Universidade Federal de Juiz de Fora
Programa de Formação de Recursos
Faculdade de Engenharia
Humanos da Petrobras na área de
Curso de Engenharia Elétrica
Sistemas Elétricos Industriais
Kamila Costa Mancilha
APLICAÇÃO DE ENERGIA FOTOVOLTAICA PARA PRÉDIOS ADMINISTRATIVOS
E ÁREAS INDUSTRIAIS
Juiz de Fora
2013
Kamila Costa Mancilha
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
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
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1:
Evolução
da
produção
mundial
de
energia
elétrica
(EREC,2005)
Figura 1.2:
12
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)
Figura 3.2:
19
Corte transversal de uma célula fotovoltaica mostrando o
funcionamento
do
efeito
fotovoltaico
(BLUESOL
EDUCACIONAL, 2011)
Figura 3.3:
20
Efeito causado pela variação de intensidade luminosa da luz
na curva característica i x v para um módulo fotovoltaico
(CRESESB, 1999)
Figura 3.4:
21
(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
Figura 4.6:
(a) Gráfico para a obtenção do fator de espaçamento (b)
Figura para o cálculo da distância (SOLARTERRA, 2011)
Figura 5.1:
(a) Um inversor por planta (b) Um inversor por fileira
35
(c)
Vários inversores (ABB, 2010)
Figura 5.2:
37
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
Figura 7.10:
Simulação do caso com a instalação de painéis policristalinos
no teto do edifício
Figura 7.11:
61
Simulação do caso com a instalação de painéis de silício
amorfo na fachada do edifício utilizando o inversor SMC 5000A
Figura 7.14:
59
Instalação de painéis de filmes finos na fachada do edifício
(BRIGHT SOLAR)
Figura 7.13:
58
Simulação do caso com a instalação de painéis de silício
amorfo no teto do edifício
Figura 7.12:
58
63
Simulação do caso com a instalação de painéis de silício
amorfo na fachada do edifício utilizando o inversor SMC 4600A
– 11
Figura 7.15:
63
Simulação do caso com a instalação de painéis de silício
amorfo na fachada do edifício utilizando o inversor SB 2500
64
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
Figura 7.19:
Simulação do caso com a instalação de painéis policristalinos
na área industrial
Figura 7.20:
72
73
Simulação do caso com a instalação de painéis de silício
amorfo na área industrial
73
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
Tabela 7.3:
Resultados da simulação para os casos com instalação de
módulos fotovoltaicos no teto do edifício
Tabela 7.4:
62
Resultados das análises econômicas para os casos com
instalação de módulos fotovoltaicos na fachada do edifício
Tabela 7.8:
61
Resultados da simulação para os casos com instalação de
módulos fotovoltaicos na fachada do edifício
Tabela 7.7:
57
Especificação das simulações realizadas com a instalação dos
módulos fotovoltaicos na fachada do edifício
Tabela 7.6:
56
Resultados das análises econômicas paras os casos com
instalação de módulos fotovoltaicos no teto do edifício
Tabela 7.5:
55
62
Resultado das análises em diferentes cidades do Brasil
utilizando o mesmo sistema do Caso 2 (painéis policristalinos
no teto do edifício)
Tabela 7.9:
Média anual de Radiação Solar para as cidades simuladas
acima
Tabela 7.10:
70
Resultados da simulação para os casos com instalação de
módulos fotovoltaicos na indústria
Tabela 7.12:
65
Especificação das simulações realizadas com a instalação dos
módulos fotovoltaicos na indústria
Tabela 7.11:
65
71
Resultados das análises econômicas para os casos com
instalação de módulos fotovoltaicos na indústria
71
8
SUMÁRIO
1.
INTRODUÇÃO
10
1.1
BRASIL E A FOTOVOLTAICA
13
2.
SISTEMA FOTOVOLTAICO
15
2.1
TIPOS DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS
16
2.1.1
SISTEMAS ISOLADOS OU AUTÔNOMOS
16
2.1.2
SISTEMAS HÍBRIDOS
17
2.1.3
SISTEMAS INTERLIGADOS À REDE
17
3.
