Dimensionamento e Viabilidade de Sistema Fotovoltaico On Grid

Dimensionamento e Viabilidade de Sistema Fotovoltaico On Grid Lessa, J. F. J. 1 ; Graduado Engenharia Civil, Pontifícia Universidade Católica de Goiás, Goiânia, Goiás, Brasil Ferreira Barbosa, R. 2 Professor Dr., Pontifícia Universidade Católica de Goiás, Goiânia, Goiás, Brasil 1 jailton.lessa@gmail.com; 2 ricferprof@gmail.com RESUMO: A população mundial e brasileira vem se preocupando a cada ano que passa, com o alto consumo dos recursos naturais para a produção de energia elétrica. Junto a isso, devido ao altíssimo valor de taxa de KW/h pago por energia elétrica, o consumidor individual tem buscado uma alternativa para melhorar todo esse sistema tornando-o mais sustentável e viável. Será abordado o estudo de viabilidade e implementação de um sistema fotovoltaico para geração de energia de fonte solar em residências verticais, utilizando o sistema on grid, onde basicamente cada um gera sua própria energia e a que não for consumida, pode ser distribuída na rede elétrica da região e posteriormente abatida da sua própria conta. Será apresentado um projeto final dimensionado via modelo computacional, juntamente com um estudo prévio de viabilidade do sistema. Palavras-chaves: energia solar 1, on grid 2, sistema fotovoltaico 3, Dimensionamento 4, Viabilidade 5. Área de Concentração: Geração por fontes renováveis 1 INTRODUÇÃO A energia solar é a principal fonte de energia da Terra. As fontes renováveis de energia utilizadas no mundo são de forma direta ou indireta dependentes da energia solar. Seu aproveitamento pode ser feito de forma direta, como no caso do seu uso para aquecimento ou para geração de energia elétrica. Por se localizar na região entre os trópicos, portanto próximo a linha do equador, o Brasil se beneficia de altos índices de radiação solar. Apesar do país possuir um enorme potencial de aproveitamento de energia solar, devido ao seu alto nível de insolação, apenas 0,4% das residências utilizam esta tecnologia. O seu uso no Brasil ainda se encontra pouco desenvolvido, quando comparado com outros países e sua maior participação está localizada no setor residencial. De acordo com o Balanço Energético Nacional o setor residencial foi responsável pelo consumo correspondente a aproximadamente 24% de todo o consumo de energia elétrica do Sistema Integrado Nacional. Uma boa alternativa encontrada no momento atual e para as futuras gerações, seria a geração da própria energia a ser consumida. A adoção desta alternativa como solução para o problema energético, esbarra Sabendo da grande dificuldade de investimentos em infraestrutura que o Brasil vem passando, e com o aumento de consumo energético girando em torno de 5% ao ano, pode-se perceber que em breve o sistema elétrico poderá entrar em colapso, pela a falta de energia para vários consumidores e com vários apagões acontecendo em todas as regiões. Essa falta de energia para grandes consumidores (indústrias), faz com que o pais entre num ciclo vicioso de perdas de investimentos e consequentemente queda do crescimento econômico tão buscado pelos líderes nacionais. Tendo em vista um mercado em crescimento com um alto potencial de retorno, será analisada a viabilidade de implantação de um sistema que ao mesmo tempo em que gera energia elétrica, também gera uma economia no pagamento de sua conta, pois a energia não consumida internamente é enviada para a rede pública, retornando posteriormente como desconto no pagamento da fatura, contribuindo também para a sustentabilidade ecológica do país. 1

2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 2.1 Energia solar fotovoltaica Inicialmente, o desenvolvimento da tecnologia apoiouse na busca, por empresas do setor de telecomunicações, de fontes de energia para sistemas instalados em localidades remotas. O segundo agente impulsionador foi a corrida espacial. A célula solar era, e continua sendo, o meio mais adequado (menor custo e peso) para fornecer a quantidade de energia necessária para longos períodos de permanência no espaço. A crise energética de 1973 renovou e ampliou o interesse em aplicações terrestres. Porém, para tornar economicamente viável essa forma de conversão de energia, seria necessário, naquele momento, reduzir em até 100 vezes o custo de produção das células solares em relação ao daquelas células usadas em explorações espaciais. É notável o impulso que a geração de energia elétrica por conversão fotovoltaica vem recebendo no Brasil nos últimos anos, através de projetos privados e governamentais, atraindo interesse de fabricantes pelo mercado brasileiro. A quantidade de radiação incidente no Brasil é outro fator muito animador para o aproveitamento desta energia. 