tem melhorado gradativamente, o que possibilitará no futuro a sua utilização em massa, pois o problema do rendimento será solucionado e junto a este estará associado seu baixo custo de aquisição. No caso industrial, apresentou-se como a configuração mais atrativa, uma vez que conseguiu suprir todo seu consumo a um custo bem reduzido quando comparado às demais configurações. Alguns casos simulados no edifício comercial mostraram que as instalações (principalmente os Casos 4 e 5) no Brasil são favoráveis. Os paybacks encontrados foram satisfatórios comparados com a vida útil do gerador fotovoltaico, em média de 25 anos. Comparando com a aplicação no mercado financeiro da quantia necessária para o investimento do sistema fotovoltaico, nenhum caso simulado é vantajoso, a aplicação do dinheiro se sobressai. Em alguns países este problema é contornado com programas de incentivo para que o retorno financeiro seja possível e vantajosa. Até o momento o preço de um sistema solar fotovoltaico não consegue competir com os valores cobrados pelas concessionárias. Os incentivos geralmente são de difícil acesso ou de pouca aplicabilidade, quando comparados ao potencial desta tecnologia. Portanto, enquanto o Brasil não incluir as tarifas e projetos de incentivos à energia fotovoltaica, a utilização deste sistema ainda será economicamente inviável para ser conectado à rede elétrica se comparado à geração convencional. A Alemanha, país que utiliza a energia fotovoltaica de forma consolidada, também faz uso dos créditos de energia, a diferença entre o Brasil e este está na quantidade de anos em que estes créditos podem ser recuperados. Sua política permite que o consumidor recupere seus créditos de energia em um período de 20 anos, enquanto no Brasil este período é de apenas 3 anos, o que evidencia a evolução que o país precisa ter em relação a esta tecnologia. É importante ressaltar que os sistemas que utilizam a energia solar fotovoltaica no Brasil são autônomos, geralmente para eletrificação rural ou bombeamento de água. De forma resumida, este trabalho mostra como é necessária a inserção de um programa de incentivo ao uso da tecnologia solar fotovoltaica para aumentar a participação da energia solar na matriz energética e melhorar sua competitividade econômica frente às fontes convencionais de geração de energia, além de trazer grandes benefícios ao meio ambiente e à sociedade.

77 77 A seguir são listadas algumas propostas de trabalhos futuros: - Incluir o custo das baterias na análise econômica para instalação de sistemas autônomos. - Avaliar o uso de baterias para suprir carga no horário de ponta. - Realizar a análise econômica para casos onde é possível a venda de energia para a rede. - Realizar o mesmo estudo em prédios administrativos de grande porte. - Aprofundar o estudo entre a comparação de se aplicar o dinheiro ou investir em um sistema fotovoltaico.

78 78 9. APÊNDICE A Exemplo do documento gerado pelo software Sunny Design 2.21 após a simulação. Este é o Caso 1 para prédios administrativos, ou seja, instalação de módulos monocristalinos no telhado do edifício.

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81 APÊNDICE B Exemplo da planilha fornecida para a análise econômica do projeto. Este é o Caso 1, instalação de módulos monocristalinos no telhado do edifício.