INTRODUÇÃO A ENERGIA SOLAR
FOTOVOLTAICA E O SFVCR DO
ESCRITÓRIO VERDE DA UTFPR
Prof. Jair Urbanetz Junior, Dr. Eng.
Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR
Instituto de Engenharia do Paraná - IEP
Semana daCuritiba
Engenharia––Dezembro
IEP - Curitiba/2014
- Dezembro / 2014
Energias Renováveis
• Solar:
Semana da Engenharia – IEP - Curitiba - Dezembro / 2014
1.1 - Tecnologias para Aproveitamento da Energia Solar
• Pode ser utilizada para:
 Aquecimento (calor – infravermelho) → coletores solares térmicos
 Geração indireta de eletricidade (concentrar o calor)
calor concentrado → vapor → turbina → gerador → eletricidade
 Geração direta de eletricidade (luz – fótons)
luz → Módulo Fotovoltaico convencional → eletricidade
luz concentrada → módulo fotovoltaico concentrador → eletricidade
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1.1 - Tecnologias para Aproveitamento da Energia Solar
• Módulos solares fotovoltaicos (sem concentrador) para geração de
energia elétrica
 Geração direta de energia elétrica pelo efeito fotovoltaico.
 Sistemas de pequena potência (W, kW) ou de grande potência (MW).
 Atualmente é a tecnologia mais usual para geração de energia elétrica a
partir da energia solar.
Módulos
Fotovoltaicos
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1.1 - Tecnologias para Aproveitamento da Energia Solar
Sistemas Fotovoltaicos - Conceitos
SISTEMAS
FOTOVOLTAICOS
Energia Solar
Sistemas Fotovoltaicos
Duas Configurações Básicas:
GERAR
ENERGIA ELÉTRICA
DIRETAMENTE A PARTIR DA
ENERGIA DO SOL
=> Sistemas Isolados
=> Sistemas Conectados à Rede
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1.1 - Tecnologias para Aproveitamento da Energia Solar
Sistemas Fotovoltaicos - Conceitos
SISTEMAS
FOTOVOLTAICOS
ISOLADOS
ATENDIMENTO
DE LOCAIS SEM
ACESSO À REDE ELÉTRICA
(OU APLICAÇÕES ESPECIAIS)
 A ENERGIA GERADA É
ARMAZENADA
Sistemas Fotovoltaicos
Conectados à Rede
Elétrica
Geração Descentralizada
de Energia Elétrica
(ou Planta Centralizada)
 A energia gerada é
injetada na rede
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1.2 - Radiação solar direta, difusa, global e devido ao Albedo
• Radiação solar
Forma de transferência de energia advinda do Sol, através da
propagação de ondas eletromagnéticas.
O Sol dista em média cerca de 150.000.000 km da terra.
 As radiações emitidas pelo Sol atingem a camada externa da atmosfera
terrestre com intensidade que depende da distância Sol-Terra.
A intensidade média é conhecida como “constante solar” (GAM0)
GAM0 = 1.366 W/m2
Na superfície terrestre a intensidade de radiação máxima é cerca de
GHOR = 1.000 W/m²
• Componentes da radiação Solar
 radiação direta
 radiação difusa
 radiação devida ao albedo
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1.3 - Conceitos de irradiância e irradiação - Medição - Unidades
• Irradiância e Irradiação  Medição - Unidades
RADIAÇÃO SOLAR
INSTANTÂNEA
(Potência/m2)
Irradiância (W/m2)
Medição de irradiância
INTEGRADA
(Energia/m2)
Irradiação (Wh/m2)
Unidades usuais
Irradiância  W/m2
kW/m2
Irradiação  Wh/m2.dia
kWh/m2.dia
Piranômetro
Sensor de silício
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kWh/m2.ano
1.3 - Conceitos de irradiância e irradiação - Medição - Unidades
• Irradiância (W/m2) - Escritório Verde - UTFPR
Irradiância ao longo do dia (W/m2)
1200
1000
800
600
400
200
0
Dia Ensolarado (13/07/2012)
Dia Chuvoso (07/07/2012)
Irradiância ao longo do dia (W/m2)
1200
1000
800
600
400
200
0
Dia Ensolarado (24/12/2012)
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Dia Chuvoso (14/12/2012)
1.3 - Conceitos de irradiância e irradiação - Medição - Unidades
• Irradiação (Wh/m2) - Escritório Verde - UTFPR
Julho/2012
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
9000,0
8000,0
7000,0
6000,0
5000,0
4000,0
3000,0
2000,0
1000,0
0,0
Novembro/2012
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
9000,0
8000,0
7000,0
6000,0
5000,0
4000,0
3000,0
2000,0
1000,0
0,0
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1.3 - Conceitos de irradiância e irradiação - Medição - Unidades
• Irradiação (Wh/m2) - Escritório Verde - UTFPR
Dezembro/2012
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
9000,0
8000,0
7000,0
6000,0
5000,0
4000,0
3000,0
2000,0
1000,0
0,0
Irradiação média obtida pelo piranômetro (Wh/m2.dia)
6000
5315,31
5000
4393,05
4000
3054,40
3000
2000
1000
0
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4557,23
4288,12
4586,19
1.4 - Banco de dados de irradiação solar - Projeto SWERA
• Potencial Solar Brasileiro  Atlas Brasileiro de Energia Solar
Modelo BRASIL-SR
- Mapas de irradiação global horizontal e inclinada (latitude)
