ENERGIA SOLAR - FOTOVOLTAICA

Orientadora: NOVA MUTUM 2018 NOME ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA: Estudo de um projeto em Nova Mutum de uma residência consumidora de 300kwh/mês Trabalho de Conclusão de Curso apresentada à Comissão Avaliadora como requisito parcial para obtenção do Titulo de Técnico em Eletrotécnica Modalidade do Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial, SENAI – MT, com nota final igual à__________conferida pela Banca Examinadora formada pelos professores: Aprovado em_____ de __________de 2018. COMISSÃO AVALIADORA: _______________________________ Orientador: _______________________________ Coordenadora _______________________________ Professor:________________ Dedicamos este trabalho às nossa famílias que demonstraram compreensão imensurável diante das nossas dificuldades, especialmente aos nossos professores e a orientadora. AGRADECIMENTOS Agradecemos a Deus por ter nos fortalecido ao ponto de superar nossas dificuldades e também por toda saúde que nos deu e que permitiu alcançar esta etapa tão importante das nossas vida.

RESUMO A preocupação com as questões ambientais vem crescendo, cada vez mais, nos últimos anos, devido a crescente degradação e o desenvolvimento de atividades danosas ao meio ambiente e a saúde pública, principalmente, nos centros urbanos. O setor energético é responsável por lançar uma grande quantidade de gases e partículas poluentes na atmosfera, uma vez que, a matriz energética brasileira depende diretamente de fontes não renováveis de energia, como os combustíveis fósseis. Amid the backdrop of the energy crisis, the need arises to get alternative and renewable sources of energy, which may act to reduce the impacts on demand and supply on minimizing dependence on polluting sources. The photovoltaic solar energy is considered an excellent choice for the brazilian energy matrix as a renewable and clean source of power generation.

By this question, the present work has as its main objective to present this alternative and elaborate a project of photovoltaic system connected to the network to a residence located in the municipality of Nova Mutum. The main results showed that photovoltaic solar energy represents a viable and promising option, able to meet the demand of the residence, generating surplus up for months with low production. Concluding that this type of font can be responsible for lower costs, promote an economy and a gross gain of almost three times the value of investing in order to reduce, also, the concern with environmental issues. dia) PP Peso de um painel (kg) NP Número de painéis ηp Eficiência do sistema (%) TD Taxa de desempenho do sistema (%) SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO 11 1.

PROBLEMATIZAÇÃO 11 1. OBJETIVOS 12 1. Objetivo Geral 12 1. Objetivos Específicos 12 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 13 2. Vantagens do uso da energia solar 26 4 PROGRAMAS DE INCENTIVO A GERAÇÃO FOTOVOLTAICA 27 4. Sistema de Compensação de Energia 27 5 METODOLOGIA 30 5. CARACTERIZAÇÃO DA ÁREA DE ESTUDO 30 5. A POTÊNCIA INSTALADA NECESSÁRIA PARA SUPRIR A DEMANDA 31 5. ESCOLHA DO MÓDULO FOTOVOLTAICO 32 5. Por esta questão, é necessário estabelecer estudos que possam comprovar a eficiência ou aplicabilidade de novas fontes descobertas (solar, eólica e biomassa), que ainda são poucos exploradas no território brasileiro (SILVA, 2015). De modo a demonstrar se estas fontes constituem ou não alternativas viáveis, nos três níveis: ambiental, econômico e social. A hidrelétrica apesar de representar uma fonte renovável, responsável por produzir energia a partir da força das águas, não pode ser considerada como a alternativa menos danosa ao ambiente, uma vez que, gera inúmeros impactos sobre os ecossistemas, com a construção de estruturas e consequentemente, desmatamento (NAKABAYASHI, 2015).

Em razão desta problemática, o trabalho visa avaliar se a energia fotovoltaica representa uma alternativa a produção de energia, visto que, de acordo com estudos, esta fonte é capaz de se adequar a malha urbana, sem exigir muitas alterações ou grandes espaços, não gerando, portanto, impactos negativos. OBJETIVOS 1. Enquanto que a biomassa pode ser definida como o processo de geração de energia por meio da decomposição de materiais orgânicos (resto de alimentos, resíduos agrícolas, entre outros) (VILLALVA; GAZOLI, 2012). A energia geotérmica visa o aproveitamento do calor terrestre para a produção de energia, ou seja, aquela obtida a partir do calor proveniente do interior da Terra. Já a energia solar tem como finalidade o aproveitamento do Sol e consequentemente, das radiações solares emitidas pelo mesmo (VILLALVA; GAZOLI, 2012).

