UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICA CURSO DE ENGENHARIA INDUSTRIAL ELÉTRICA / ELETROTÉCNICA GUILHERME ALFREDO HOBMEIR TIRAPELLE LAÍS BOTASSARI MURA LUCAS FRAZÃO ANÁLISE DA VIABILIDADE TÉCNICA DE PAINÉIS SOLARES FOTOVOLTAICOS CONECTADOS À REDE COM BACKUP DE ENERGIA INSTALADOS EM POSTOS DE COMBUSTÍVEIS TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO CURITIBA 2011
1 GUILHERME ALFREDO HOBMEIR TIRAPELLE LAÍS BOTASSARI MURA LUCAS FRAZÃO ANÁLISE DA VIABILIDADE TÉCNICA DE PAINÉIS SOLARES FOTOVOLTAICOS CONECTADOS À REDE COM BACKUP DE ENERGIA INSTALADOS EM POSTOS DE COMBUSTÍVEIS Proposta de Trabalho de Conclusão de Curso de Graduação, apresentado à disciplina de Metodologia aplicada ao TCC, do curso de Engenharia Industrial Elétrica Ênfase em Eletrotécnica do Departamento Acadêmico de Eletrotécnica (DAELT) da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR), como requisito parcial para obtenção do título de Engenheiro Eletricista. Orientador: Prof. Jair Urbanetz Junior, Dr. CURITIBA 2011
2 SUMÁRIO 1 TEMA...3 1.1 DELIMITAÇÃO DO TEMA...4 1.2 PROBLEMAS E PREMISSAS...4 1.3 OBJETIVO GERAL...5 1.3.1 OBJETIVOS ESPECÍFICOS...5 1.4 JUSTIFICATIVA...5 1.5 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS...6 1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO...7 1.7 CRONOGRAMA...8 2 REFERENCIAL TEÓRICO...9 2.1 RADIAÇÃO SOLAR...9 2.2 EFEITO FOTOVOLTAICO...9 2.3 SISTEMAS FOTOVOLTAICOS CONECTADOS À REDE...9 2.4 SISTEMAS DE BACKUP DE ENERGIA...10 2.5 ACUMULADORES DE ENERGIA...10 REFERÊNCIAS...11
3 1 TEMA Sobre a superfície da terra incide diariamente mais energia proveniente do sol do que a total demanda de toda a população habitante do planeta ao longo de um ano. A energia solar possui variadas aplicações e a geração direta da energia elétrica através do efeito fotovoltaico se caracteriza como uma das formas mais interessantes de gerar potência elétrica. Atualmente o Brasil ainda se encontra muito dependente de duas fontes de energia: a hídrica e a térmica a gás natural, o que após o racionamento de energia elétrica ocorrido no ano de 2001 verificou-se a necessidade da diversificação da matriz energética brasileira. A diversificação não é só uma exigência da segurança do sistema mas também da necessidade de incluir fontes mais limpas de energia na matriz de energia do Brasil. A maior parte da energia elétrica brasileira é proveniente das usinas hidrelétricas, que respondem por 66,11% (ANEEL, 2011) da produção de energia elétrica que apesar de serem consideradas baixas emissoras de poluentes ocasionam consideráveis impactos ambientais. A situação atual da geração hidrelétrica brasileira se encontra em um estado de estagnação produtiva e, portanto é necessário que se procure fontes alternativas de energia como a energia fotovoltaica. Segundo Ricardo Rüther (2004) o potencial da energia solar fotovoltaica no Brasil é muitas vezes superior ao consumo total de energia elétrica do país. É mais coerente a aplicação de sistemas solares fotovoltaicos conectados à rede em edificações comerciais por causa da finalidade que se destinam essas edificações,principalmente em períodos de calor intenso, onde a demanda por energia elétrica aumenta em conseqüência da grande utilização de sistemas de ar condicionado, refrigeradores de alimentos perecíveis, assim o sistema fotovoltaico gera energia elétrica a valores máximos fazendo com que a concessionária não sobrecarregue seu sistema elétrico e o consumidor que possui o sistema fotovoltaico instalado diminua seu consumo de energia elétrica. Dessa forma, motivado pelo interesse no desenvolvimento desta tecnologia, na viabilidade e utilização do sistema no mercado comercial de postos de combustíveis desenvolve-se essa pesquisa.