2.2 Sistema On Grid / Grid Tie Sistema on grid são aqueles de conexão à rede elétrica e caracterizados por estarem integrados à rede elétrica que abastece a população. Diferente dos sistemas isolados (off grid) que atendem a um propósito específico e local, estes sistemas também são capazes de abastecer a rede elétrica, possibilitando o seu uso por qualquer consumidor interligado. Os sistemas conectados têm uma grande vantagem com relação aos isolados, por não utilizarem baterias e controladores de carga. Isso os torna cerca de 30% mais eficientes e também garante que toda a energia seja utilizada, ou localmente, ou em outro ponto interligado. Eles podem ser utilizados tanto para abastecer uma residência, ou simplesmente produzir e injetar a energia no sistema público de distribuição, assim como uma usina hidroelétrica ou térmica. Na configuração mais comum, eles são instalados de tal forma que, quando o gerador solar fornece mais energia do que a necessária para o atendimento da instalação consumidora, o excesso é injetado na rede elétrica: a instalação consumidora acumula um credito energético (o relógio contador típico é bidirecional e neste caso anda para trás). Por outro lado, quando o sistema solar gera menos energia do que a demandada pela instalação consumidora, o déficit é suprido pela rede elétrica. Perdas por transmissão e distribuição, comuns ao sistema tradicional de geração centralizada, são assim minimizados. Outra vantagem destes sistemas é o fato de representarem usinas descentralizadas que não ocupam área extra, pois estão integradas ao envelope da edificação, (RICARDO RUTHER, 2004). A Figura 1 mostra um esquema do sistema descrito. Figura 1 Sistema conectado à rede (introdução a sistemas de energia solar fotovoltaica, 2014). 1 Módulos Fotovoltaicos; 2 Inversor Grid-Tie Transforma a corrente contínua do módulo em corrente alternada de 127V/220V e 60Hz, compatível com a eletricidade da rede; 3 Interruptor de Segurança; 4 Quadro de Luz - distribui energia para casa; 5 A eletricidade alimenta os utensílios e eletrodomésticos; 6 O excedente volta para a rede elétrica através do medidor fazendo-o rodar ao contrario, reduzindo a tarifa de energia elétrica. 3 METODOLOGIA Para o cálculo de dimensionamento do sistema solar adotou-se o modelo de simulação computacional, que consiste em alimentar um programa computacional afim de obter resultados que posteriormente foram analisados. 2

3.1 Local do projeto O local escolhido para o estudo é a Pastoral Dom Fernando, onde pretende-se instalar o sistema. O endereço fica na Avenida Manchester, Jardim das Aroeiras, aqui em Goiânia, Goiás. Sua localização e aproximadamente há 724 metros de altura em relação ao nível do mar, suas coordenadas geográficas são a Latitude -16,8587 e a Longitude -49,1997. Figura 2 Imagem aérea do local de implantação do sistema solar (Google earth, 3.5 Viabilidade O projeto do estudo a instalação dos módulos solares terá um custo (orçamento do projeto) que deverá ser desembolsado logo ao inicio do projeto. Para ajudar fazermos o estudo de viabilidade, se realmente é interessante economicamente fazer o investimento pelo sistema On Grid, usaremos técnicas de análise de investimento. Payback Simples, Valor Presente Líquido (VPL) e Taxa Interna de Retorno (TIR). 3.5.1 Payback 3.2 Estudo dos recursos solares No trabalho, será realizado uma pesquisa sobre os dados dos recursos solares na região do projeto escolhido. A busca será feita em mecanismos como os programas Google Earth e Google Scketch up, os sites IDEAL Instituto para o Desenvolvimento de Energias Alternativas na América Latina, Clima Tempo e INPE Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, com os registros e dados solares será feita a base de dados para o dimensionamento do sistema. 3.3 Sistema de geração distribuída de energia solar O sistema adotado para este trabalho foi o sistema on grid por se tratar de um sistema que permite ao usuário, via resolução nacional da ANEEL, fornecer à concessionaria local a produção excedente de energia, reduzindo assim o custo das contas de energia. 