COMPONENTES DO SISTEMA FOTOVOLTAICO
19
3.1
GERADOR FOTOVOLTAICO
19
3.1.1
TIPOS DE PAINÉIS FOTOVOLTAICOS
24
3.1.1.1
SILÍCIO MONOCRISTALINO
25
3.1.1.2
SILÍCIO POLICRISTALINO
26
3.1.1.3
SILÍCIO AMORFO
27
3.1.1.4
TELURETO DE CÁDMIO
27
3.2
INVERSOR
28
3.3
CONTROLADORES (REGULADORES) DE CARGA
29
3.4
BATERIAS (ACUMULADORES DE ENERGIA)
29
3.4.1
TIPOS DE BATERIAS
30
3.4.1.1
BATERIAS DE CHUMBO-ÁCIDO (BATERIAS ESTACIONÁRIAS)
30
3.4.1.2
BATERIA NÍQUEL-CÁDMIO OU NÍQUEL METAL HIDRETO
30
3.4.1.3
BATERIAS DE IÕES DE LÍTIO (LI-ION)
31
3.5
OUTROS COMPONENTES
31
4.
ENERGIA PRODUZIDA
32
5.
INSTALAÇÃO DOS SISTEMAS FOTOVOLTAICOS
36
5.1
ATERRAMENTO E PROTEÇÃO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS
39
6.
7.
ANÁLISE ECONÔMICA DO INVESTIMENTO
ESTUDOS REALIZADOS
42
45
7.1
PRÉDIOS ADMINISTRATIVOS
45
7.1.1
SIMULAÇÕES E ANÁLISES ECONÔMICAS
53
7.1.1.1
INSTALAÇÃO DE PAINÉIS FOTOVOLTAICOS NA FACHADA DO
EDIFÍCIO
60
9
7.1.1.2
INSTALAÇÃO DE PAINÉIS FOTOVOLTAICOS EM DIFERENTES
REGIÕES
64
7.1.1.3
INSTALAÇÃO DO SISTEMA FOTOVOLTAICO X APLICAÇÃO
66
7.2
ÁREA INDUSTRIAL
67
7.2.1
SIMULAÇÕES E ANÁLISES ECONÔMICAS
69
8.
CONCLUSÃO
75
9.
APÊNDICE A
78
10.
APÊNDICE B
81
11.
BIBLIOGRAFIA
82
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
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
Figura 1.1 - 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
1.1
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
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
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

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
2.1.1 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
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 2.1 - Sistema isolado (ABB, 2010).
2.1.2 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.
2.1.3 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
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 2.2 - Sistema interligado à rede elétrica (ABB, 2010).
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 3.1 - 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
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 3.2 - 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
Figura 3.3 - 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
Figura 3.4 - (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
Figura 3.5 - 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
3.1.1 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
Figura 3.6 - 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 3.7 - Cadeia produtiva da energia solar fotovoltaica (ASSUNÇÃO, 2010).
3.1.1.1 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
Figura 3.8 - Painel de células monocristalinas (ACRE, 2004).
3.1.1.2 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 3.9 - Painel de células policristalinas (ACRE, 2004).
27
3.1.1.3 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 3.10 - Painel de filmes fino (RÜTHER, 2004).
3.1.1.4 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
3.2
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
3.12.
Figura 3.11 - 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
Figura 3.13 - 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
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.
3.4.1 Tipos de baterias
3.4.1.1 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).
3.4.1.2 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
80%), custo elevado em comparação com as baterias ácidas longo tempo de vida e
pequena manutenção.
3.4.1.3 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
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 4.1 - 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 4.2 - Característica corrente x tensão (CRESESB, 1999).
33
Figura 4.3 - Curva característica potência x tensão (CRESESB, 1999).
Figura 4.4 - 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
Figura 4.5 - 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
(4.1)
Sendo
o fator de espaçamento retirado do gráfico apresentado abaixo,
altura do objeto e
a
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 4.6 - (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
0 a 4°
Ângulo de
inclinação
10°
5 a 20°
Latitude + 5°
21 a 45°
Latitude + 10°
46 a 65°
Latitude + 15°
66 a 75°
80°
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
Figura 5.1 - (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
Figura 5.2 - 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
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
no começo da planta, resultando na proteção da rede como do gerador fotovoltaico
também.
