ESTUDO DE IMPLANTAÇÃO DE PLACAS FOTOVOLTAICAS CONECTADAS A REDE (ON-GRID) EM UMA RESIDÊNCIA EM LONDRINA

Msd. XXXXXXXX XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX 2020 AGRADECIMENTOS Agradeço primeiramente a meus pais, XXXXXXXXX, alicerce para todos meus desafios durante a vida e a graduação. Agradeço a minha mulher/namorada/noiva por todo o apoio que tive e compreensão em todos os momentos em que tive outra prioridade além dela. Agradeço a minha irmã XXXXx, por ser uma figura cativa na minha vida, nos meus momentos de tensão e nos de relaxamento. Agradeço ao meu orientador, prof. Para que esta percepção que a população em geral possui seja passível de mudança, no Brasil é importante que se iniciem investimentos a partir de políticas públicas para que incentivem a população em geral a realizar investimentos em energia fotovoltaica. Palavras-chave: Potencial fotovoltaico; Energia Solar; Geração de Energia.

ABSTRACT Social and industrial development depends directly on energy sources. With the increasing population increase, these sources have become increasingly scarce, as they come from non-renewable sources. In this sense, this study aims to analyze the types of electricity generation system through solar radiation, this being a particular model of energy generation, not dependent on energy produced by concessionaires. Tabela 4 – Quantificação da potência gerada. Tabela 5 - Dados do sistema fotovoltaico dimensionado. Tabela 6 - Características técnicas do inversor SIW600. Tabela 7 - Orçamento referente ao sistema fotovoltaico. LISTA DE SÍMBOLOS E SIGLAS m² Metro Quadrado ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas NBR GW Norma Brasileira Regulamentadora Gigawatt SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO 12 1. Silício Monocristalino 23 2. Silício Policristalino 24 2. Silício Amorfo 26 2. CONCESSÃO DE CONEXÃO COM A REDE DE DISTRIBUIÇÃO CONFORME ANEEL 27 2.

Etapas para a viabilização do acesso 28 2. INSTALAÇÃO DA ENERGIA SOLAR 38 2. IMPACTO AMBIENTAL REFERENTE À EMISSÃO DE CARBONO NA GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA NO BRASIL. Efeito estufa e as mudanças climáticas 39 2. Principais gases causadores do efeito estufa. Geração e energia no Brasil 41 2. PROJETO ARQUITETÔNICO 55 3. CÁLCULO DA POTÊNCIA 56 3. MÓDULO E QUANTITATIVO 58 3. DIMENSIONAMENTO DOS MÓDULOS 61 3. INVERSOR 63 3. FRITSCH, NAVROTSKY, 1996) Desta forma observa-se o grande potencial brasileiro para a produção de energia elétrica através do sistema fotovoltaico, e, considerando o atual panorama de elevados preços da energia elétrica, a perspectiva de incentivos governamentais, a crescente demanda populacional ou industrial, motivando assim a realização deste estudo, através do qual será demonstrado os tipos de sistemas de energia solar, sua instalação, estimativas de custo, e sua viabilidade econômica.

TEMA O presente trabalho de conclusão de curso (TCC) para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Civil apresentado ao XXXXXXX, 1. DELIMITAÇÃO DO TEMA Estudo de viabilidade econômica para implantação de um sistema de placas fotovoltaicas ligados a rede elétrica na cidade de Londrina/PR, obtendo-se o período do retorno de investimento e sua aplicação. FORMULAÇÃO DO PROBLEMA 1. OBJETIVOS Neste capítulo são descritos o objetivo geral do presente trabalho, bem como os objetivos específicos que nortearão o presente trabalho. O Paraná apresenta também condições muito favoráveis para a implantação de placas fotovoltaicas, conforme descrito por (TIEPOLO et al. potencial esse que deve ser melhor aproveitado pela sociedade para colaborar com o desenvolvimento sustentável do estado.