- Mapas sazonais e anuais
- Banco de dados
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1.5 – Atlas Brasileiro de Energia Solar
• Atlas Brasileiro de
Energia Solar
Mapa de Irradiação
Global horizontal
Média anual
kWh/m2.dia
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1.5 – Atlas Brasileiro de Energia Solar
• Atlas Brasileiro de
Energia Solar
Mapa de Irradiação
(no Plano Inclinado)
(Inclinação igual à
latitude local)
Média anual
kWh/m2.dia
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1.5 – Atlas Brasileiro de Energia Solar
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1.6 – Potencial Fotovoltaico do Estado do Paraná
Estado do Paraná
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1.6 – Potencial Fotovoltaico do Estado do Paraná
Fonte: TIEPOLO, URBANETZ, CANCIGLIERI, VIANA, PEREIRA. V CBENS - 2014
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1.6 – Potencial Fotovoltaico do Estado do Paraná
PARANÁ x ALEMANHA;
ITÁLIA e ESPANHA
Fonte: TIEPOLO, URBANETZ,
CANCIGLIERI, VIANA, PEREIRA.
V CBENS - 2014
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2 - Fundamentos da Tecnologia Fotovoltaica
• Tecnologia Solar Fotovoltaica
 Alta tecnologia, mas é simples de utilizar
 Não poluente e fonte renovável
 Não produz ruído
 Baixa manutenção
 Operação desassistida
 Altamente confiável
 uso em satélites
 Instalações desde baixa
potência (W) até (MW).
 Característica modular
 o sistema pode ser ampliado
conforme a necessidade, pode
ser desmontado e montado em
outra localidade.
http://newtech.aurum3.com
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2.1 - Efeito fotovoltaico - Princípio de funcionamento da célula FV
• Efeito Fotovoltaico
• Conversão direta da energia da luz (espectro visível) em energia
elétrica.
• Célula fotovoltaica  elemento que realiza a conversão
Material
tipo N
Material
tipo P
Tensão
elétrica
+
CB-SOLAR / PUC RS
Foto: Trajano Viana
Célula fotovoltaica de silício
• A tecnologia solar fotovoltaica é diferente da tecnologia solar térmica,
que utiliza o calor (radiação infravermelha) para aquecimento.
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2.2 - Tecnologias fotovoltaicas - Células e módulos fotovoltaicos
• Tecnologia tradicional  lâminas de silício cristalino
- Silício monocristalino (m-Si)
- Silício policristalino (p-Si) ou silício multicristalino
 Cerca de 90% da produção mundial de módulos é baseada
no silício cristalino (m-Si e p-Si)
• Tecnologia de filmes finos filmes finos de silício ou outros
materiais – depositados sobre substratos rígidos ou flexíveis
- Silício amorfo ou silício amorfo hidrogenado (a-Si)
- Telureto de cádmio (CdTe)
- Disseleneto de cobre e índio (CIS)
- Disseleneto de cobre, índio e gálio (CIGS)
- Micromorfo ou microcristalino (μcSi/a-Si)
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2.2 - Tecnologias fotovoltaicas - Células e módulos fotovoltaicos
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2.3 - Eficiência de conversão da célula FV e do módulo FV
• Parâmetros característicos
• Eficiência de conversão (Módulos comerciais @ STC)
•
•
•
•
•
•
•
m-Si
12 - 15 %
m-Si especiais 17 – 19 % (“HIT” ; “back contact”)
p-Si
11 - 14 %
a-Si
6 - 8 % (estabilizado)
CdTe
7 - 10 %
CIGS
9 - 11 %
a-Si/µc-Si ~ 8 - 9 %
• Escolha da Tecnologia
• Aspectos energéticos
• Aspectos arquitetônicos – Estética – Aplicação
• Área disponível  potência instalada (Wp)
• Maior eficiência  menor área
Eficiência   Área
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2.3 - Eficiência de conversão da célula FV e do módulo FV
Área necessária para instalar 1kWp
m2
20
16 - 20
18
14 - 18
16
14
11 - 13
12
8 - 11
10
8
7-9
6
4
2
0
Silício
monocristalino
m-Si
Silício
policristalino
p-Si
Disseleneto de
cobre e índio
CIS - CIGS
Telureto de
Cádmio
CdTe
Silício
amorfo
a-Si
Fonte: SMA
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2.4 - Resposta espectral dos diferentes tipos de células FV
• A radiação solar não é monocromática, apresenta diferentes comprimentos
de onda;
Intensidade relativa
• As células FV, dependendo dos materiais empregados, apresentam
diferentes sensibilidades para cada comprimento de onda da radiação solar
incidente.
Comprimento de onda (nm)
Silício amorfo (a-Si)
Disseleneto de cobre e índio (CIS)
Telureto de cádmio (CdTe)
Silício cristalino
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2.5 - Efeitos da temperatura – Coeficientes de temperatura
• Parâmetros característicos
• Coeficientes de temperatura
O aumento da temperatura de
operação, de um modo geral, tem
efeito negativo no desempenho dos
dispositivos fotovoltaicos, reduzindo a
eficiência de conversão.