4 1.1 DELIMITAÇÃO DO TEMA Em sistemas fotovoltaicos conectados à rede com backup de energia é necessário no local onde será instalado o sistema um espaço adequado onde se situará o banco de baterias, quanto maior a quantidade de baterias, maior será o potencial de armazenamento de energia elétrica. Outro delimitante é o custo com a infra-estrutura do local onde ficará o banco de baterias, assim como o investimento disponível para a instalação de todo o sistema fotovoltaico. Na presente pesquisa proposta, deve se levar em consideração a área disponível para a instalação dos painéis fotovoltaicos, ou seja, como o sistema será instalado na cobertura de postos de combustíveis, fica-se limitado a área de cobertura disponível no posto de combustível. 1.2 PROBLEMAS E PREMISSAS No Brasil, a tecnologia fotovoltaica ainda não conseguiu superar sua principal barreira, a econômica, porque a energia gerada pelos módulos fotovoltaicas continua possuindo um custo muito superior à gerada pelas hidrelétricas, principal fonte de matriz elétrica nacional. Existem alguns incentivos fiscais para alguns equipamentos fotovoltaicos. De acordo com (International energy initiative), os dois impostos mais relevantes que incentivam o uso de alguns equipamentos fotovoltaicos são o Imposto sobre Circulação de Mercadorias e Prestação de Serviços (ICMS), de competência estadual, e o Imposto sobre Produtos Industrializados (IPI), de competência federal. Mas não são o suficiente para que o Brasil tenha uma grande quantidade de geração distribuída. O custo elevado também esta presente em outros países como Espanha e a Alemanha, com matrizes energéticas diversas da brasileira, sendo que isso não se constituiu em fator impeditivo para que nesses países se desenvolvesse um forte mercado fotovoltaico. Isso se deve à adoção de programas de incentivos que os governos locais deram para o crescimento da indústria e depois para os consumidores. Mesmo sem uma legislação eficiente, baixo grau de nacionalização e
5 falta de conhecimento da tecnologia por setores estratégicos do governo, grandes investidores já estão investindo pesadamente nessa tecnológica, como o empresário brasileiro, Eike Batista, que investiu R$ 10 milhões, na usina solar no Ceará com capacidade de instalada de 1MWp 1 (Revista Exame Info 2011). 1.3 OBJETIVO GERAL Avaliar as condições técnicas da implantação de painéis solares fotovoltaicos no setor comercial, tanto sob aspecto da geração de energia quanto sob o aspecto de confiabilidade com o uso de acumuladores ou com gerador a diesel em conjunto com o sistema. 1.3.1 OBJETIVOS ESPECÍFICOS Elaborar uma análise de viabilidade técnica e econômica da instalação do sistema fotovoltaico no setor comercial e suas vantagens e prejuízos. Elaborar análise de viabilidade técnica e econômica para instalação de acumuladores de energia e suas vantagens e prejuízos. Elaborar análise da viabilidade técnica e econômica para instalação de geradores a diesel. 1.4 JUSTIFICATIVA A questão energética sempre foi rodeada de polêmicas e preocupações de âmbito econômico, tecnológico e ambiental. Sendo uma das bases para o desenvolvimento é cada vez mais importante a inovação e diversificação na forma de produção da energia para que esta atenda à crescente necessidade energética e para que toda a população consiga ter acesso a energia elétrica. A produção de energia elétrica a partir de células fotovoltaicas tem perspectivas promissoras. É 1 Wp: Watt-pico é uma medida de potência energética.o valor de Wp de um determinado sistema fotovoltaico que funcione em corrente contínua é a potência medida, quando este sistema é irradiado por uma luz que simula a luz solar com a potência de 1000 W, à temperatura de 25 C.