Desta forma observa-se o grande potencial brasileiro para a produção de energia elétrica através do sistema fotovoltaico, e, considerando o atual panorama de elevados preços da energia elétrica, a perspectiva de incentivos governamentais, a crescente demanda populacional ou industrial, motivando assim a realização deste estudo, 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Nessa capitulo será apresentado o embasamento teórico do estudo para o trabalho posteriormente apresentado, e que possam dar fundamento teórico para a pesquisa que será realizada a seguir. ENERGIA SOLAR A energia solar é responsável pela manutenção da vida na Terra e a radiação solar representa uma imensa fonte energética. Desse modo quando se pensa em energia solar, deve ser lembrado que o Sol é responsável pela origem de quase todas as fontes de energia na Terra, conclui-se então que a maioria das outras fontes de energia são derivadas do Sol (CRESESB, 2014).

Então, pode - se dizer que o fósforo é um dopante doador de elétrons e denomina-se dopante n ou impureza n. Da mesma maneira que a ligação com um átomo a mais pode ser realizada também existe a hipótese de realizar a ligação com um elétron a menos na camada de valência para que se torne uma ligação estável, ou seja, uma ligação com apenas três átomos, como é o caso do boro (CRESESB, 2014). Esta falta de elétron é denominada buraco ou lacuna, com pouca energia térmica um elétron em uma camada vizinha pode “saltar” e passar para esta posição, deslocando a lacuna. Portanto a ligação do silício com o boro cria um processo denominado aceitador de elétrons ou um dopante tipo p (silício tipo P) (NASCIMENTO, 2004).

Na figura 1 pode-se analisar o efeito fotovoltaico na junção pn. A célula fotovoltaica não armazena energia elétrica, ela apenas mantém o fluxo de elétrons num circuito elétrico enquanto houver incidência de luz sobre ela. Esse fenômeno se denomina efeito fotovoltaico conforme é demonstrado na figura 2 (NASCIMENTO, 2004). Figura 2 - Celula Fotovoltaica Fonte: CRESESB,2014. A partir do descobrimento do efeito fotovoltaico por Edmond Becquerel em 1839, muitas tecnologias foram sendo desenvolvidas e melhoradas ao longo dos anos. Além das melhorias diversas aplicações foram criadas, umas das mais promissoras foi o uso da energia fotovoltaica para a geração de energia elétrica em satélites (CRESESB, 2014). Existem hoje muitos materiais semicondutores apropriados para a conversão fotovoltaica. Entre o silício cristalino e o silício amorfo hidrogenado, que são os mais comumente usados, há diferenças de estrutura.

No primeiro, os átomos ocupam posições regulares no espaço, formando uma rede perfeitamente periódica (cristal). No segundo, que é de utilização mais recente e mais promissora do ponto de vista econômico, essa periodicidade não é respeitada. Alguns dos defeitos que acompanham a estrutura imperfeita são compensados com átomos de hidrogênio. O processo de geração, executado por dispositivos semicondutores, não tem partes móveis, não produz cinzas nem outros resíduos e, por não liberar calor residual, não altera o equilíbrio da biosfera. Como não envolve queima de combustíveis, evita por completo o efeito estufa. Uma vez que os sistemas são modulares, a eletricidade solar fotovoltaica tem múltiplas aplicações: os módulos necessários à geração da potência requerida podem ser rapidamente instalados.

A ampliação da potência é obtida pela simples adição de módulos. Os sistemas são freqüentemente usados nas telecomunicações, como em repetidoras de microondas. Figura 3 - Configuração básica de um Sistema Fotovoltaico Fonte: NeoSolar 2018. A CELULA FOTOVOLTAICA As células fotovoltaicas são os elementos responsáveis pela conversão direta da luz solar em eletricidade. É neles que ocorre o efeito fotoelétrico. As primeiras células produzidas possuíam baixo rendimento, em torno de 2%, e custavam em media US$ 600/W. Porém, atualmente já se pode encontrar células com rendimento acima de 10% , podendo atingir 18% dependendo do material utilizado e com custo médio de US$ 6,00/W, tendendo a diminuir cada vez mais. Com um fragmento do cristal devidamente orientado e sob rígido controle de temperatura, vai-se extraindo do material fundido um grande cilindro de silício monocristalino levemente dopado.