Coeficiente de temperatura
sobre a corrente (α)
ISC aumenta ligeiramente
 Coeficiente de temperatura
sobre a tensão (β)
VOC diminui acentuadamente
 Coeficiente de temperatura
sobre a potência (γ)
A potência máxima diminui, pois o
efeito da temperatura sobre VOC é
maior do que sobre ISC.
Exemplo para:
c-Si: γ = -0,45 %/ºC
a-Si: γ = -0,13 %/ºC
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3 – Classificação dos Sistemas FV
•
Sistemas fotovoltaicos isolados (SFVI) ou (SFI)



•
Não possuem conexão com o sistema público de fornecimento de
energia elétrica;
Normalmente são instalados em locais sem acesso à rede
elétrica ou visando atender cargas especiais;
A energia elétrica gerada normalmente é armazenada em
baterias;
Sistemas fotovoltaicos conectados à rede elétrica
(SFVCR) ou (SFCR)



Operam com conexão à rede elétrica pública;
A energia gerada é injetada na rede elétrica. Não necessitam de
elemento armazenador;
Na falta da rede elétrica (desligamento para manutenção ou
falha) os SFCR se desconectam automaticamente da rede,
deixando de fornecer energia, evitando o ilhamento;
 Segurança da rede e dos usuários
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3.1 – Componentes dos Sistemas FV Isolados
• Diagrama pictográfico de um SFVI
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4 – Sistemas FV Conectados à Rede Elétrica
Módulos Fotovoltaicos
Medidor
(kWh)
Inversor
CC => CA
Medidor
Opcional
(kWh)
Componentes
• Painel fotovoltaico  Módulos fotovoltaicos
• Inversor
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REDE
CARGAS CA
4.1 – Características dos Sistemas FV Conectados à Rede
•
Sistemas FV Conectados à Rede Elétrica (SFCR) ou (SFVCR)

Operam com conexão à rede elétrica pública;