3.4 Projeto de dimensionamento Todo o projeto de dimensionamento, incluindo planta de paginação de módulos solares, planilha de dimensionamento, relatórios PVSYST, planilha de préorçamento e planilha de estudo de viabilidade se encontram no anexo deste trabalho. Payback, ou prazo de recuperação do investimento, é uma das técnicas de análise de investimento mais utilizadas. Esta técnica calcula o período (prazo) que o investidor irá precisar para recuperar o capital investido. Nesse sentido, o payback permeia desde o ciclo de vida do projeto até o ciclo de vida do produto. Talvez por este motivo seja dita como uma metodologia apropriada para projetos com risco elevado. Sob o ponto de vista do payback, o projeto é considerado viável quando o prazo encontrado como resultado do cálculo for menor que o prazo desejado para a recuperação do investimento. 3.5.2 Valor Presente Líquido (VPL) Este método traz a valor presente todos os fluxos de caixa referentes a aplicações e retiradas do projeto (não há necessidade de o fluxo ser constante). Também considera o risco do projeto através da taxa de desconto. Um VPL positivo indica um projeto com lucro. Um VPL negativo indica prejuízo. E um VPL igual a zero significa que o projeto se paga (sem lucro, mas também sem prejuízo). O resultado do VPL é o valor financeiro, ou seja, se positivo indica de quanto é o lucro e se negativo de quanto é o prejuízo. 3.5.3 Taxa Interna de Retorno (TIR) A TIR, em inglês chamada de IRR Internal Rate of Return, tem foco na variável taxa, enquanto o Payback simples tem no variável tempo e o VPL no valor do fluxo de caixa em uma data base. O cálculo da TIR envolve calcular a taxa de juros que tornaria nulo o VPL. 3

A TIR é um número obtido internamente no projeto a partir dos fluxos de caixa esperados. 4 RESULTADOS E DISCUSSÃO Neste tópico, será apresentado os dados, e plantas referentes ao projeto. 4.1 Área para instalação dos painéis solares A área disponível para este projeto é de aproximadamente 800 metros quadrados no telhado da edificação apresentado na figura 9, dividido em duas águas de caimento em telhado de fibrocimento, o que comporta um total de 336 placas solares, quatro fileiras de 84 módulos. 4.2 Recursos Solares Tabela 1 Medidas de Irradiação Solar em Goiânia. IDEAL Instituto para o Desenvolvimento de Energias Alternativas na América Latina. Tabela de irradiação Mês Global (kwh/m 2 /dia) Difusa (kwh/m 2 /dia) Janeiro 6,05 2,67 Fevereiro 6,03 2,22 Março 5,78 1,99 Abril 5,57 1,56 Maio 4,75 1,38 Junho 4,36 1,41 Julho 4,54 1,56 Agosto 5,35 1,77 Setembro 6,28 1,43 Outubro 6,46 1,79 Novembro 5,82 2,32 Dezembro 5,91 2,66 Média Anual 5,58 1,86 4.3 Orientação do arranjo fotovoltaico Os módulos fotovoltaicos foram dispostos no telhado no sentido Leste à Oeste, uma vez que o edifício está no sentido Norte à Sul, a inclinação adotada para os módulos fotovoltaicos foi a mesma do telhado, 15º. Figura 3 Simulação computacional, (PVSYST, Foi feito um estudo adicional no programa Google Skecth Up que nos permite fazer um desenho em 3D simulando a edificação, juntamente a isto existe uma ferramenta onde fazemos o georreferenciamento do desenho de acordo com coordenadas geográficas reais do local de onde foi feito o estudo. Esta analise no programa nos permite fazer uma simulação da incidência de luz solar e sombreamento sobre a edificação, em diferentes horários e meses do ano, para compararmos e analisar qual será o mês de maior produção de energia. Figura 4 Simulação computacional, 8h da manhã, mês de dezembro (Google skecth up, Figura 5 Simulação computacional, 8h da manhã, mês de agosto (Google skecth up, 4

O programa PVSYST também gera um estudo em 3d das possíveis sombras que venham a atrapalhar com sombra, anulando a produção de energia da string. O estudo é muito importante pois sombras de árvores e outros elementos podem ocasionar uma perda significativa na produção de energia. Figura 6 Simulação computacional, (PVSYST, A energia também pode ser mensurada em econômica de emissões de gás carbônico, o programa fez uma estimativa de aproximadamente 119 toneladas serão evitadas de ser lançadas no meio ambiente em 20 anos. 4.5 Orçamento Final O orçamento final do projeto de implementação do sistema fotovoltaico on grid, com a aquisição dos equipamentos e instalação dos