Este cilindro obtido é cortado em fatias finas de aproximadamente 300µm. Após o corte e limpeza de impurezas das fatias, deve-se introduzir impurezas do tipo N de forma a obter a junção. Este processo é feito através da difusão controlada onde as fatias de silício são expostas a vapor de fósforo em um forno onde a temperatura varia entre 800 a 1000ºC. Dentre as células fotovoltaicas que utilizam o silício como material base, as monocristalinas são, em geral, as que apresentam as maiores eficiências. Mesmo apresentando um custo reduzido na produção, o uso de silício amorfo apresenta duas desvantagens: a primeira é a baixa eficiência de conversão comparada às células mono e policristalinas de silício; em segundo, as células são afetadas por um processo de degradação logo nos primeiros meses de operação, reduzindo assim a eficiência ao longo da vida útil.

Figura 6 - Célula de silício amorfo Fonte: Manual de Engenharia Para Sistemas Fotovoltaicos, 2019 Por outro lado, o silício amorfo apresenta vantagens que compensam as deficiências acima citados, são elas: • Processo de fabricação relativamente simples e barato; • Possibilidade de fabricação de células com grandes áreas; • Baixo consumo de energia na produção. A fotografia de uma célula de silício amorfo pode ser vista na Figura 6. CONCESSÃO DE CONEXÃO COM A REDE DE DISTRIBUIÇÃO CONFORME ANEEL A Agência Nacional de Energia Elétrica – ANEEL regula ações relacionadas à energia elétrica oferecida para o consumidor geral no âmbito nacional. A ANEEL desenvolveu várias resoluções e diretrizes para regulamentar a conexão do sistema fotovoltaico com a rede de distribuição.

Figura 7 - Etapas dos procedimentos de acesso por tipo de acessante FONTE: MÓDULO 3 – PRODIST, ANEEL 2012. Figura 8 - Etapas de acesso obrigatórias para consumidores livres e especiais e centrais geradoras solicitantes de registro FONTE: MÓDULO 3 – PRODIST, ANEEL 2012. Figura 9 - Etapas de acesso obrigatórias para centrais geradoras solicitantes de autorização. FONTE: MÓDULO 3 – PRODIST , ANEEL 2012. Consulta de acesso A consulta de acesso deve ser formulada pelo acessante à acessada com o objetivo de obter informações técnicas que subsidiem os estudos pertinentes ao acesso, sendo livre ao acessante a indicação de um ou mais pontos de conexão de interesse (ANEEL, 2012). Quando houver necessidade de execução de obras de reforço ou de ampliação no sistema de distribuição ou necessidade de elaboração de estudo ou informação adicional pelo acessante.

Após a emissão do parecer de acesso, os contratos relacionados ao acesso têm um prazo de noventa dias para serem assinados entre as partes. ANEEL, 2012). PARÂMETROS QUE INFLUENCIAM O COMPORTAMENTO BÁSICO DAS CÉLULAS FOTOVOLTAICAS A temperatura e a intensidade de radiação solar são os fatores mais importantes quando se considera a utilização das células solares para a geração de eletricidade. Assim, este item tem por objetivo apresentar a influência destes fatores para o desempenho de uma célula fotovoltaica (MESSENGER, 1999). Este aumento de 15ºC na temperatura da célula resultará em uma diminuição para 19,76 V na tensão de circuito aberto. Influência da intensidade da radiação solar Como mostra a figura 12, com o aumento do índice de iluminação a corrente aumenta linearmente e a tensão de circuito aberto logaritmicamente.

Figura 12 - Características I-V de células fotovoltaicas ideais com diferentes níveis de iluminação Fonte: Lorenzo (1994) Observa-se também, através da figura 12, que a potência fornecida pelo módulo fotovoltaico aumenta linearmente com o aumento do índice de iluminação. MODULO FOTOVOLTAICO Para obter uma tensão de saída adequada, as células fotovoltaicas são conectadas em série para formar o módulo fotovoltaico. Como os sistemas fotovoltaicos são comumente operados com valores próximos de 12 V, os módulos são normalmente projetados para uma operação ótima neste valor, pois estes são apropriados para a carga de baterias em sistemas autônomos que possuem este valor de tensão. PRINCIPAIS APLICAÇÕES DOS SISTEMAS FOTOVOLTAICOS O desenvolvimento deste tipo de sistemas iniciou-se com o objetivo de alimentar unidades autônomas para aplicações espaciais, e, em particular, dos satélites artificiais terrestres.