A energia gerada é injetada na rede elétrica. Não necessitam de
elemento armazenador;

Na falta da rede elétrica (desligamento para manutenção ou falha)
os SFCR se desconectam automaticamente da rede, deixando de
fornecer energia, evitando o ilhamento;
 Segurança da rede e dos usuários

Quando a rede elétrica é restabelecida, automaticamente os
SFCR se reconectam e passam a fornecer energia à rede;

Utilizados como forma de geração distribuída, integrados a
edificações urbanas (kW);

Utilizados para geração centralizada, com grande potência
instalada (MW);

Elevada produtividade (YIELD) – kWh/kWp.
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4.2 – Componentes dos Sistemas FV Conectados à Rede Elétrica
•
Diagrama básico de um SFCR integrado à edificação
COMERCIALIZAÇÃO DA
ENERGIA FV
Modelo Net Metering
Painel
fotovoltaico
 O gerador fotovoltaico
TROCA a energia que
produz (recebendo créditos
em kWh) para serem
consumidos.
Modelo da TARIFA-PRÊMIO
 O gerador fotovoltaico vende
TUDO o que produz
(recebendo a tarifa-prêmio)
e o consumidor compra
TUDO o que utiliza da
concesionária (pagando a
tarifa de sua classe tarifária).
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4.2 – Componentes dos Sistemas FV Conectados à Rede Elétrica
•
Diagrama básico de um SFVCR integrado à edificação
No Brasil:
Sistema de Compensação,
similar ao Net Metering
 O gerador fotovoltaico
TROCA a energia que
produz (recebendo
créditos em kWh) para
serem consumidos,
porém há incidência de
impostos no momento do
consumo da energia
fotogerada.
Ex: Tarifa residencial no Paraná (julho/2014)
• Sem impostos: R$ 0,32637 / kWh;
• Com impostos: R$ 0,49078 / kWh
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Fonte: GARCETE, 2013
4.3 – Capacidade Instalada de Sistemas FV Conectados à Rede Elétrica
Capacidade mundial instalada de SFCR:
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4.3 – Capacidade Instalada de Sistemas FV Conectados à Rede Elétrica
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4.3 – Capacidade Instalada de Sistemas FV Conectados à Rede Elétrica
•
Capacidade instalada no Brasil de SFVCR
3500
≈ 3,14 MWp
3000
(até jan / 2013)
2500
2000
1500
1000
500
0
Atualmente
> 14 MWp
(Fonte: ANEEL, 2014)
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4.4 – Sistema FV Conectado à Rede Elétrica do EV da UTFPR
Dez/2011, inaugurado EV;
Edificação sustentável; 150m²; LED; coleta de água da
chuva; conforto térmico; baixo carbono; energia solar FV
(SFVI e SFVCR); ZEB; etc.

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4.4 – Sistema FV Conectado à Rede Elétrica do EV da UTFPR
•
Exemplos de SFCR no Brasil
2,1 kWp, UTFPR, Escritório Verde, Curitiba – PR (2011)
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4.4 – Sistema FV Conectado à Rede Elétrica do EV da UTFPR
( Fases da montagem )
2,1 kWp, UTFPR, Escritório Verde, Curitiba – PR (2011)
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4.4 – Sistema FV Conectado à Rede Elétrica do EV da UTFPR
( Fases da montagem )
2,1 kWp, UTFPR, Escritório Verde, Curitiba – PR (2011)
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4.4 – Sistema FV Conectado à Rede Elétrica do EV da UTFPR
( Fases da montagem )
2,1 kWp, UTFPR, Escritório Verde, Curitiba – PR (2011)
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4.4 – Sistema FV Conectado à Rede Elétrica do EV da UTFPR
Geração
(kWh/mês)
≈ 7 MWh (em 35 meses de operação)
Geração anual ≈ 2,4 MWh/ano
Média mensal ≈ 200 kWh
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4.4 – Sistema FV Conectado à Rede Elétrica do EV da UTFPR
DESEMPENHO DO SFVCR DO EV



Baseado na energia gerada;
Nos dados de irradiação solar do INMET (estação A807)
e uso do RADIASOL;
Índices de Mérito:
 Yield (kWh/kWp);
 Performance Ratio (%);
 Fator de Capacidade (%).
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4.4 – Sistema FV Conectado à Rede Elétrica do EV da UTFPR
ÍNDICES DE MÉRITO DO SFVCR DO EV

São utilizados para comparar a operação de
SFVCR com diferentes potências e/ou
localidades.

