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CENTRO UNIVERSITÁRIO MAURÍCIO DE NASSAU CURSO DE GRADUAÇÃO DE ENGENHARIA ELÉTRICA JEAZI DA SILVA BARROS TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO ENERGIA SOLAR FOTOVOLTÁICA, SISTEMAS ON-GRID RECIFE 2022 JEAZI DA SILVA BARROS ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA, SISTEMAS ON-GRID Monografia apresentada ao Curso de Graduação de Engenharia Elétrica do Centro Universitário Maurício de Nassau do estado de Pernambuco, como pré-requisito para obtenção de nota da disciplina Trabalho de Conclusão de Curso, sob orientação do Professora Maria Clara Pestana Calsa. RECIFE 2022 CENTRO UNIVERSITÁRIO MAURÍCIO DE NASSAU GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA, SISTEMAS ON-GRID JEAZI DA SILVA BARROS Monografia julgada para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Elétrica, defendida e __________ por unanimidade em __/__/__ pela Banca Examinadora: Orientador: ‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗ Prof. Titulação. Nome UNINASSAU-GRAÇAS Banca Examinadora: ‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗ Prof. Titulação. Nome Local de trabalho ‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗‗ Prof. Titulação. Nome Local de trabalho Dedico este trabalho aos meus pais, Severino Ramos de Barros e Ivonete Maria da Silva Barros, sem eles nada disso teria sido possível, o apoio a dedicação deles foi fundamental para minha conquista. AGRADECIMENTOS Primeiramente a Deus pois sem ele eu não realizaria nada. Agradeço também aos meus pais que me deram todo o apoio e suporte necessário e sempre estiveram ao meu lado me incentivando e ajudando. Aos meus colegas de curso com quem dividi muitos momentos de luta ao longo desses anos todos. Muito aprendizado, muitas trocas de informações e incentivos. Também a UNINASSAU e aos seus dedicados professores por todo o suporte e estrutura oferecida, em cada disciplina que passei tive a oportunidade única de obter conhecimento e sabedoria junto aos professores, sempre dedicados no processo de ensino. Por fim, agradeço a todos os meus amigos e familiares que estiveram ao meu lado nessa caminhada e me deram todo o apoio necessário. “Ninguém ignora tudo. Ninguém sabe tudo. Todos nós sabemos alguma coisa. Todos nós ignoramos alguma coisa. Por isso aprendemos sempre.” Paulo Freire. RESUMO A energia elétrica é um dos pilares do desenvolvimento da humanidade, sem ela não seria possível alcançar todo o desenvolvimento e avanço tecnológico que a nossa sociedade possui. Entretanto, a demanda cada vez maior por energia e a necessidade de encontrar fontes de energia de baixo impacto ambiental torna indispensável a busca por novas fontes de energia, nesse contexto a energia solar fotovoltaica tem um papel de destaque, pois, quando comparada a algumas outras formas de energia alternativa ela possui um menor custo e uma maior facilidade de implementação. No Brasil, que por ser um país tropical possui enorme potencial para esse tipo de geração, seu uso não para de crescer, e uma das maiores demandas por esse tipo de energia é para o consumo residencial. Nesse trabalho foi realizado um estudo de caso para a geração fotovoltaica do tipo ON-GRID, conectado à rede, com o objetivo de atender a demanda de uma residência localizada no Município de Jaboatão dos Guararapes, PE. O estudo demostrou os principais componentes para essa geração, as vantagens do seu uso, bem como o custo-benefício. O trabalho ainda apresentou uma análise do tempo médio de retorno do investimento. Palavras-chave: Energia Solar. Geração Fotovoltaica. Sistemas ON-GRID. ABSTRACT Electric energy is one of the pillars of humanity's development, without it it would not be possible to achieve all the technological development and advancement that our society has. However, the increasing demand for energy and the need to find energy sources with low environmental impact makes the search for new energy sources indispensable, in this context photovoltaic solar energy has a prominent role, because, when compared to some other alternative energy forms it has a lower cost and greater ease of implementation. In Brazil, which as a tropical country has enormous potential for this type of generation, its use continues to grow, and one of the greatest demands for this type of energy is for residential consumption. In this work, a case study was carried out for the photovoltaic generation of the ON-GRID type, connected to the grid, with the objective of meeting the demand of a residence located in the Municipality of Jaboatão dos Guararapes, PE. The study showed the main components for this generation, the advantages of its use, as well as the cost-benefit. The work also presented an analysis of the average time of return on investment. Keywords: Solar Energy. Photovoltaic Generation. ON-GRID systems. LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 1 - Distribuição anual da irradiação solar no Brasil. ....................................... 15 Figura 2 - Célula fotovoltaica de Silício monocristalina. ............................................ 17 Figura 3 - Célula fotovoltaica de Silício policristalina. ............................................... 18 Figura 4 - Representação de um sistema fotovoltaico ON-GRID. ............................ 20 Figura 5 - Sistema fotovoltaico ligado à rede, localizado na UFSC. ......................... 21 Figura 6 - Estacionamento com cobertura de painéis fotovoltaicos na UFRJ. .......... 22 Figura 7 - Potência instalada, MW, de geração distribuída solar fotovoltaica no Brasil. ................................................................................................................................. 