As energias renováveis estão constantemente associadas ao conceito de fontes limpas, visto que tendem a proporcionar impactos ambientais menores, comparados aos resultantes das fontes não renováveis como, por exemplo, os combustíveis fósseis (VILLALVA; GAZOLI, 2012). Não contribuindo assim, para o esgotamento de recursos ou para emissão de gases poluentes e partículas na atmosfera. Os corpos celestes deste sistema giram ao entorno do sol, que representa a principal fonte de energia na Terra, onde todos os processos físicos, químicos e biológicos que ocorrem na natureza sofrem interferência, seja direta ou indiretamente, da luz solar (PINHO; GALDINO, 2014). Sendo assim, o Sol constitui a fonte primária de energia da Terra, uma vez que, todos os organismos vivos dependem diretamente do mesmo para realizar suas funções vitais.

É, também, a partir deste recurso que a maioria das fontes de energia são formadas, o petróleo, o carvão e os combustíveis fósseis, visto que resultam da decomposição de plantas e animais, que utilizaram a energia proveniente do sol para o seu desenvolvimento (SANTOS, 2009). Com o passar dos anos, a preocupação com as questões ambientais e a busca por novas fontes alternativas de energia, proporcionaram estudos voltados a exploração e utilização do potencial da luz solar para a geração de energia elétrica (PINHO; GALDINO, 2014). Por meio dos avanços tecnológicos constatou-se que o Sol fornece cerca de 1,515 x 1018 kWh de energia à atmosfera terrestre, que pode ser aproveitada (NETO; CARVALHO, 2012). Posteriormente, em 1887, o mesmo fenômeno foi observado em um dispositivo sólido, fabricado a partir do mineral de selênio, por dois inventores norte-americanos, Adams e Day (PINHO; GALDINO, 2014).

Os quais utilizaram as propriedades fotocondutoras do selênio para desenvolver o primeiro dispositivo sólido de produção de eletricidade por exposição a luz (SANTOS; PEREIRA JÚNIOR; SANTOS, 2013). O conceito sobre o termo “efeito fotovoltaico” foi sendo estabelecido ao longo dos anos e se fortalecendo com base no desenvolvimento de estudos voltados a conversão da energia solar para aproveitamento energético. Com isso, o efeito fotovoltaico passou a ser definido como a conversão direta da luz (energia solar) em eletricidade (energia elétrica), por meio de dispositivos fotovoltaicos, caracterizados como materiais semicondutores (PINHO; GALDINO, 2014). De acordo com Villalva e Gazoli (2012), quando a luz incide sobre uma placa formada por materiais semicondutores, é gerada uma diferença de potencial, que promove a formação de corrente elétrica.

Inicialmente, as células são ligadas em série ou em paralelo, constituindo os famosos módulos ou painéis fotovoltaicos, que são responsáveis por absorver a radiação requerida (PROENÇA, 2007). Essa associação permite a produção de dezenas de watts e o tipo de agrupamento dependerá das características elétricas requeridas (RUTHER, 2004). A corrente elétrica gerada pelos módulos fotovoltaicos em corrente continua (CC) é convertida em corrente alternada (CA), por meio de um inversor, posteriormente, é injetada diretamente na rede elétrica de baixa tensão do consumidor, servindo para suprir o consumo de seu usuário (SANTOS; PEREIRA JÚNIOR; SANTOS, 2013). A potência total é dada pela soma da potência nominal de cada módulo (RUTHER, 2004). A orientação dos painéis solares representa um fator importante, responsável por determinar a eficiência da geração de energia elétrica nos sistemas fotovoltaicos.

Geralmente, os sistemas fotovoltaicos conectados à rede são utilizados em locais já atendidos pela rede elétrica e atuam reduzindo ou eliminando o consumo proveniente da rede pública. A energia produzida é consumida em tempo real pela carga ou injetada na rede elétrica para que seja utilizada por outros consumidores do sistema de distribuição (MACHADO; CORREA, 2015). Quando há excedente de energia, em que a geração solar fotovoltaica é superior a demanda, a mesma é armazenada na rede elétrica, gerando descontos, créditos de energia e a redução do consumo na distribuidora. Já quando a geração se encontra inferior a demanda, o valor a ser pago será resultante da diferença entre o consumido e o produzido (MACHADO; CORREA, 2015). Estes sistemas ainda podem ser classificados em centralizados ou distribuídos.