Atualmente, os sistemas fotovoltaicos são utilizados essencialmente em locais isolados, onde outros tipos de produção clássicos são muito caros e onde são exigidos sistemas silenciosos e não poluidores (COCIAN, 2000). Segundo explica COCIAN, de um modo geral, os sistemas fotovoltaicos são utilizados nas seguintes situações: • Eletrificação rural com sistemas individuais ou em mini-rede; • Bombeamento de água (irrigação e abastecimento); • Sistemas de telecomunicações: retransmissores de TV, telemóveis e rádio; • Sinalização ferroviária (passagens de nível); • Sinalização marítima (bóias, faróis); • Sinalização nas estradas (sinais de aviso de perigo: existência de gelo, escola); • Telefones para socorro nas estradas; • Parquímetros; • Dessalinização (osmose inversa); • Proteção catódica, vedações elétricas, candeeiros PV, lanternas; • Aplicações de micro-potência (relógios, calculadoras); • Sistemas conectados à rede elétrica convencional: Centrais PV (>100kWp) ou “Sistemas em Telhados Residenciais” PV (1- 10kWp).

NORMAS TÉCNICAS E LEGISLAÇÃO EM VIGOR ABNT NBR 16274/2014 - Sistemas fotovoltaicos conectados à rede — Requisitos mínimos para documentação, ensaios de comissionamento, inspeção e avaliação de desempenho. ABNT NBR 16150 /20013 - Sistemas fotovoltaicos (fv) - características da interface de conexão com a rede elétrica de distribuição - procedimento de ensaio de conformidade. A inclinação ótima para a máxima incidência solar anual é dada pela latitude local. O ideal é uma superfície voltada para a linha do equador, para as instalações localizadas no hemisfério sul e sul geográfico para instalações no hemisfério norte, porém, onde não é possível seguir esta orientação, ainda assim é possível gerar uma quantidade de energia satisfatória (Torres, 2012). Quando iluminado homogeneamente, o gerador fotovoltaico apresenta um bom rendimento.

Como as placas são ligadas em série, temos que tomar muito cuidado com as sombras, muito comum projetada por antenas, chaminés ou poste, pois pode reduzir acentuadamente o rendimento de todo sistema. Este fato deve-se, pois, a placa em que incidir menor quantidade de radiação é que irá determinar a corrente, consequentemente a potência de operação do conjunto a ela conectado em série (RUTHER, 2004). Metano (CH4) – produzido através de processos de decomposição anaeróbica ou por combustão incompleta nas mudanças no uso do solo, áreas naturais pantanosas, dejetos de animais, utilização energética – produção, armazenagem, queima de carvão mineral, produção e transporte de gás natural-. Clorofluorcarbonos (CFCs) – atividades industriais, gases refrigerantes e aerossóis. Ozônio (O3) – consequências de reações complexas na alta atmosfera.

Geração e energia no Brasil Segundo o Balanço Energético Nacional (BEN) de 2017, tendo como referência o ano de 2016, publicado pela Empresa de Pesquisa Energética (EPE), do Ministério de Minas e Energia (MME) do Governo Federal, o qual norteia este subcapítulo, o Brasil em 2016, atingiu a marca de 288,3Mtpe de oferta energética total disponibilizada, uma redução de 3,8% em relação ao ano de 2015 devido a fatores econômicos, por outro lado a oferta de energia elétrica se elevou em 0,7% em relação ao ano anterior, este aumento foi consequência de uma maior oferta hídrica – condições climáticas favoráveis – e principalmente devido a expansão das fontes renováveis de energia elétrica. A micro e mini geração distribuída atingiu 104,1 GWh, com uma potência instalada de 72,5MW, tendo destaque segundo o relatório, a fonte solar fotovoltaica, com 53,6 GWh e 56,9 MW de geração e potência instalada.