Figura 5.3 - (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 5.4 - 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
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
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
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 6.1 - 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
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
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
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 7.1 - Planta baixa do térreo
47
Figura 7.2 - Planta baixa dos andares com os escritórios
Figura 7.3 - Planta baixa dos anfiteatros
OBS: As imagens estão na escala de 1:100.
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
1
Ar-condicionado 8500Btu
1300W
1
Aquecedor de ambiente
1550W
1
Bebedouro
2
Lâmpadas fluorescentes (40W)
80W
1
Lâmpada fluorescente compacta (banheiro)
20W
Total
250W
100W
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
1
Cafeteira elétrica média
1
Estufa
1000W
1
Grill
1200W
1
Suggar
200W
1
Liquidificador
320W
1
Espremedor de laranjas
150W
1
Torradeira
800W
1
Forno elétrico
1150W
750W
2000W
49
12 Lâmpadas fluorescentes (40W)
Total

Recepção:
1
Máquina Xerox pequena
1
Scanner
1
Ar-condicionado 16000Btu
2
Computadores com impressora (250W)
500W
2
Televisores (200W)
400W
12 Lâmpadas fluorescentes (40W)
Total


Lâmpadas fluorescentes (40W)
50W
1950W
480W
4880W
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)

1500W
Banheiros (térreo):
6

480W
8650W
Elevadores:
3200W
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 7.4 - 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
Curva de Carga - Prédio Administrativo
180
160
Demanda (kW)
140
120
100
80
60
40
20
0
Horas do dia
Figura 7.5 - Curva de carga em escala
180
155,91
160
140
155,91
128,27
120
100
80
60
40
37,47
31,32
20
13,95
10,75
10,75
0
0h-1h
8h-9h
1h-2h
9h-10h
2h-3h
10h-11h
3h-4h
11h-12h
4h-5h
12h-13h
5h-6h
13h-14h
6h-7h
14h-15h
7h-8h
15h-16h
Figura 7.6 - 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
Consumo diário
1759,17 kWh
Figura 7.7 - 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
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.
7.1.1 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 2.211
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
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$1,0,
valores retirados de Valor Econômico (Banco Central do Brasil, 2013) no dia 30 de Abril
de 2013.
Para a realização das simulações que serão apresentadas a seguir, os painéis e
inversores foram escolhidos de forma a obter o melhor rendimento para cada
simulação. Esta escolha foi realizada tendo como base os diversos modelos
disponíveis pelo programa SMA Sunny Design 2.21.
A quantidade de painéis a serem utilizados foi determinada pelo cálculo entre a
área disponível no telhado do edifício e a área correspondente de cada painel, de
forma a conseguir um melhor aproveitamento na instalação destes.
Tabela 7.1 - Área dos módulos utilizados nas simulações
Módulo
SolarWorld – SW 230 mono
SolarWorld – SW 230 poly
Sharp – NA-F121 (A5)
Área (m²)
1,6767
1,6767
1,4217
Com a definição do tipo de painel a ser utilizado, assim como seu fabricante, seu
modelo e a sua quantidade, e também o tipo de inversor em relação a modelo e
fabricante, o software sugere o número de inversores necessários que satisfaça a
55
instalação em questão. Foram simulados três casos com diferentes tipos de painéis,
painéis monocristalinos, policristalinos e de filmes finos.