Para a composição da célula, estas duas camadas são aliadas a uma grade de coletores metálicos na parte superior e uma base metálica inferior, como é possível observar na Figura 2, que demonstra sua montagem (VILLALVA; GAZOLI, 2012). Figura 2 – Estrutura básica de uma célula fotovoltaica Fonte: VILLALVA; GAZOLI (2012, p. Em uma célula fotovoltaica, a base metálica é constituída por uma película de alumínio ou de prata, enquanto que na parte superior, há a presença de uma fina grade metálica translúcida. Podendo ainda contar com uma camada de material antirreflexivo, geralmente, produzida em nitreto de silício ou de dióxido de titânio, com o objetivo de evitar a reflexão e aumentar a absorção de luz pela célula (VILLALVA; GAZOLI, 2012).

A corrente elétrica, produzida pelas células fotovoltaicas, pode ser utilizada para diversas finalidades como: alimentar aparelhos elétricos; carregar baterias; fornecer eletricidade para a rede elétrica e assim, para cidades, bairros e/ou ruas; entre outras infinitas aplicações (TOLMASQUIM, 2016). Enquanto que as células de silício policristalino são menos onerosas, responsáveis por uma eficiência que pode variar de 13% a 15%, apresentado o formato quadrado, com o tamanho entre 10x10cm², 12,5x12,5cm² e 15x15 cm², e espessura por volta de 0,3mm (DGS, 2005). Possuem uma aparência heterógena, podendo apresentar, muitas vezes, manchas em sua coloração, devido ao tipo de silício empregado em sua fabricação. A coloração destes tipos de células é azul, que também poderá vir a variar (VILLALVA; GAZOLI, 2012).

Já as células de filmes finos representam as tecnologias mais recentes de células fotovoltaicas (VILLALVA; GAZOLI, 2012). Os módulos de filmes finos são formados por uma única e grande célula, a qual é fabricada de acordo com a dimensão do módulo desejado. Porém, além dos módulos conectados em série, os sistemas fotovoltaicos podem empregar módulos em paralelo para a produção da energia desejada. Os conjuntos de módulos em paralelo são normalmente aplicados em sistemas fotovoltaicos autônomos, que operem com tensões mais baixas e, a corrente fornecida pelo conjunto é resultante da soma das correntes dos módulos (VILLALVA; GAZOLI, 2012). Em alguns casos, para aumentar a potência do sistema, os conjuntos de módulos em série podem ser acrescentados em paralelo, aumentando o nível da corrente elétrica e tensão obtida (TOLMASQUIM, 2016).

Além das características de ligações elétricas, a composição de um módulo solar fotovoltaico típico, estabelece alguns requisitos, de forma que sua estrutura, geralmente, é baseada de acordo com a Figura 3 (VILLALVA; GAZOLI, 2012). Fonte: VILLALVA; GAZOLI (2012, p. Inversor O inversor consiste em um equipamento eletrônico, que fornece energia elétrica em corrente alternada (c. a. a partir da conversão da corrente continua (c. c. A energia c. Dispositivo de proteção Os dispositivos de proteção contribuem para a minimização, neutralização e eliminação de falhas, sendo exigidos como componentes dos sistemas fotovoltaicos. Devem ser aplicados, por exemplo, dispositivos de proteção integrados aos equipamentos, bem como instalação de outros tipos de dispositivos externos, como disjuntores, dispositivos de proteção contra surtos (DPS), sistemas de aterramento e sistemas de proteção contra descargas atmosféricas (SPDA) (PINHO; GALDINO, 2014).

Os sistemas fotovoltaicos que se encontram conectados à rede, são obrigados pelas normas da ANEEL, a realizar a instalação de uma chave seccionadora sob carga, no caso, após o medidor, com o objetivo de garantir a desconexão da geração fotovoltaica durante procedimentos de manutenção estabelecidos na rede (PINHO; GALDINO, 2014). Vantagens do uso da energia solar A energia fotovoltaica representa uma fonte alternativa considerada limpa e inesgotável, por esta questão, suas principais vantagens estão associadas ao baixo impacto ambiental (FRANCO, 2013). Além disso, constitui uma das tecnologias mais viáveis para a aplicação no ambiente urbano, devido a sua capacidade de integração às edificações (FRANCO, 2013). Com o objetivo de incentivar, a médio ou longo prazo, a instalação destes sistemas e torna-los uma alternativa competitiva no mercado, comparado as fontes tradicionais (VARELLA, 2009).