KWh/m² (GARCIA et al. Segundo (OLIVEIRA et al. para um consumo de 14. KWh gera 1. Kg de CO2 quando esta energia é fornecida pela rede e para o mesmo consumo, considerando o sistema fotovoltaico como gerador a emissão de CO2 é de 518,3563KG, ou seja, 35Kg de CO2 por MWh produzido. km². O seu clima apresenta grandes diferenças dependendo da região, tropical úmido ao norte a temperado úmido ao sul. A economia do estado é a quinta maior do país, atualmente a economia paranaense representa 5,60% do PIB nacional. Diante desse grande crescimento econômico do estado a necessidade da expansão da matriz elétrica fica evidenciada. Embora o estado apresenta um grande potencial hidráulico, a estimativa é que em torno de 70% desse potencial tenha sido explorado, o que impossibilita a expansão nesse setor e gera a necessidade de investimentos em outras fontes de geração de energia elétrica, o que deixa em destaque fontes renováveis como eólica e solar (TIEPOLO, et al.

Fonte: Tiepolo, (2015). Atualmente entre os dez países com maior capacidade de geração de energia elétrica via sistema fotovoltaico estão Alemanha com 38 GW, Itália com 18,5 GW e a Espanha com 5,4 GW (REN21, 2015). Ao comparar-se a Produtividade Estimada Total Anual Média entre o estado do Paraná com a Alemanha constata-se que o Paraná é superior a 58,75%. Em relação à Itália e Espanha o Paraná é superior a 13,48% e 1,97% respectivamente. Através desses dados conclui-se que no estado Paraná com um pouco menos da metade de um sistema fotovoltaico instalado na Alemanha gerará aproximadamente a mesma quantidade de energia elétrica (TIEPOLO, 2015). Envolve verdades e interesses locais” (GERHADT; SILVEIRA, 2009). Quanto ao objetivo da pesquisa deste estudo classifica-se como ‘explicativa’. Gil (2007) ressalta que este tipo de pesquisa explica o porquê das coisas através dos resultados oferecidos.

A maioria de pesquisas desse tipo podem ser classificadas como experimentais e ex-post-facto. O estudo experimental segue um planejamento rigoroso. PLANOS DE COLETA A coleta de dados é a busca por informações para a elucidação do fenômeno ou fato que o pesquisador quer desvendar. A coleta de dados foi feita através de pesquisa bibliográfica, os parâmetros para serem usados foram retirados da NBR 16274 (ABNT, 2014), NBR 16150 (ABNT,2013) e NBR 5410 (ABNT, 2004) entre as datas de 05 março a 31 de março de 2020. ANÁLISE DE DADOS Fazendo uso então de uma ferramenta geográfica como o Google Maps, é possível se obter as coordenadas geográficas da cidade, determinada como objeto de estudo da pesquisa, para dimensionamento do sistema, que a partir do seu uso foi realizado que o município de Londrina (Figura 19) está localizado na Latitude 23°17’34’’ S e Longitude 51º 10' 24" W.

Figura 19 - Município de Londrina Fonte: GOOGLE MAPS (2020). ÂNGULO DE INSTALAÇÃO A partir dos dados geográficos de latitude e longitude, e o banco de dados com os valores de insolação, para desenvolvimento de sistemas fotovoltaicos da CRESESB, determinou-se que o valor de irradiação solar média para um ângulo igual a latitude é de 5,07 Kwh/m²dia, para o painel inclinado a 18º N é de 5,07 Kwh/m²dia e para a insolação menor com 22º é obtido o valor de 5,06 Kwh/m²dia, a Tabela 2 demonstra os resultados obtidos. A partir da posse do projeto então se obteve os espaços da residência e seus perímetros para o cálculo das cargas de cada ambiente, como demonstra a Tabela 3. Tabela 3 - Ambientes e perímetros. Fonte: Próprio Autor (2019).