Yield

Performance Ratio

Fator de Capacidade
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4.4 – Sistema FV Conectado à Rede Elétrica do EV da UTFPR
Irradiação diária média no plano horizontal
(estação A807 do INMET)
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4.4 – Sistema FV Conectado à Rede Elétrica do EV da UTFPR
IRRADIAÇÃO SOBRE O PAINEL FV
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4.4 – Sistema FV Conectado à Rede Elétrica do EV da UTFPR
IRRADIAÇÃO SOBRE O PAINEL FV
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4.4 – Sistema FV Conectado à Rede Elétrica do EV da UTFPR
YIELD
(PRODUTIVIDADE)
Produtividade anual ≈ 1.127 kWh/kWp
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4.4 – Sistema FV Conectado à Rede Elétrica do EV da UTFPR
PERFORMANCE
RATIO
(TAXA DE DESEMPENHO)

Taxa de Desempenho anual ≈ 70%
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4.4 – Sistema FV Conectado à Rede Elétrica do EV da UTFPR
FATOR DE
CAPACIDADE

Fator de Capacidade anual ≈ 13%
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4.4 – Sistema FV Conectado à Rede Elétrica do EV da UTFPR
FATORES QUE INFLUENCIARAM NO DESEMPENHO
Inclinação e orientação (15º e desvio 22º oeste);
 Inversor (rendimento máximo 92%);
 Sombreamento parcial
no fim do dia;


Acúmulo de sujeira
(foi efetuada a lavagem do
painel FV em 31/08/2013).
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4.4 – Sistema FV Conectado à Rede Elétrica do EV da UTFPR
CONCLUSÕES




O SFVCR do EV gerou em em média ≈200kWh/mês;
Quantidade superior a necessária para atender a
edificação, tornando-se uma edificação de energia zero
(ZEB – zero energy building);
No verão chegou a atingir 304kWh/mês, o que permitiu
exportar energia (tornou-se uma edificação de energia
positiva);
Quanto aos índices de mérito, os valores estão regulares se
comparados aos divulgados por outras Universidades que
desenvolvem pesquisas com SFVCRs, como UFSC e USP
(Yield anual médio de 1.127kWh/kWp; Performance Ratio
médio de 70% e Fator de Capacidade médio de 13%)
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4.4 – Sistema FV Conectado à Rede Elétrica do EV da UTFPR
CONCLUSÕES
O acompanhamento ao longo destes quase três anos de
operação do SFVCR do EV em Curitiba confirma ser um
sistema de alta confiabilidade (opera de forma ininterrupta
desde sua instalação), a geração de energia elétrica está
próxima aos valores esperados, opera de forma limpa e
silenciosa e não necessita de área adicional, visto que o
painel fotovoltaico é instalado sobre o telhado da edificação.
Estas características fazem da geração fotovoltaica, a
forma mais promissora de geração distribuída para o
ambiente urbano.
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5 – Sistemas FV no estado do Paraná
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5 – Sistemas FV no estado do Paraná
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6 – Desafios a serem vencidos no estado do Paraná
 Provar a viabilidade da geração FV no Paraná;
 Ampliar a capacitação de profissionais em todos os níveis de
escolaridade, em fontes alternativas de energia;
 Mostrar que os custos já são atrativos ao consumidor
residencial
(no uso concomitante com a geração)
( ≈ R$ 8,00 / Wp instalado → ≈ R$ 0,40 a R$ 0,50 / kWh );
 Tributação: Estadual → o ICMS é 29%;
Municipal → não existem incentivos municipais.
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OBRIGADO
PELA ATENÇÃO
!!!
Prof. Jair Urbanetz Junior, Dr. Eng.
[email protected]
Semana daCuritiba
Engenharia
IEP - Curitiba/ -2014
Dezembro / 2014
– –Dezembro