No Brasil, a energia solar tem sido alvo de estímulos, apesar dos incentivos não serem da mesma magnitude daqueles observados em outros países, são significativos e promovem grandes benéficos (SILVA, 2015). Sistema de Compensação de Energia A Resolução Normativa n° 482, formulada em 17 de abril de 2012, pela Agência Nacional de Energia Elétrica – ANEEL, incentiva a inserção de energias renováveis na matriz energética nacional, por meio da geração distribuída, na forma de micro e minigeração (NARDOTO, 2016). O termo microgeração distribuída é definido como o sistema que possui a potência instalada menor ou igual a 100 kW. Já a minigeração distribuída corresponde ao sistema que apresenta a potência instalada superior a 100 kW e, inferior ou igual a 1MW (NAKABAYASHI, 2015).

Segundo Nardoto (2016), esta regulamentação prevê uma economia de energia em torno de 12. MWh, devido a aplicação das células fotovoltaicas. Entretanto, em novembro de 2015, a ANEEL publicou a Resolução Normativa nº 678, responsável por alterar o texto da Resolução Normativa n° 482 Entre as principais mudanças impostas por esta legislação, é possível observar o aumento do limite da potência dos sistemas de minigeração, de 1 MW para 5 MW; o aumento do prazo de validade dos créditos gerados, de 3 para 5 anos; a ampliação das possibilidades de geração e aproveitamento de créditos; definição de 3 novos consumidores, os condomínios, empreendimentos com geração compartilhada e auto-consumidores remotos (MARCOLINO, 2016). Os condomínios podem apresentar instalações de micro ou minigeração distribuída, seja em um único relógio ou aproveitamento em relógios de unidades consumidores individuais dos condomínios.

Os empreendimentos com geração compartilhada, constituem os consumidores que passam a poder associar-se por meio de consórcio ou cooperativa, onde os créditos são aproveitados nas unidades consumidoras individuais dos consorciados. dia, em que as médias diárias de cada mês podem ser observadas na Tabela 1. Tabela 1 – Irradiação solar diária média (kWh/m². dia) Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez 5,25 4,93 4,91 4,96 4,69 4,54 4,66 5,20 5,13 5,25 5,29 5,42 Fonte: CRESESB (2018) Por meio desta tabela é possível observar que o mês com maior irradiância corresponde a dezembro, com 5,42 kWh/m². dia, enquanto que o menor índice se encontra no mês de junho, representando 4,54 kWh/m². dia, como evidencia o Gráfico 2. Este módulo é composto por 60 células de silício policristalino, possui uma eficiência de 16,5%, temperatura (condições normais de operação) de 45°C e uma corrente no ponto de máxima potência de 8,66 A.

Fonte: NEOSOLAR (2018) 5. DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA FOTOVOLTAICO Para o dimensionamento do sistema a ser instalado foram utilizadas fórmulas referentes ao número de painéis necessários, a área total que será ocupada, o peso total do sistema sobre a cobertura, a potência total instalada, a energia mensal produzida pelo sistema (levando em consideração a irradiação característica da região). Para o cálculo do número de painéis necessários, foi utilizada a fórmula 1, retirada do trabalho de Brito (2016): NP = Enecessária (1) EM Em que NP corresponde ao número de painéis, Enecessária a energia necessária para suprir o consumo mensal (kWh) e EM, a energia mensal produzida pelo sistema com um painel (kWh) (BRITO, 2016). Enquanto que a área ocupada equivale a multiplicação do número de painéis pela área de um painel (NP x AP).

Entretanto, levando em consideração os últimos dados da irradiação do município de Nova Mutum, é possível estimar, precisamente, como o sistema iria atuar na geração de energia, ou seja, qual a quantidade de energia seria produzida por mês, de janeiro a dezembro, se os módulos se encontrassem em plano horizontal (0°), como ilustra o Gráfico 3. Fonte: Autoria Própria (2018) De acordo com este gráfico, é possível observar que os meses com maior produção de energia por parte do sistema seriam dezembro (323,96 kWh), novembro (316, 19 kWh), janeiro (313, 80 kWh) e outubro (313, 80 kWh), em que a demanda além de ser suprida, geraria excedente na rede de distribuição. Já os meses com menor geração de energia corresponderia a junho (271,36 kWh), julho (278,53 kWh) e maio (280, 33 kWh).