A partir da definição dos ambientes se realizou a análise dos equipamentos elétricos e as cargas para quantificação da potência determinada pela residência, foi utilizado como referência a NBR 5410 (ABNT, 2004), que possui as especificações das cargas de potência dos equipamentos elétricos e partir da determinação dos equipamentos a serem utilizados se quantificou a potência total que a casa irá gerar para poder estabelecer um projeto solar de acordo. A Tabela 4, demonstra todos os equipamentos quantificados as suas respectivas potências obtidas na NBR 5410 e a potência total da residência. Como demonstra os cálculos na sequência. Seguindo então, é possível para ser mais exato uma área de 100 m² para resultar no abastecimento da potência determinada inicialmente de 15,6 kW da residência, e então é possível chegar a quantidade de módulos necessários para o sistema.

É importante ressaltar que não existe área mínima ou máxima, a questão é determinar quantos módulos são necessários para gerar a potência do sistema elétrico da residência. Dessa forma serão utilizados um total de 62 módulos para suprir a demanda energética da residência. DIMENSIONAMENTO DOS MÓDULOS Com os dados geográficos e a partir do módulo determinado é possível realizar então a partir de determinadas equações, o dimensionamento do sistema fotovoltaico, seguindo as orientações de Rosa e Santos (2016), é possível se obter a energia produzida diariamente por módulo e a potência total a ser instalada pelo sistema. A Figura 23 apresenta o modelo escolhido. Figura 23 - Modelo de inversor SIW600. Fonte: WEG (2018). A Tabela 6 demonstra os dados e propriedades do inversor SIW600 escolhido para o projeto em questão.

Tabela 6 - Características técnicas do inversor SIW600. Fonte: Canadian Solar (2020). Realizando o contato com a empresa WEG, foi possível obter os custos referente ao inversor levantado para aplicação no sistema energético, de acordo com a empresa, o custo do inversor com capacidade para a potência de 20 kW, sendo o modelo SIW 600 ST020-44, é de R$ 19. A empresa responsável pela estrutura de suporte ao sistema de placas fotovoltaicas, apresentou também os custos referentes aos materiais e serviços, tendo um valor total de material e mão de obra de R$ 27. Sendo assim, somando todos os componentes necessários para a proposta apresentada, todo o projeto terá um custo total de R$ 79. RESULTADOS E DISCUSSÕES Payback é o período necessário para que se obtenha o retorno do investimento realizado sobre determinado projeto, sendo assim, neste estudo de caso será apresentado juntamente com o orçamento levantado o tempo que se leva para se obter os custos gastos no projeto do sistema fotovoltaico para uma área de 100 m² de placas solares.

Com todas essas análises realizadas fica claro que o projeto não é só viável como pode prover um bom investimento financeiro, quando feita a análise ao longo de vinte e cinco anos. Portanto, é de extrema importância que haja maciços investimentos e apoio intensivo à inovação e à pesquisa tecnológica, que levem ao aumento de eficiência das células, à economias de escala e conseqüente diminuição de custos. É importante, ainda, que a população saiba dos benefícios e vantagens em se optar por esse tipo de tecnologia, através de campanha promocional e explicativa, pois o que é desconhecido normalmente sofre rejeição, gerando baixa demanda. Finalmente, o incentivo governamental através de mecanismos de subsídios e diminuição de impostos se faz importante, visto que o aumento da participação das energias renováveis na matriz energética brasileira produziria aumento de externalidades positivas para toda a sociedade.

Então conclui-se que para esse estudo da implantação das Placas fotovoltaicas numa residência multifamiliar em Londrina é recomendável a execução do projeto. Disponível online <http://www. aneel. gov. br/arquivos/pdf/revistap&d3. pdf>. Resolução Normativa nº687. Disponível online < http://www2. aneel. gov. br/cedoc/ren2015687. COCIAN, L. F. E. SANTOS, J. C. Companhia Paranaense de Energia – COPEL. Normas Técnicas Copel – NTC 905200. Disponível em < http://www. copel. com/hpcopel/root/ntcarquivos. Centro deReferência para Energia Solar e Eólica Sérgio de Salvo Brito, 2014. Disponívelonline em<http://www. cresesb. cepel. br/publicacoes/download/Manual_de_Engenharia_FV_2014. Acesso em: 27 Mar de 2020. FONSECA, J. J. S. Metodologia da pesquisa científica. E. SILVEIRA, D. T. Métodos de pesquisa. Universidade Aberta do Brasil, 2009. American Geophysical Union.

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