[GRID-TIE] PROJETO DE CONSTRUÇÃO SISTEMA SOLAR FOTOVOLTAICO

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UNIVERSIDADE FEDERAL DA PARAÍBA
CENTRO DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
DISCIPLINA: SISTEMAS ENERGÉTICOS
PROJETO DE CONSTRUÇÃO DE UM SISTEMA SOLAR FOTOVOLTAICO
BRUNO CAMPOS TEIXEIRA DE CARVALHO - 11011254
PAULO ROBERTO OLIVEIRA DE CARVALHO JUNIOR - 11011241
João Pessoa, 20 de fevereiro de 2015
BRUNO CAMPOS TEIXEIRA DE CARVALHO
 PAULO ROBERTO OLIVEIRA DE CARVALHO JUNIOR
PROJETO DE CONSTRUÇÃO DE UM SISTEMA SOLAR FOTOVOLTAICO
Projeto referente a disciplina de Sistemas Energéticos, da Universidade federal da Paraíba.
Professor Orientador: Jean Pierre Veronese
João Pessoa
	2015	
INTRODUÇÃO
Atualmente, existe a busca constante por fontes de energia que sejam renováveis pois, como sabemos, a maior parte da energia utilizada no planeta vem dos combustíveis fósseis. 
Os combustíveis fósseis demoram muito, mas muito tempo para a natureza criar. Nós humanos usamos demasiadamente ao longo do tempo, com isso muitas reservas acabaram, levando alguns países a importar, como no caso do petróleo. Alguns cientistas chegaram a alegar que temos acabado com metade de todos os combustíveis fósseis disponíveis no mundo. Como todos os dias estamos usando cada vez mais energia, devemos procurar por fontes de energias alternativas e renováveis para a substituição das fontes não renováveis.
Uma dessas fontes alternativas e renováveis é a energia através do sol. De acordo com estudos, esta energia será a principal no futuro. De posse desta informação, cada vez mais estudos e tecnologia são investidos para a obtenção de energia desta fonte.
A tecnologia da energia solar já está acessível as nossas mãos. Com simples arranjos, conseguimos montar conversores de energia solar nas mais diversas formas de energia. Hoje em dia já temos diversos aparelhos movidos a energia solar. É certo, que alguns ainda bem precários, pouca eficiência energética, baixa autonomia, utilizações reduzidas, outros em fases experimentais, estudos, etc. 
Neste projeto, iremos focar em uma aplicação da energia solar: a construção de um sistema solar fotovoltaico voltado para rede elétrica.
ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
Os sistemas fotovoltaicos são capazes de gerar energia elétrica através das chamadas células fotovoltaicas. As células fotovoltaicas são feitas de materiais capazes de transformar a radiação solar diretamente em energia elétrica através do chamado “efeito fotovoltaico”. Hoje, o material mais difundido para este uso é o silício.
O efeito fotovoltaico acontece quando a luz solar, através de seus fótons, é absorvida pela célula fotovoltaica. A energia dos fótons da luz é transferida para os elétrons que então ganham a capacidade de movimentar-se. O movimento dos elétrons, por sua vez, gera a corrente elétrica.
As células fotovoltaicas podem ser dispostas de diversas formas, sendo a mais utilizada a montagem de painéis ou módulos solares. Além dos painéis fotovoltaicos, também se utilizam filmes flexíveis, com as mesmas características, ou até mesmo a incorporação das células em outros materiais, como o vidro. As diferentes formas com que são montadas as células se prestam à adequação do uso, por um lado maximizando a eficiência e por outro se adequando às possibilidades ou necessidades arquitetônicas. 
 	Quanto aos sistemas fotovoltaicos, estes podem ser divididos em dois grandes grupos: sistemas isolados (off-grid) e sistemas conectados à rede (grid-tie). Os sistemas isolados são aqueles que não se integram a rede elétrica e geralmente são utilizados em locais remotos ou onde o custo de acesso a rede é maior que o custo do próprio sistema. Normalmente estes sistemas utilizam bateria para armazenar a energia. Já os sistemas conectados à rede servem como qualquer outra forma de geração de energia que utilizamos a partir da rede elétrica e são utilizados como substitutos destas outras fontes de energia. Neste caso não há necessidade de armazenamento.
Figura 2.1. Esquema de um sistema solar fotovoltaico grid-tie.