Além disso, é possível observar que o sistema apesar de não suprir a demanda mensal total de 300 kWh durante 6 meses (fevereiro, março abril, maio, junho e julho), apresentando valores inferiores, os outros 6 meses são responsáveis por produzir uma quantidade significativa e excedente de energia, capaz de complementar esta produção e consequentemente, atender a constante demanda de forma eficiente, não necessitando utilizar a energia proveniente da distribuidora. Entretanto, a radiação coletada pelo modo fotovoltaico em plano inclinado, em especial, a 13°N, igual a latitude da região, tende a tornar este projeto mais vantajoso, reduzindo estas pequenas diferenças, como ilustra o Gráfico 4. Inversor 4. Estrutura metálica 2. Mão-de-obra 4. Materiais complementares 1. TOTAL 18. O custo da implantação do sistema fotovoltaico apesar de representar um valor elevado, pode favorecer uma economia por cerca de 25 anos, sendo responsável por gerar quase três vezes o valor de investimento.

Além disso, o retorno do custo investido tende a ocorrer entre o 6º ao 7º ano, que corresponde a menos da metade do período de vida útil da estrutura. É possível concluir, também, que o sistema é capaz de suprir a demanda total requerida pela residência, gerando excedentes, desde o primeiro mês de uso, o que elimina a necessidade do consumo de energia pela rede de distribuição, ao usuário, responsável por reduzir as faturas cobradas, apenas pagando a taxa mínima obrigatória pela disponibilidade de uso do sistema de energia elétrica da concessionária. Conclui-se, por fim, que o dimensionamento de sistemas fotovoltaicos no município de Nova Mutum, se torna mais vantajoso quando os módulos fotovoltaicos são dispostos em plano inclinado, principalmente, a 13°N.

Desta forma, os sistemas fotovoltaicos são considerados uma opção viável e promissora para complementar ou ampliar a produção por eletricidade nas residências da cidade. BERLENGA, J. F. F. Estudo de viabilidade de uma instalação fotovoltaica em um edifício existente. f. Juazeiro, 2016. CALDAS, H. H. S. MOISÉS, A. Universidade Federal de Lavras. Lavras, 2011. CRESESB. Potencial Solar. Disponível em: <http://www. Energia Solar: Tipos de Sistema (On Grid e Off Grid). Disponível em: < https://www. enelsolucoes. com. br/blog/2016/06/energia-solar-tipos-de-sistema-on-grid-e-off-grid/>. Solar Energy, v. p. GRABOLLE, P. B. A integração de sistemas solares fotovoltaicos em larga escala no sistema elétrico de distribuição urbana. Dissertação (Mestrado em Economia). Universidade do Porto – Faculdade de Economia. Porto, 2014. MACHADO, K. S. f. Dissertação (Mestrado em Administração Empresas).

Fundação Getúlio Vargas – Escola de Administração de Empresas de São Paulo. São Paulo, 2016. MME, MINISTÉRIO DE MINAS E ENERGIA. Uma proposta de otimização na conversão de energia solar em energia elétrica por painéis fotovoltaicos. f. Dissertação (Mestrado em Energia). Centro Universitário Norte do Espírito Santo. São Mateus, 2016. Disponível em: < https://www. neosolar. com. br/loja/painel-solar-fotovoltaico-265wp-canadian-csi-cs6p-265p. html>. Conjuntura e Planejamento. Salvador: SEI, n. Out. p. PINHO, J. Disponível em: <https://www. portalsolar. com. br/calculo-solar>. Acesso em: 06 de abril de 2018. R. B. A Energia Solar Fotovoltaica em Portugal: Estado da Arte e Perspectiva de Desenvolvimento. f. Dissertação (Mestrado em Engenharia e Gestão Industrial). f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil). Universidade Federal de Santa Catarina.

Florianópolis, 2009. SANTOS, L. SILVA, R. M. Energia Solar no Brasil: dos incentivos aos desafios. Brasília: Núcleo de Estudos e Pesquisas da Consultoria Legislativa, 2015, 53 p. SIQUEIRA, A. T. Energia Renovável: Hidráulica, Biomassa, Eólica, Solar, Oceânica. Rio de Janeiro: EPE, 2016. p. TORRES, R. Estimativa do Índice de Nacionalização dos Sistemas Fotovoltaicos no Brasil. f. Tese (Doutorado em Planejamento de Sistemas Energéticos). Universidade Estadual de Campinas. Campinas, 2009. GAZOLI, J. R. Energia solar fotovoltaica: conceitos e aplicações. ed. São Paulo: Érica, 2012.