23 Figura 8 - Distribuição da geração solar fotovoltaica no Brasil por classe de consumo. ................................................................................................................................. 23 Figura 9 - Ranking nacional de potência instalada em geração distribuída solar fotovoltaica. .............................................................................................................. 24 Figura 10 - Mapa de localização da residência em estudo. ...................................... 29 Figura 11 Instalação dos suportes que vão receber as placas. ................................ 33 Figura 12 - Placas instaladas nos suportes. ............................................................. 33 Figura 13 - Instalação dos eletrodutos para distribuição. ......................................... 34 Figura 14 - Instalação do inversor. ........................................................................... 34 Figura 15 - Especificações do inversor..................................................................... 35 Figura 16 - Gráfico mensal de consumo de energia proveniente da rede da Neoenergia. ............................................................................................................. 37 Figura 17 - Contas de energia antes e após a instalação do sistema. ...................... 37 LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Carga elétrica instalada e consumo médio mensal. ................................ 31 Tabela 2 – Estimativa de custos............................................................................... 36LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica NBR – Norma Brasileira Regulamentadora PRODIST – Procedimento de Distribuição SMF – Sistema de Medição para Faturamento UFRJ – Universidade Federal do Rio de Janeiro UFSC – Universidade Federal de Santa Catarina SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ..................................................................................................... 12 2. OBJETIVOS ........................................................................................................ 13 2.1. OBJETIVO GERAL ........................................................................................ 13 2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS .......................................................................... 13 3. REFERENCIAL TEÓRICO .................................................................................. 14 3.1 ENERGIA SOLAR .......................................................................................... 14 3.2 POTENCIAL PARA GERAÇÃO SOLAR NO BRASIL ..................................... 14 3.3 ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA .............................................................. 15 3.4 SISTEMAS FOTOVOLTAICOS CONECTADOS À REDE ELÉTRICA ............ 19 3.5 SISTEMAS FOTOVOLTAICOS ON-GRID NO BRASIL .................................. 20 3.6 CONCESSÃO DE CONEXÃO À REDE DE DISTRIBUIÇÃO CONFORME A ANEEL ................................................................................................................. 24 3.6.1 Consulta de acesso ............................................................................... 26 3.6.2 Informações de acesso .......................................................................... 26 3.6.3 Solicitação de acesso ............................................................................ 27 3.6.4 Parecer de acesso .................................................................................. 27 3.7 CRITÉRIOS DE CONEXÃO COM A REDE DE DISTRIBUIÇÃO A CELPE .... 28 4. METODOLOGIA .................................................................................................. 29 4.1 LOCAL DE ESTUDO ...................................................................................... 29 4.2 COLETA DE INFORMAÇÕES ........................................................................ 30 4.3 ANÁLISE DAS INFORMAÇÕES ..................................................................... 30 5. RESULTADOS E DISCUSSÃO ........................................................................... 32 5.1 O SISTEMA GERADOR ................................................................................. 32 5.2 INVESTIMENTO E PREVISÃO RETORNO .................................................... 35 5.3 MELHORIAS E AMPLIAÇÕES FUTURAS ..................................................... 38 6. CONCLUSÕES .................................................................................................... 39 REFERÊNCIAS ....................................................................................................... 40 12 ___________________________________________________________________________ 1. INTRODUÇÃO Devido ao crescimento da demanda global por energia, um dos maiores desafios do futuro é obter a quantidade de energia limpa para reduzir a dependência de combustíveis fosseis e aliviar o impacto econômico no preço do petróleo. Uma das alternativas de resolver essa situação, é a utilização dos recursos renováveis. O aumento da demanda energética e o desenvolvimento da indústria, impulsionou, para mais a geração de energia elétrica no mundo a partir de fontes renováveis, como a fonte solar. Atualmente existem duas principais formas de aproveitamento da energia solar para geração elétrica. A primeira delas é a energia solar térmica (ou hélio-térmica), baseada na utilização de espelhos que concentram a irradiação direta solar em um ponto focal, no qual está localizado um receptor por onde passa um fluido absorvedor (sal fundido, óleos sintéticos ou vapor d’água) que expande, gerando eletricidade. A outra forma de utilizar a energia solar, mais consolidada e empregada mundialmente, é a tecnologia fotovoltaica. Neste caso, a obtenção de energia elétrica acontece através da absorção da luz solar por material semicondutor, fenômeno conhecido como efeito fotovoltaico. A tecnologia fotovoltaica usa materiais semicondutores como o silício para converter raios solares em eletricidade. O constante avanço desta tecnologia está proporcionando o aumento da capacidade de fornecimento de energia elétrica no mundo todo, permitindo que a energia solar fotovoltaica seja uma opção limpa, renovável, viável e com manutenção mínima. A energia solar fotovoltaica é agora, depois de hidráulica e eólica, a terceira mais importante fonte de energia renovável em termos de capacidade instalada no mundo. Mais de 100 países a utilizam. Os sistemas de geração de energia fotovoltaicos são divididos em duas categorias: os sistemas conectados à rede (ON-Grid) e os sistemas isolados da rede, ou autônomos (OFF-Grid). O foco desse trabalho será em sistemas conectados à rede. 13 2. OBJETIVOS 2.1. OBJETIVO GERAL O objetivo geral deste estudo foi avaliar o desempenho e a viabilidade econômica de um sistema fotovoltaico do tipo ON-GRID, conectado à rede, que seja autossuficiente e capaz de suprir as necessidades energéticas de uma residência localizada no Município de Jaboatão dos Guararapes. 2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS • Detalhar as vantagens e desvantagens do sistema ON-GRID quando comparado ao OFF-GRID; • Escolher os equipamentos da instalação de acordo com os estudos realizados, tendo em conta as características e os custos; • Avaliar a viabilidade econômica do projeto, bem como a eficiência do sistema. 14 3. REFERENCIAL TEÓRICO 3.1 ENERGIA SOLAR De acordo com Pinho (2014), a radiação solar, além de ser uma fonte abundante e inesgotável de energia, detém enorme potencial de utilização por meio de sistemas de captação e conversão em outros tipos de energia. Portanto, a geração solar é a geração de energia elétrica através das diversas formas disponíveis como, por exemplo, energia solar foto térmica, arquitetura bioclimática, energia solar fotovoltaica, etc. Pereira (2017) analisa que os fatores básicos que afetam a tomada de decisão da instalação e um sistema de geração solar são os fatores climáticos (irradiação solar, ventos, tempestades de granizo, neve, entre outros), a viabilidade financeira considerando o tipo de geração solar, a quantidade de energia utilizada e a área disponível para instalação. 3.2 POTENCIAL PARA GERAÇÃO SOLAR NO BRASIL O Brasil tem a maior parte do seu território situado na região intertropical e por isso detém grande potencial de energia solar durante todo o ano. Possui alto índice médio diário de radiação solar, chegando a mais de 5 kWh/m² por dia em algumas regiões. O Rio de Janeiro apresenta uma disponibilidade anual de 1.758 kWh/m² ou diária de 4,82 kWh/m², aproximadamente. (PEREIRA, 2017). A região menos ensolarada do Brasil recebe um índice de radiação solar 40% maior do que a região mais ensolarada da Alemanha, que é um dos países líderes no uso de energia solar no mundo, isso demonstra o enorme potencial, ainda não explorado, do Brasil para geração solar. (ZILLES et. al., 2012, p. 8). Na figura 1 pode-se observar as médias anuais e sazonais da irradiação solar no Brasil. De acordo com Santos (2019) apesar da imensidão do seu território o Brasil apresenta uma distribuição de irradiação solar global bastante uniforme ao longo do seu território e ao longo do ano. Na região nordeste encontram-se asáreas com maiores médias anuais e uniformes durante todo o ano. O valor encontrado na cidade 15 de Recife é cerca 5,4 KWh/m² por dia e 1972 KWh/m². A boa média de irradiação anual torna o estado de Pernambuco, e a região Nordeste do Brasil como um todo, áreas com enorme potencial para geração de energia solar. Figura 1 - Distribuição anual da irradiação solar no Brasil. Fonte: SANTOS (2019). Souza (2018) analisa que com esse enorme potencial para geração solar o Brasil precisa de investimentos na área, investimentos em equipamentos e pesquisas além de incentivos governamentais para implantação de sistemas, com isso haverá uma maior diversidade na sua matriz energética, atualmente bastante dependente da geração hidrelétrica. 3.3 ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA A energia solar fotovoltaica é definida como a energia gerada através da conversão direta da radiação solar em eletricidade. Isto se dá, por meio de um dispositivo conhecido como célula fotovoltaica que atua utilizando o princípio do efeito fotoelétrico ou fotovoltaico (IMHOFF, 2007). 16 Segundo Villalva (2012), o efeito fotovoltaico é gerado através da absorção da luz solar, que ocasiona uma diferença de potencial na estrutura do material semicondutor. Ainda de acordo com o autor “Uma célula fotovoltaica não armazena energia elétrica. Apenas mantém um fluxo de elétrons num circuito elétrico enquanto houver incidência de luz sobre ela. Este fenômeno é denominado “Efeito Fotovoltaico”. Como foi visto anteriormente, uma das formas de aproveitar a energia solar é a Energia Solar Fotovoltaica. Essa forma de energia é obtida através do efeito fotovoltaico que ocorre em dispositivos conhecidos como células fotovoltaicas. Estas células são componentes optoeletrônicos que convertem diretamente a radiação solar em eletricidade. São basicamente constituídas de materiais semicondutores, sendo o silício o material mais empregado (GOETZE, 2017). Cunha (2006) afirma que o semicondutor mais usado na fabricação das células