6 cada vez mais utilizada em todo o mundo, principalmente em países europeus. O preço dos painéis fotovoltaicos tem diminuído, o rendimento destes tem aumentado e há inúmeras pesquisas em andamento que proporcionarão uma grande evolução tecnológica nesse ramo. O Brasil possui excelentes condições de irradiação solar para propiciar a expansão dessa fonte de energia em todo o território nacional, embora a maior parte das aplicações existentes situam-se em comunidade isoladas e áreas rurais essa tecnologia tem expandido suas aplicações em grandes cidades.a integração de painéis solares fotovoltaicos conectados à rede elétrica para atendimento de consumidores comerciais, paralelamente ao fornecimento de energia elétrica das companhias distribuidoras não é explorada em larga escala no Brasil. Tendo em vista o alto consumo da energia em postos de gasolina, na parte de bombeamento, iluminação, refrigeração, conveniência e em toda a parte operacional. 1.5 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS Primeiramente será feita a pesquisa de referencial teórico sobre sistema fotovoltaico conectado a rede e backup de energia, seu desempenho, custo, como desenvolver o projeto e a instalação, e sua viabilidade técnica. O material de apoio deve ser retirado de bibliografia especializada, revistas, artigos, internet, site de fabricantes, catálogos e ainda especialistas na área. Em paralelo com a parte teórica do projeto, será feito o estudo do comportamento de consumo de energia em um posto de combustível modelo e análise de área disponível para a implantação do sistema fotovoltaico. Essas informações requerem levantamento de dados por meio de medições constantes no medidor da concessionária, além de visitas em diferentes horas do dia e do ano para a análise de irradiação solar no local. Uma vez conhecida a informação necessária para o desenvolvimento do projeto e análise de benefícios, a comparação de backup de energia será feita entre os acumuladores, que poderiam agregar ao sistema fotovoltaico conectado, e os grupos motores geradores os quais são comumente usados no Brasil com essa finalidade.
7 O estudo teórico de implantação dessa tecnologia, a análise e comparativo entre duas fontes de backup juntamente com dados reais provenientes do posto de combustível modelo nos levam a vivencia de um Engenheiro Eletricista em plena atuação no mercado de trabalho. 1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO Este trabalho será composto por cinco capítulos principais, que apresentarão de forma geral a tecnologia do sistema fotovoltaico conectado à rede e a comparação entre duas possíveis formas de backup de energia para garantir a confiabilidade do sistema elétrico. O primeiro será uma introdução geral sobre a abordagem da proposta, expondo o caso proposto, os objetivos de melhoria e a justificativa. Também explica o método de pesquisa elaborado para o desenvolvimento desse projeto. O segundo capítulo será abordado os referenciais teóricos sobre sistemas fotovoltaicos conectados, conceitos de irradiação solar, tarifação do posto modelo, sistemas de backup de energia, acumuladores e grupos motor-gerador a diesel. O terceiro será destinado ao desenvolvimento do projeto, relatando os dados obtidos com o monitoramento do consumo de energia pelo posto, gráficos de médias climáticas recolhidas durante o verão e o inverno, além de mostrar os princípios de funcionamento dos sistemas fotovoltaicos, e a utilização do mesmo para a economia de energia. O quarto é sobre a análise dos resultados obtidos através das medições e simulações, além da comparação entre o melhor sistema de backup de energia proposto. E no quinto, baseado na experiência adquirida ao longo da pesquisa realizada e do desenvolvimento do projeto, serão escritas as considerações finais do trabalho.
8 1.7 CRONOGRAMA 2012 2011 DEZ NOV OUT SET AGO JUL JUN MAI ABR MAR FEV JAN DEZ NOV OUT SET AGO Atividade 1. Levantamento de bibliografia para proposta 2. Elaboração da proposta 3. Revisão de acordo com comentários da banca 4. Pesquisa de fundamentação teórica 5. Redação da monografia 6. Estudo de caso, levantamento de dados no posto modelo 7. Análise e comparação de dados 8. Conclusões e considerações finais 9. Concepção e elaboração do artigo 10. Elaboração e encaminhamento de material para defesa final 11. Montagem da apresentação para defesa final 12. Defesa do Trabalho de Conclusão de Curso 13. Correções pó defesa final 14. Elaboração e encaminhamento de material final
9 2 REFERENCIAL TEÓRICO 2.1 RADIAÇÃO SOLAR Anualmente o planeta Terra recebe 1,5 x 1018 kwh de energia solar, valor 10.000 vezes maior que o consumo mundial de energia neste período. Este fato indica que, além de ser responsável pela manutenção da vida na Terra, a radiação solar representa uma inesgotável fonte energética, possuindo assim um enorme potencial de utilização por meio de sistemas de captação e conversão em outra forma de energia (térmica, elétrica etc.). Uma das possíveis formas de conversão da energia solar é conseguida através do efeito fotovoltaico que ocorre em dispositivos conhecidos como células fotovoltaicas. (Grupo de Trabalho de Energia Solar, 2004) 2.2 EFEITO FOTOVOLTAICO Existem materiais na natureza classificados como semicondutores, que são constituídos de uma faixa de valência totalmente preenchida por elétrons e uma faixa de condução totalmente vazia à temperaturas muito baixas. A separação entre as duas faixas de energia permitida dos semicondutores ( gap de energia ) é da ordem de 1 ev 2, o que os diferencia dos isolantes onde o gap é de vários evs. Como conseqüência desse fato os semicondutores apresentem várias características interessantes. Uma dessas características é o aumento de sua condutividade com a temperatura, devido à excitação térmica de portadores da faixa de valência para a faixa de condução. (Grupo de Trabalho de Energia Solar, 2004) 2.3 SISTEMAS FOTOVOLTAICOS CONECTADOS À REDE Sistemas basicamente de um único tipo, são sistemas em que o conjunto fotovoltaico representa uma fonte complementar ao sistema elétrico de grande porte 2 ev: O elétron volt é uma unidade de medida de energia. Por definição um elétron-volt é a quantidade de energia cinética ganha por um único elétron quando acelerado por uma diferença de potencial elétrico de um volt, no vácuo.