Tabela 7.2 – Especificação das simulações realizadas com a instalação dos módulos
fotovoltaicos no teto do edifício
Painel
Especificação
do painel
Potência do
painel
Quantidade de
painéis
Custo com
painéis (R$)
Especificação
do inversor
Quantidade de
inversores
Custo com
inversores (R$)
Custo total de
investimento
(R$)
CASO 1
Monocristalino
CASO 2
Policristalino
CASO 3
Silício amorfo
SolarWorld –
SW 230 mono
SolarWorld –
SW 230 poly
Sharp – NA-F121
(A5)
230 W
230 W
121 W
154
154
192
Sunny mini central SMC 4600A
Sunny mini central SMC 4600A
Sunny mini central SMC 4600A
7
7
4
284.537,26
207.373,26
51.031,76
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
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
Tabela 7.4- Resultados das análises econômicas paras os casos com instalação de
módulos fotovoltaicos no teto do edifício
Economia de gastos com
energia elétrica (R$)
Payback previsto (anos)
CASO 1
CASO 2
CASO 3
11.430,92
11.371,87
7.418,88
> 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
Caso 1
300.000,00
200.000,00
Fluxo de Lucro com a
Energia Fotovoltaica
100.000,00
-100.000,00
1
3
5
7
9 11 13 15 17 19 21 23 25
Retorno da Instalação
Tarifa de Energia
-200.000,00
-300.000,00
-400.000,00
-500.000,00
Figura 7.9 – Simulação do caso com a instalação de painéis monocristalinos no teto do
edifício
Caso 2
300.000,00
200.000,00
Fluxo de Lucro com a
Energia Fotovoltaica
100.000,00
-100.000,00
-200.000,00
1
3
5
7
9 11 13 15 17 19 21 23 25
Retorno da Instalação
Tarifa de Energia
-300.000,00
-400.000,00
-500.000,00
Figura 7.10 - Simulação do caso com a instalação de painéis policristalinos no teto do
edifício
59
Caso 3
300.000,00
200.000,00
Fluxo de Lucro com a
Energia Fotovoltaica
100.000,00
Retorno da Instalação
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25
-100.000,00
Tarifa de Energia
-200.000,00
-300.000,00
Figura 7.11 - 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
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.
7.1.1.1 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
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 7.5 - Especificação das simulações realizadas com a instalação dos módulos
fotovoltaicos na fachada do edifício
CASO 4
CASO 5
CASO 6
Sunny mini central SMC 5000A
Sunny mini central SMC 4600A
Sunny mini central
- SMC 6000A
7
8
7
109.346,16
104.728,16
154.806,40
Custo com
painéis (R$)
Especificação do
inversor
Quantidade de
inversores
Custo com
inversores (R$)
Custo total de
investimento (R$)
62
Da mesma forma, o rendimento anual do sistema fotovoltaico é obtido pela
simulação dos casos acima no programa SMA Sunny Design 2.21. Para realizar a
simulação também foi considerado um consumidor típico comercial, trabalhando em
dias úteis de 8 às 18 horas.
Tabela 7.6 - 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 %
Os resultados obtidos pela realização das análises econômicas encontram-se a
seguir.
Tabela 7.7 – Resultados das análises econômicas para os casos com instalação de
módulos fotovoltaicos na fachada do edifício
Economia de gastos com
energia elétrica (R$)
Payback previsto (anos)
CASO 4
CASO 5
CASO 6
15.670,28
15.454,77
15.664,37
21
21
23
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
Caso 4
400.000,00
300.000,00
200.000,00
Fluxo de Lucro com a
Energia Fotovoltaica
100.000,00
Retorno da Instalação
-100.000,00
1
3
5
7
9 11 13 15 17 19 21 23 25
Tarifa de Energia
-200.000,00
-300.000,00
-400.000,00
Figura 7.13 – Simulação do caso com a instalação de painéis de silício amorfo na
fachada do edifício utilizando o inversor SMC 5000A
Caso 5
400.000,00
300.000,00
Fluxo de Lucro com a
Energia Fotovoltaica
200.000,00
100.000,00
Retorno da Instalação
1
-100.000,00
3
5
7
9 11 13 15 17 19 21 23 25
Tarifa de Energia
-200.000,00
-300.000,00
-400.000,00
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
Caso 6
300.000,00
200.000,00
Fluxo de Lucro com a
Energia Fotovoltaica
100.000,00
-
Retorno da Instalação
1
3
5
7
9 11 13 15 17 19 21 23 25
-100.000,00
Tarifa de Energia
-200.000,00
-300.000,00
-400.000,00
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.