é o silício. Seus átomos caracterizam-se por possuírem quatro elétrons, que se interligam, e formam uma rede cristalina. Ao se vincularem a átomos, como o fósforo, por exemplo, que possui cinco elétrons de ligação, haverá um elétron em excesso que não poderá ser emparelhado, e permanecerá sozinho. O autor ainda conclui que este elétron isolado possuirá uma fraca ligação com o átomo de origem, bastando um pouco de energia térmica, para que o mesmo se livre, e migre para a banda de condução. Diz-se assim, que o fósforo é um dopante doador de elétrons e denomina- se dopante N ou impureza N. Os principais tipos de células de silício disponíveis no mercado são de silício monocristalinas e de silício policristalinas. As células de silício monocristalinas são cerca de 2% mais eficientes que as policristalinas, contudo estas últimas são mais baratas, já que exigem um processo de preparação das células menos rigoroso. Quanto às células de silício amorfo, estas possuem uma eficiência menor, e necessitam de uma área de instalação maior. Por outro lado, possuem um processo de fabricação simples e barato, e são mais resistentes ao efeito do sombreamento e altas temperaturas (CUNHA, 2006). 17 A figuras 2 e 3 mostram as células fotovoltaicas de silício mono e policristalina, respectivamente. Figura 2 - Célula fotovoltaica de Silício monocristalina. Fonte: GHENSEV (2006). Observa-se na figura 2 que a tecnologia monocristalina possui uma cor uniforme, indicando silício de alta pureza e cantos tipicamente arredondados, isso os torna facilmente reconhecíveis quando olhados de perto. Eles são feitos a partir de um único cristal de silício ultrapuro, (lingotes de silício de forma cilíndrica), este é fatiado como um "salame" fazendo assim, lâminas de silício individuais, que são então tratadas e transformadas em células fotovoltaicas. Cada célula fotovoltaica circular tem seus “4 lados” cortados fora para otimizar o espaço disponível no painel solar monocristalino e aproveitar melhor a área do painel. O painel solar é composto por uma matriz de células fotovoltaicas em formações de série e paralelo. (GHENSEV, 2006). Os painéis solares monocristalinos possuem como vantagens possuírem uma maior eficiência, com isso ocupam menos espaço para gerar a mesma quantidade de energia elétrica, tem uma longa vida útil, cerca de 30 anos, e tendem a ter uma melhor funcionalidade em condições de pouca luz quando comparado com os policristalinos. Já a sua principal desvantagem está no custo financeiro. (GOETZE, 2017). 18 Figura 3 - Célula fotovoltaica de Silício policristalina. Fonte: GHENSEV (2006). Ambos, mono e poli cristalino são feitos de silício, a principal diferença entre as tecnologias é o método utilizado na fundição dos cristais. No policristalino, os cristais de silício são fundidos em um bloco, desta forma preservando a formação de múltiplos cristais (daí o nome poli cristalino). Quando este bloco é cortado e fatiado, é possível observar esta formação múltipla de cristais. Uma vez fundido, eles são serrados em blocos quadrados e, em seguida, fatiados em células assim como no monocristalino, mas é um pouco mais fácil de produzir. Eles são semelhantes aos de um único cristal (monocristalino) tanto no desempenho como na degradação, exceto que as células são ligeiramente menos eficientes (DAZCAL, 2008). As principais vantagens dos painéis policristalinos estão no seu menor custo e uma menor geração de silício residual gerado durante o processo de corte das células, quando comparado aos monocristalinos, além disso possuem vida útil superior a 30 anos. Já as suas principais desvantagens estão na menor eficiência de geração e com isso temos menos Watts gerador por m², necessitando portando de uma área maior de painéis policristalinos para gerar a mesma quantidade de Watts/m² que o painel monocristalino (GOETZE, 2017). 19 3.4 SISTEMAS FOTOVOLTAICOS CONECTADOS À REDE ELÉTRICA Sistemas fotovoltaicos conectados à rede elétrica, também chamados de sistemas ONGRID, ou GRID-TIE operam em paralelismo com a rede de eletricidade. Diferentemente dos sistemas autônomos, os sistemas conectados são empregados em locais já atendidos por energia elétrica. Por não possuírem dispositivos de armazenamento de energia, todo o excedente de energia produzida pelo sistema é injetado na rede elétrica, ou no caso de usinas fotovoltaicas, toda a energia produzida (CAMARGO, 2017). Os primeiros sistemas fotovoltaicos conectados à rede foram instalados na Alemanha, no começo dos anos 90. Já naquela época havia diversos requisitos de segurança para a operação das pequenas usinas movidas a energia solar, e que compartilhariam a rede de distribuição de eletricidade sob os cuidados das concessionárias locais (SIQUEIRA, 2016). Dentre os muitos requisitos, pedia-se que os inversores fossem capazes de realizar o chamado “sincronismo”, ou seja, gerar eletronicamente a corrente alternada de forma similar a um gerador eletromagnético comum. Outro requisito é que eles tivessem a capacidade de se desligar e religar automaticamente, caso fosse necessário fazer manutenções nas linhas elétricas (como nos cabos de força das redes, por exemplo (ALMEIDA et. al, 2015). Esse sistema é basicamente constituído por um conjunto de módulos fotovoltaicos, que irão gerar a energia, um grupo de inversores, que irão fazer a conversão CC-CA para conexão à rede elétrica, além das caixas de junção e dispositivos de proteção e de medição da energia produzida. A radiação proveniente do Sol incide nos módulos solares, onde terá início o efeito fotovoltaico e ocorrerá a geração da energia. Em seguida, a tensão, produzida em correntecontínua, chegará ao inversor, que fará a conversão DC-AC e enviará a energia para circuito residencial/comercial ou à rede elétrica. (MIRANDA, 2014). 