10 ao qual está conectado. Normalmente não utilizam sistema de backup de energia, pois toda a potência gerada é entregue à rede instantaneamente. Instalações deste tipo vêm se tornando cada dia mais populares em diversos países europeus, no Japão, Estados Unidos e mais recentemente no Brasil. As potências instaladas vão desde poucos kwp em instalações residenciais, até alguns MWp em grandes sistemas operados por empresas. (Grupo de Trabalho de Energia Solar, 2004) 2.4 SISTEMAS DE BACKUP DE ENERGIA Falta de energia elétrica pode ser causada por vários motivos, como tempestades, terremotos, queda de árvores, queda de raio, vários acidentes, alta demanda ou falhas de equipamento. Se por qualquer razão uma planta falhar ou se desconecta da rede, as plantas restantes têm que suportar uma carga extra. Se todas as outras estão operando perto de sua capacidade máxima e não puder lidar com a carga extra, eles podem desligar automaticamente a partir da rede também. Isso pode causar um efeito cascata resultando um apagão generalizado. Sistemas de backup de emergência podem fornecer eletricidade para os circuitos críticos ou toda uma casa durante os blecautes. Esses sistemas tipicamente incluem tanto um grupo gerador ou um banco de baterias. (GENETATORS, 2006) 2.5 ACUMULADORES DE ENERGIA Tal como acontece nas pilhas, um acumulador também fornece electricidade, transformando a energia química em energia elétrica. A grande diferença em relação às pilhas, é que consegue com que este seja um processo reversível, ou seja, depois de toda a energia química ter sido transformada em energia elétrica, podemos novamente repetir este processo, se o acumulador for recarregado. ( TECNOLOGIA DO GLOBO, 2011)
11 REFERÊNCIAS ANEEL, Matriz de Energia Elétrica, Disponível em: http://www.aneel.gov.br/aplicacoes/capacidadebrasil/operacaocapacidadebrasil.asp, Curitiba, Acessado em: Setembro de 2011. RÜTHER,Ricardo, Edifícios Solares Fotovoltaicos, Florianópolis, 1ª Edição, Editora UFSC,2004. JANNUZZI, Prof. Dr. Gilberto de Martino, RELATÓRIO FINAL, Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede Elétrica no Brasil: Panorama da Atual Legislação, International energy initiative, Disponível em: http://www.fem.unicamp.br/~jannuzzi/documents/relatorio_projeto_2_final.pdf Curitiba, Acessado em: Setembro de 2011. LISTA JÚNIOR, Orlando, Programa interunidades de pós- graduação em energia, Universidade de São Paulo, Disponível em: http://www.iee.usp.br/biblioteca/producao/2006/teses/teseorlando.pdf Curitiba, Acessado em: Setembro de 2011. Grupo de Trabalho de Energia Solar(GTES),Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos, Rio de Janeiro, 1ª Edição, Editora Ediouro,2004. INFO, Revista Exame, Tecnologias verdes, Usina solar entra em funcionamento no Ceará, Disponível em: http://info.abril.com.br/noticias/tecnologias-verdes/usina-solar-entra-em-funcionamento-noceara-04082011-35.shl Curitiba, Acessado em: Setembro de 2011. GENERATORS, Lazar s Guide to Electric Generators and other Backups Power Systems, Disponível em http://www.generators.smps.us/, Curitiba, Acessado em: Setembro de 2011.
12 TECNOLOGIA DO GLOBO, Qual a diferença entre uma pilha, um acumulador e uma bateria, Disponível em http://www.tecnologiadoglobo.com/2011/09/qualdiferenca-entre-pilha-acumulador-bateria/, Curitiba, Acessado em: Setembro de 2011.