7.1.1.2 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
Tabela 7.8 - Resultado das análises em diferentes cidades do Brasil utilizando o
mesmo sistema do Caso 2 (painéis policristalinos no teto do edifício)
Cidades
Belém
Brasília
Fortaleza
Juiz de Fora
Porto Alegre
Rio de Janeiro
Azimute
-90°
-90°
-90°
23°
60°
60°
Inclinação
20°
10°
20°
23°
20°
25°
Rendimento anual fotovoltaico (MWh)
47,81
47,71
52,25
38,52
37,88
46,60
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
Belém
Brasília
Fortaleza
Juiz de Fora
Porto Alegre
Rio de Janeiro
Média Anual de Radiação
Solar (kWh/m².dia)
5,05
4,93
5,56
4,16
4,45
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
7.1.1.3 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$ 109.346,16
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.
200.000,00
150.000,00
100.000,00
50.000,00
Retorno da Instalação
Fotovoltaica
-50.000,00
1
3
5
7
9 11 13 15 17 19 21 23 25
-100.000,00
Lucro com o
investimento do
dinheiro
-150.000,00
-200.000,00
-250.000,00
-300.000,00
-350.000,00
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
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)
1
Máquina de carimbar (Erps)
500 W
1
Máquina de entretelar (Erps)
3500 W
2
Máquinas de cambrear (Morbach)
1
Máquina de prensar metatasso 3 cv (Becker)
35
Máquinas de costura ½ cv (Ivomaq)
1
Máquina de costura ½ cv (Juki Corporation)
3
Máquinas de conformar ½ cv (BM Fusionmaq)
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)
1100 W
400 W
2206,5 W
12871,25 W
367,75 W
1103,25 W
1103,25 W
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)
22065 W
2
Máquinas de ilhós (Kehl)
1
Máquina de chanfrar 2 cv (Cemec)
138
Lâmpadas fluorescentes
8
Ventiladores (Arge)
2
Bebedouros
720 W
1471 W
13800 W
1040 W
130 W
89740,97 W
Total
OBS: 1 cv = 735,5 W
1 hp = 745,7 W
Logo, o carga total instalada é de 89,74 kW.
Figura 7.17 - Fotografia tirada na fábrica fora do horário de funcionamento
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 121.770 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.
7.2.1 Simulações e análises econômicas
Itanhandu – MG, cidade onde se encontra a indústria, não está entre as cidades
disponíveis no programa SMA Sunny Design 2.21. 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
Tabela 7.10 – Especificação das simulações realizadas com a instalação dos módulos
fotovoltaicos na indústria
Painel
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$)
CASO 1
Monocristalino
SolarWorld – SW
230 mono
230 W
CASO 2
Policristalino
SolarWorld – SW
230 poly
230 W
CASO 3
Silício amorfo
Sharp – NA-F121
(A5)
121 W
1.064
1.064
1.047
Sunny central –
SC 250HE (EVR)
Sunny central – SC
250HE (EVR)
Sunny central – SC
100HE (EVR)
1
1
1
1.793.944,26
1.260.880,26
221.007,86
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
Tabela 7.11 - 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
Economia de gastos com
energia elétrica (R$)
Payback previsto (anos)
CASO 1
CASO 2
CASO 3
79.735,97
79.263,62
41.398,70
8
7
3
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.
12.000.000,00
Gasto com energia
antes da instalação
10.000.000,00
8.000.000,00
Gasto com energia
depois da instalação
6.000.000,00
4.000.000,00
Fluxo de lucro com a
energia fotovoltaica
2.000.000,00
Retorno da instalação
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25
-2.000.000,00
-4.000.000,00
Figura 7.18 – Simulação do caso com a instalação de painéis monocristalinos na área
industrial
73
12.000.000,00
Gasto com energia
antes da instalação
10.000.000,00
8.000.000,00
Gasto com energia
depois da instalação
6.000.000,00
Fluxo de lucro com a
energia fotovoltaica
4.000.000,00
2.000.000,00
Retorno da instalação
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25
-2.000.000,00
Figura 7.19 – Simulação do caso com a instalação de painéis policristalinos na área
industrial
8.000.000,00
6.000.000,00
Gasto com energia
antes da instalação
4.000.000,00
Gasto com energia
depois da instalação
2.000.000,00
Fluxo de lucro com a
energia fotovoltaica
Retorno da instalação
-
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25
-2.000.000,00
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
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
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
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
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
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.
79
80
81
10.
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.
82
11.
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