20 Figura 4 mostra o esquema detalhado de instalação e funcionamento de um sistema solar fotovoltaico conectado à rede elétrica. Figura 4 - Representação de um sistema fotovoltaico ON-GRID. Fonte: RUTHER (2004). De acordo com Camargo (2017) a radiação proveniente do Sol incide nos módulos solares, onde terá início o efeito fotovoltaico e ocorrerá a geração da energia. Em seguida, a tensão, produzida em corrente contínua, chegará ao inversor, que fará a conversão DC-AC e enviará a energia para circuito residencial/comercial ou à rede elétrica. O inversor, além de realizar a conversão CC-CA, tem como função também, controlar a corrente a ser injetada na rede, de modo que tenha o formato senoidal e esteja sincronizada com a frequência da rede, além de atender os requisitos de operação impostos pela concessionária de energia. 3.5 SISTEMAS FOTOVOLTAICOS ON-GRID NO BRASIL Em setembro de 1997 foi realizada a primeira instalação solar fotovoltaica integrada a uma edificação urbana e conectada à rede elétrica pública no Brasil. A construção em questão (Figura 5) localiza-se no Departamento de Engenharia Mecânica da 21 Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), em Florianópolis - SC, onde o LABSOLAR também opera uma estação solarimétrica. O sistema gera, ao longo do ano, em média, aproximadamente 2,6 MWh de energia, o suficiente para suprir o consumo de uma família de quatro pessoas no mesmo período. A instalação possui uma potência instalada de 2078 Wp, e é composta por 68 módulos fotovoltaicos divididos em quatro subsistemas de aproximadamente 500 Wp cada (RUTHER, 2004). Figura 5 - Sistema fotovoltaico ligado à rede, localizado na UFSC. Fonte: UFSC (2012). A Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ) realizou uma instalação semelhante e inaugurou, em agosto de 2015, um estacionamento com painéis solares (Figura 6), o maior do Brasil em geração de energia. O estacionamento está localizado no campus da Ilha do Fundão, com capacidade para 65 carros, ocupando 651,64 m². No total são 414 painéis solares fotovoltaicos, capazes de gerar 140 mil kWh por ano. O investimento do projeto foi de R$ 1,6 milhões (CAMARGO, 2017). 22 Figura 6 - Estacionamento com cobertura de painéis fotovoltaicos na UFRJ. Fonte: CAMARGO (2017). Segundo o Fundo Verde da UFRJ, essa energia é suficiente para abastecer até 70 residências com consumo mensal médio de 167 KWh e com isso cerca de 70 toneladas de dióxido de carbono deixam de ser emitidas por ano na atmosfera, ajudando na redução do aquecimento global. A energia gerada pelos painéis instalados no estacionamento alimenta a rede da Light, que a distribui por todo o campus (CAMARGO, 2017). Segundo mapeamento da Associação Brasileira de Energia Solar Fotovoltaica (ABSOLAR), o Brasil possui hoje 49.177 sistemas solares fotovoltaicos conectados à rede, trazendo economia e sustentabilidade ambiental a 60.090 unidades consumidoras, somando mais de R$ 2,6 bilhões em investimentos acumulados desde 2012, distribuídos ao redor de todas as regiões do País. A Figura 7 mostra a evolução histórica da potência de geração solar fotovoltaica instalada no Brasil, é possível observar um grande crescimento dessa potência a partir do ano e 2015 em diante. 23 Figura 7 - Potência instalada, MW, de geração distribuída solar fotovoltaica no Brasil. Fonte: ABSOLAR (2019). A figura 8 a seguir mostra a distribuição da geração solar fotovoltaica no Brasil por classe de consumo. Figura 8 - Distribuição da geração solar fotovoltaica no Brasil por classe de consumo. Fonte: ABSOLAR (2019). Em número de sistemas instalados, os consumidores residenciais estão no topo da lista, representando 75,5% do total. Em seguida, aparecem as empresas dos setores de comércio e serviços (16,8%), consumidores rurais (4,3%), indústrias (2,7%), poder público (0,7%) e outros tipos, como serviços públicos (0,1%) e iluminação pública (0,01%). Em potência instalada, os consumidores dos setores de comércio e serviços 24 lideram o uso da energia solar fotovoltaica, com 43,2% da potência instalada no País, seguidos de perto por consumidores residenciais (35,7%), indústrias (10,3%), consumidores rurais (7,3%), poder público (3,2%) e outros tipos, como serviços públicos (0,3%) e iluminação pública (0,01%) (ABSOLAR, 2019). Para acompanhar de perto a evolução da microgeração e minigeração distribuída solar fotovoltaica nos estados brasileiros, a ABSOLAR desenvolveu um Ranking Nacional Solar Fotovoltaico, que compara as potências instaladas em cada unidade da Federação. A Figura 9 exibe esse Ranking Nacional, atualizado para o ano de 2019. Figura 9 - Ranking nacional de potência instalada em geração distribuída solar fotovoltaica. Fonte: ABSOLAR (2019). Observa-se que o Estado de Minas Gerais é o único a ultrapassar a marca de 100 MW e lidera o ranking nacional, com 21,80% da potência instalada no País, seguido pelo Rio Grande do Sul (15,7%) e São Paulo (12,2%). 