módulos, inversores e String Box no bloco Nossa Senhora Aparecida do Complexo Dom Fernando em Goiânia, ficou em R$ 442.355,80 reais, com o custo por Kwp instalado de R$ 5.063,60 reis, orçamento detalhado no anexo. Figura 8 Orçamento (EXCEL, 4.4 Produção estimada de energia A produção estimada do sistema calculada por simulação computacional ficou em 141.000 KWh por ano. A demanda total do usuário, média feita com analise de dados das contas de energia do ano de 2015, ficou em 231.000 KWh por ano. Figura 7 Média de consumo (Contas de energia, 4.6 Viabilidade 4.11.1 Payback O valor total investido é de R$ 442.355. O valor total economizado por ano é de R$ 122.210,49. O payback do investimento é de aproximadamente 3,61 anos. Figura 9 Estimativa de Payback (EXCEL, A potência total da usina é de 87,36 kwp e a energia produzida será o suficiente para suprir por média 60% do consumo de energia mensal, consequentemente sendo creditado na fatura de energia. 5

4.11.2 Valor Presente Líquido (VPL), O Valor Presente líquido do projeto, tanto no prazo de 5 e 10 anos de tornou viável, pois ambos deram resultados positivos para ambas estimativas. Figura 10 Estimativa de VPL e TIR (EXCEL, 4.11.3 Taxa Interna de Retorno (TIR) A Taxa Interna de Retorno, propomos uma estimativa de 10% como taxa, em ambas simulações de 5 e 10 anos o projeto se tornou viável, pois apresentaram 11,83% e 24,55% respectivamente como resultados superiores ao retorno proposto em calculo. 5 CONCLUSÕES Sabendo da grande dificuldade de investimentos em infraestrutura que o Brasil vem passando, e com o aumento de consumo energético girando em torno de 5% ao ano, pode-se perceber que em breve o país poderá entrar em colapso, pela a falta de energia para vários consumidores e com vários apagões acontecendo em todas as regiões. Essa falta de energia para grandes consumidores (indústrias), faz com que o pais entre num ciclo vicioso de perdas de investimentos e consequentemente queda do crescimento econômico tão buscado pelos líderes nacionais. Retornando posteriormente como desconto no pagamento, contribuindo também para a sustentabilidade ecológica do país. 6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS MARTÍN, Nuria; FERNÁNDEZ, Ignacio. Técnicas de vedação fotovoltaica na arquitetura. Porto Alegre, Bookman, 2010 ZILLES, Roberto; NEGRÃO, Wilson; ANDRÉ, Marcos; HENRIQUE, Sérgio. Sistemas fotovoltaicos conectados à rede elétrica. São Paulo, Oficina de textos, 2012 BUENO, Enio; RAMOS, Fernando; LUNA, Samuel; RUTHER, Ricardo. Atlas brasileiro de energia solar. São José dos Campos, Swera, 2006 RUTHER, Ricardo. Edifícios solares fotovoltaicos: o potencial da geração solar fotovoltaica integrada a edificações urbanas e interligadas à rede elétrica publica no Brasil. Florianópolis, UFSC / Labsolar, 2004 CRESESB, Manual de engenharia para sistemas fotovoltaicos, Rio de Janeiro, CRESESB, 1999 PINI, Infraestrutura urbana e soluções técnicas, São Paulo, PINI, 2014 NORMA TÉCNICA CELG D, Requisitos para Conexão de Microgeradores e Minigeradores ao Sistema de Distribuição da CELG D, Especificação e Padronização, NTC-71 Revisão 1, Goiânia, CELG, 2014 ANEEL, Micro e minigeração distribuída : sistema de compensação de energia elétrica / Agência Nacional de Energia Elétrica. Brasília : ANEEL, 2014. SOLAR, Portal. Energia Renovável. Virtual Books, 2000. Disponível em: <http://www.portalsolar.com.br/blog/energiarenovavel/energia-renovavel.html>. Acesso em: 10 nov. 2015, 16:30:30> ENERGIA, Ambiente. Economia Verde, 2015. Disponível em: < https://www.ambienteenergia.com.br/economiaverde>. Acesso em: 23 out. 2015, 22:20:30> SOLAR, Canadian. DataSheet. Virtual Books, 2014. Disponível em: < http://www.canadiansolar.com/solar-panels/cs6xp.html>. Acesso em: 02 nov. 2015, 04:30:30> SOLAR, Jinko. DataSheet. Virtual Books, 2014. Disponível em: < http://www.jinkosolar.com/index.html?lan=pt>. Acesso em: 25 nov. 2015, 18:30:30> POWER, Abb. DataSheet. Virtual Books, 2015. Disponível em: <http://www.abb.com.br/product/pt/9aac172308.aspx? country=br>. Acesso em: 13 set. 2015, 10:30:30> Tendo em vista um mercado em crescimento com um alto potencial de retorno, será analisada a viabilidade de implantação de um sistema que ao mesmo tempo em que gera energia elétrica, também gera uma economia no pagamento de sua conta, pois a energia não consumida internamente é enviada para a rede pública, 6