3.6 CONCESSÃO DE CONEXÃO À REDE DE DISTRIBUIÇÃO CONFORME A 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 25 várias resoluções e diretrizes para regulamentar a conexão do sistema fotovoltaico com a rede de distribuição. Entre algumas diretrizes desenvolvidas estão os Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional - PRODIST, entre alguns dos critérios gerais estão as solicitações de acesso à rede distribuidora local de energia elétrica e que os procedimentos de acesso deverão atender aos padrões de indicadores de desempenho e de qualidade do serviço de distribuição, resguardando a segurança, a eficiência e a confiabilidade do sistema e das conexões existentes. Segundo ANEEL, a distribuidora titular deverá fornecer todas as informações solicitadas pelo acessante referentes à prestação do serviço, inclusive quanto às tarifas em vigor, o número e a data da resolução que as houver homologado, e também sobre critérios de cobrança dos encargos e serviços (ANEEL, 2016). Os serviços cobráveis, realizados a pedido do acessante, serão definidos em regulamento especifico da ANEEL. A cobrança desses serviços é facultativa e só poderá ser cobrado em contrapartida de serviço efetivamente executado pela distribuidora. Na primeira vistoria realizada pela a acessada não haverá cobrança, sendo essa vistoria acompanhada por algum representante do acessante, salvo algo acordado no contrato. A acessada deverá fornecer informações e dados ao acessante referentes ao seu sistema elétrico necessários para a elaboração de projeto ou estudo pelo acessante, sempre que houver a necessidade e sem qualquer ônus para o interessado no acesso (ANEEL, 2016). O acesso poderá ser por prazo indeterminado ou por um prazo estipulado com o acesso temporário à rede. Os encargos oriundos de uso do sistema e de conexão, quando aplicáveis, deverão ser de responsabilidade do acessante, devendo esses eventuais custos estarem celebrados nos contratos entre o acessante e acessada para a utilização e a conexão com a rede (ANEEL, 2016). São quatro etapas a serem observadas: consulta de acesso, informação ao acesso, solicitação de acesso e parecer do acesso. (ANEEL, 2016). 26 3.6.1 Consulta de acesso A consulta de acesso deve ser formulada pelo acessante à acessada com o objetivo de obter informações técnicas que subsidiem osestudos pertinentes ao acesso, sendo livre ao acessante a indicação de um ou mais pontos de conexão de interesse. A consulta de acesso é obrigatória para os acessante em processo de obtenção de ato autorizativo junto à ANEEL (ANEEL, 2016). 3.6.2 Informações de acesso A informação de acesso é reposta formal e obrigatória da acessada para a consulta de acesso, sem ônus para o acessante, com o intuito de fornecer informações sobre o acesso pretendido, devendo indicar: A classificação da atividade do acessante, Quando couber, informações sobre a regra de participação financeira, Quando a central geradora de energia solicitante de autorização, a definição de acordo com o critério de menor custo global, com a apresentação das alternativas de conexão que foram avaliadas pela acessada, acompanhadas das estimativas dos respectivos custos, conclusões e justificativas, As características do sistema de distribuição acessado, do possível ponto de conexão de interesse do acessante e do ponto indicado pela acessada, considerando requisitos técnicos e padrões de desempenho, As tarifas de uso aplicáveis, As responsabilidades do acessante, Os estudos e projetos a serem apresentado pelo acessante à acessada durante a solicitação de acesso. (ANEEL, 2016). A informação de acesso deve ser apresentada pela acessada ao acessante, por escrito, no prazo máximo de sessenta dias a partir da data do recebimento da consulta de acesso, devendo ser mantida em cadastro especifico por sessenta meses para efeito de fiscalização (ANEEL, 2016). A informação de acesso é um documento necessário para obtenção do ato autorizativo de central geradora de energia junto à ANEEL. Deve ser protocolada na ANEEL pela central geradora em até sessenta dias após a emissão do documento pela acessada. A central geradora deve informar a acessada que protocolou a 27 documentação junto à ANEEL. Após a data de publicação do ato autorizativo, a acessante até o prazo de sessenta dias para efetuar a solicitação de acesso à distribuidora (ANEEL, 2016). 3.6.3 Solicitação de acesso A solicitação de acesso é o requerimento preenchido pelo acessante, que por sua vez entregue a acessada deve priorizar o atendimento conforme a ordem cronológica de protocolo (ANEEL, 2016). A solicitação de acesso deve conter os seguintes itens: Contrato de concessão ou ato autorizativo, no caso de acessante central geradora de energia sujeita a concessão ou autorização; Projeto das instalações de conexão, incluindo o memorial descritivo, localização, arranjo físico, diagramas e, quando couber, Sistema de medição para Faturamento – SMF (ANEEL, 2016). 3.6.4 Parecer de acesso O parecer de acesso é o documento formal obrigatório formulado pela acessada, sem custos para o acessante, nesse documento serão informadas as condições de acesso, compreendendo a conexão e o uso, e os requisitos técnicos que possibilitam a conexão das instalações do acessante, com os prazos estipulados, devendo indicar quando possível: A classificação da atividade do acessante; A definição do ponto de conexão de acordo com o critério de menor custo global, acompanhada das estimativas dos respectivos custos, conclusões e justificativas; As características dos sistemas de distribuição acessada e do ponto de conexão; A relação das obras e serviços necessários no sistema de distribuição acessado, com a informação dos prazos para a sua conclusão, especificando as obras de responsabilidade do acessante; A participação financeira; As informações gerais relacionadas ao ponto de conexão, como tipo de terreno, faixa de passagem, características mecânicas das instalações, sistemas de proteção, controle e telecomunicações disponíveis; Os modelos de contratos a serem celebrados; As tarifas de uso aplicáveis; As responsabilidades do acessante; Eventuais informações sobre equipamentos ou 28 cargas susceptíveis de provocar distúrbios ou danos no sistema de distribuição acessado ou nas instalações de outros acessantes (ANEEL, 2016). A distribuidora acessada tem o prazo de trinta dias após o recebimento da solicitação de acesso, quando não houver necessidade de execução de obras no sistema de distribuição. 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, 2016). 3.7 CRITÉRIOS DE CONEXÃO COM A REDE DE DISTRIBUIÇÃO A CELPE A Companhia Energética de Pernambuco - CELPE, desenvolveu normas técnicas para o acesso de geração distribuída em sistema elétrico, as quais estabelecem padrões que buscam a padronização e procedimentos técnicos, de acordo com as exigências técnicas e de segurança recomendadas, em conformidade com as prescrições vigentes nos Procedimentos de Distribuição – PRODIST, nas Resoluções Normativas da Agência Nacional de Energia Elétrica – ANEEL. Essas normas estão descritas no documento NOR.DISTRIBU-ENGE-0002 - Conexão de Microgeradores ao Sistema de Distribuição, aprovado no dia 13 de junho de 2016 e disponível no site da CELPE. 29 4. METODOLOGIA 4.1 LOCAL DE ESTUDO Nesse trabalho foi realizado um estudo de caso, onde foi feito uma análise do sistema solar fotovoltaico ON-GRID em uma residência localizada no bairro do Curado II no Município de Jaboatão dos Guararapes. O mapa da Figura 10 mostra a localização dessa residência. Figura 10 - Mapa de localização da residência em estudo. Fonte: GOOGLE MAPS (2022). Jaboatão dos Guararapes é um município brasileiro do estado de Pernambuco, Região Nordeste do país. Está localizado na Região Metropolitana do Recife, situando-se a sul da capital do estado, da qual dista cerca de 18 km. Ocupa uma área de 258,7 km², estando 23,6 km² formando o perímetro urbano e os 233,7 km² restantes formando a zona rural do município (IBGE, 2022). 30 4.2 COLETA DE INFORMAÇÕES Para realização do estudo inicialmente foi realizado um levantamento de carga instalada na residência. O levantamento de carga com o objetivo de dimensionar o sistema de geração fotovoltaico. Em seguida foi realizada uma análise do sistema de geração fotovoltaica instalado na residência e feito uma comparação do consumo energético, tendo como base as faturas da Companhia Estadual de Energia, antes e depois da instalação do sistema fotovoltaico. Também, foi feito um estudo de melhorias que poderiam ser implementadas nesse sistema de geração para torna-lo mais eficiente e capaz de atender a uma demanda maior da residência. Para levantamento da carga foram obtidas informações junto ao manual do fabricante de alguns equipamentos, além dos procedimentos de previsão de carga instalada de acordo com a NBR 5410 para os casos em que não havia informações precisas sobre a carga. 4.3 ANÁLISE DAS INFORMAÇÕES Inicialmente o projeto teve como objetivo implantar um sistema de geração fotovoltaica capaz de suprir cerca de 80% do consumo médio total da residência. A primeira etapa, objeto desse estudo, foi implantada entre os meses de novembro e dezembro do ano de 2021. Há uma previsão de que no segundo semestre de 2022 o sistema seja ampliado para que aja o suprimento de 100% da demanda e ainda seja gerado excedente para a rede elétrica da companhia energética. Para o dimensionamento do sistema, foi levantado o consumo médio mensal de energia por meio do histórico de faturas de consumo fornecidas pela companhia elétrica e ratificado por meio do levantamento detalhado da carga instalada conforme citado. Tendo realizado o levantamentoda carga elétrica instalada na residência, de acordo com os procedimentos descritos anteriormente, foram obtidos os dados da Tabela 1 a seguir. 31 Tabela 1 - Carga elétrica instalada e consumo médio mensal. Equipamento Quantidade Potência (W) Tempo médio de uso (h/mês) Consumo (kWh/mês) Condicionador de ar 1 750 150 90 Condicionador de ar em Stand By 1 0,7 570 0,40 Geladeira 1 100 720 72 Máquina de lavar roupas 1 600 12 7,2 TV 46” 2 105 30 3,15 TV Stand By 2 0,5 690 0,35 Air Fryer 1 1500 4 6,0 Notebook 1 80 180 14,4 Ferro de passar roupas 1 800 1,5 1,2 Liquidificador 1 900 2 1,8 Ventilador 2 150 90 27 Sanduicheira 1 800 8 6,4 Computador Desktop 1 200 150 30 Total - - 259,90 Fonte: Autor (2022). 32 5. RESULTADOS E DISCUSSÃO 5.1 O SISTEMA GERADOR A partir dos parâmetros fornecidos pelo fabricante dos módulos solares, com base na estimativa de insolação da região e na área das placas foi possível calcular a anergia produzida por módulo da seguinte forma: 𝐸𝑃 = 𝐸𝑆 𝑥 𝐴𝑀 𝑥 𝜂𝑀 (Eq. 5.1) Onde: • 𝐸𝑃− Energia produzida pelo módulo diariamente [Wh]; • 𝐸𝑆 − Insolação diária [Wh/m²/dia]; • 𝐴𝑀 − Área da superfície do modulo [m²]; • 𝜂𝑀 − Eficiência do modulo. O número total de placas necessárias no sistema é calculado por: 𝑁 = 𝐸𝐶 𝐸𝑃 (Eq. 5.2) A partir dos cálculos mostrados acima o sistema foi composto por quinze painéis solares de silício monocristalino com dimensões de 1270 x 676 x 30 mm com capacidade de 155 W cada, esses painéis encontram-se instalados no telhado da residência fixadas por meio de suportes apropriados. Conforme pode ser visto nas Figuras 11 e 12 a seguir. 33 Figura 11 Instalação dos suportes que vão receber as placas. Fonte: Autor (2022). Figura 12 - Placas instaladas nos suportes. Fonte: Autor (2022). A energia sai das placas e é transmitida diretamente até um disjuntor DC de 16 A. essa transmissão toda feita em cabos elétricos de 4 mm2 protegidos por eletrodutos do tipo externo, pensando em possíveis manutenções e ampliações futuras e a fim de atender os requisitos de instalação da NBR 5410 fora instaladas diversas caixas do tipo Condulete ao longo do percurso conforme a Figura 13. 34 Figura 13 - Instalação dos eletrodutos para distribuição. Fonte: Autor (2022). Em seguida é levada até o inversor e depois conectado à rede elétrica. O inversor utilizado foi do tipo do tipo ON-GRID de 250 W fabricado pela Growatt New Energy, na Figura 14 pode ser visto a instalação do disjuntor com o inversor. Figura 14 - Instalação do inversor. Fonte: Autor (2022). 35 Na Figura 15 temos todas as especificações do inversor fornecidas pelo seu fabricante. Figura 15 - Especificações do inversor. Fonte: Autor (2022). Todas as especificações e características dos equipamentos e componentes utilizados nesse projeto foram obtidas junto aos respectivos fabricantes dos mesmos, não tendo sido realizado nenhum ensaio, teste ou medições para se obter os valores nominais de usas grandezas. 5.2 INVESTIMENTO E PREVISÃO RETORNO Para fazer uma estimativa do valor investido na implantação do sistema, foi exclusivamente levantado os custos dos componentes empregados na montagem, não havendo registro e nem estimativas de outros gastos. Os valores dos componentes, obtidos juntos as suas respectivas notas fiscais de compra, são mostrados na tabela 2 abaixo. 36 Tabela 2 – Estimativa de custos. Equipamento Qte Fabricante Valor Unitário Valor Total Painéis Fotovoltaicos 155 W 15 Resun Solar R$ 299,90 R$ 4498,50 Inversor 1 Growatt R$ 2.058,80 R$ 2.058,80 Kit suporte Painéis Solares 4 Kemenber R$585,90 R$ 2.343,60 Disjuntor DC 16 A 1 Steck R$ 41,39 R$ 41,39 Eletroduto rígido PVC 3/4" 3 m 10 Amanco R$ 15,90 R$ 159,90 Condulete Fixo 3/4" tipo C 12 Tramontina R$ 21,90 R$ 262,80 Total R$ 9.364,99 Fonte: Autor (2022). Houveram ainda custos não possíveis de mensurar, entretanto, de valores muito inferiores quando comparados aos citados na tabela 2 e por isso foram desconsiderados. Não houve custos com mão de obra uma vez que toda o projeto e instalação foi realizado pelo proprietário Para demostrar o impacto gerado pelo sistema no consumo mensal de energia foi elaborado o gráfico mostrado na Figura 11 a seguir, os dados foram obtidos através das faturas de energia que compreende o período de agosto de 2021 a abril de 2022. 37 Figura 16 - Gráfico mensal de consumo de energia proveniente da rede da Neoenergia. Fonte: Autor (2022). Na Figura 12 temos um comparativo entre duas faturas de energia, uma antes da instalação do sistema e outra após. Figura 17 - Contas de energia antes e após a instalação do sistema. Fonte: Autor (2022). Conforme demostrado acima pode-se considerar uma economia média mensal de R$ 200,00. Ainda que não consideremos diversos fatores, como inflação do período, ajustes na bandeira tarifária, possíveis manutenções no sistema. dentre outros, podemos estimar um período de cerca de quatro anos para recuperação dos valores investidos o que pode ser considerado um período relativamente curto, principalmente 38 tendo em vista que após esse período o sistema ainda garantirá essa economia por tempo indeterminado trazendo um enorme lucro no longo prazo, e isso, sem mencionar os benefícios ambientais e ainda possíveis retornos financeiros diretos quando houver geração de excedentes. Este estudo foi de suma importância para demostrar a viabilidade técnica e econômica da instalação desse sistema os resultados mostram que o sistema é viável e pode ser modernizado e ampliado no futuro melhorando ainda mais a sua qualidade e eficiência 5.3 MELHORIAS E AMPLIAÇÕES FUTURAS Apesar do sistema estar atualmente em pleno funcionamento e sem apresentar problemas, muitas melhorias podem e devem ser implementadas tanto a fim de manter o seu bom funcionamento, quanto pensando na segurança dos equipamentos e das pessoas, como por exemplo: pode-se refazer a rede de distribuição de forma embutida melhorando significativamente a segurança e também a estética. No local onde está os disjuntores e o inversor pode também ser utilizado um quadro embutido e com informações de segurança afixadas em sua porta. Por fim a capacidade geradora do sistema pode ser ampliada, possibilitando atender 100% do consumo da residência e ainda gerando excedente para a rede elétrica 39 6. CONCLUSÕES Analisando os resultados obtidos após a instalação e monitoramento do sistema projetado, foi verificado que seu funcionamento supera as expectativas de geração e estabilidade. As informações coletadas sobre o consumo de energia e irradiação do local e da unidade consumidora foram de grande importância para a definição do projeto e posterior instalação do sistema. Além de gerar para o usuário uma economia do ponto de vista financeiro, por reduzir o consumo da energia fornecida pela companhia energética, a geração fotovoltaica ainda apresenta um caráter de preservação ambiental, sendo assim o seu emprego no consumo residencial é de grande valia, embora conforme visto haja um custo inicial elevado para instalação, a economia gerada faz com que o investimento seja recuperado num intervalo de tempo relativamente curto. Ainda havendo a vantagem de se ter um fornecimento de energia ininterrupto, ainda que aconteça alguma interrupção no fornecimento por parte dacompanhia estadual. 40 REFERÊNCIAS ABNT – ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 5410: Instalações elétricas de baixa tensão. Rio de Janeiro, 2004. ABSOLAR, Associação Brasileira de Energia Solar Fotovoltaica. 2020. Disponível em: <http://www.absolar.org.br/>. Acesso em: 25 de mar. 2022. ALMEIDA, E., ROSA, A. C., DIAS F. C. L. S., BRAZ, K. T. M., LANA, L. T. C., SANTO, O. C. E., SACRAMENTO, T. C. B. Energia Solar Fotovoltaica: Revisão Bibliográfica. UFMG, Belo Horizonte, 2015. ANEEL. Agência Nacional de Energia Elétrica. Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional – PRODIST. 2017. Disponível em: <https://www.aneel.gov.br/prodist>. Acesso em: 23 de mar. 2022. BASTOS, W. S. Estudo de Caso de um Projeto Fotovoltaico Integrado à Edificação. UFPB, João Pessoa, 2018. BESSO, R. 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