Figura 2.2. Esquema de um sistema solar fotovoltaico off-grid.
COMPONENTES DE UM SISTEMA FOTOVOLTAICO GRID-TIE
No nosso caso, utilizaremos um sistema grid-tie, pois conectaremos a rede elétrica. Estes sistemas são basicamente de um único tipo e são aqueles em que o arranjo fotovoltaico representa uma fonte complementar ao sistema elétrico de grande porte ao qual está conectado. São sistemas que normalmente não utilizam armazenamento de energia, pois toda a potência gerada é entregue à rede instantaneamente.
Os sistemas fotovoltaicos de conexão à rede são caracterizados por estarem integrados à rede elétrica que abastece a população. Diferente dos sistemas isolados que atendem a um propósito específico e local, estes sistemas também são capazes de abastecer a rede elétrica com energia que pode ser utilizada por qualquer consumidor da rede.
Os sistemas conectados têm uma grande vantagem com relação aos sistemas isolados por não utilizarem baterias e controladores de carga. Isso os torna cerca de 30% mais eficientes e também garante que toda a energia seja utilizada, ou localmente ou em outro ponto da rede. Sistemas de conexão à rede podem ser utilizados tanto para abastecer uma residência, ou então simplesmente produzir e injetar a energia na rede elétrica, assim como uma usina hidroelétrica ou térmica.
Instalações deste tipo vêm se tornando cada dia mais populares em diversos países europeus, no Japão, Estados Unidos e mais recentemente no Brasil. As potências instaladas vão desde poucos kWp em instalações residenciais, até alguns MWp em grandes sistemas operados por empresas. Conforme apresentado a seguir, estes sistemas se diferenciam quanto à forma de conexão à rede; nos sistemas residenciais esta dependerá fortemente da legislação local.
Os componentes do sistema grid-tie são basicamente (retirando o cabeamento e os contactores):
Painéis solares – Fazem o papel de coração, “bombeando” a energia para o sistema. Podem ser um ou mais painéis e são dimensionados de acordo com a energia necessária. São responsáveis por transformar energia solar em eletricidade.
Estrutura para os painéis – é normalmente em alumínio e aço, fixadas sobre o telhado ou cobertura do local. Os painéis são montados e fixados nesta estrutura.
Inversores GRID - são responsáveis pela conversão da corrente contínua produzida pelos painéis em corrente alternada em sincronia com a rede elétrica. Podem ser inversores centrais (vários painéis são ligados a um inversor) ou microinversores - mais recentes (para cada painel utiliza-se um inversor).
Relógio Bidirecional - O medidor bidirecional mede continuamente a alimentação elétrica, quando o sistema de energia solar produz mais energia do que você precisa, o metro literalmente gira para trás, acumulando créditos com a empresa concessionária que irá compensar a sua próxima fatura no sistema Grid-tie.
CONSTRUÇÃO DE UM SISTEMA SOLAR FOTOVOLTAICO GRID- TIE
O projeto de um sistema fotovoltaico começa pela definição da quantidade de energia a ser produzida. Para isso, devemos saber quais aparelhos iremos alimentar, e quais são suas tensões.
Depois de realizarmos este levantamento, calcularemos a quantidade de células necessárias, e escolheremos sua como sua disposição, agrupadas paralelamente ou em série, e assim obteremos nossos painéis solares.
Para a escolha das baterias e de um inversor para transformar a corrente contínua gerada pelo sistema em corrente alternada de 110 ou 220v, devemos verificar o tipo de tensão pretendida e da autonomia do sistema.
CÁLCULO DO SISTEMA FOTOVOLTAICO PARA CORRENTES ALTERNADAS
Este projeto terá como base uma residência situada no bairro do miramar na cidade de João Pessoa, Paraíba, Brasil. A residência em questão possui três salas, uma cozinha, quatro quartos, três banheiros, área de serviço e área externa. Todo o sistema em 220v. Visto que possuímos um sistema de corrente alternada CA, utilizaremos um inversor.
CÁLCULO DA POTÊNCIATOTAL DO SISTEMA
	Qtd.
	Equipamento
	Consumo (W)
	 
	Horas uso/dia
	Consumo diário (W)
	 
	 
	Unitário
	Total
	 
	 
	Sala
	
	
	
	
	
	7
	Lâmpada Econômica
	20
	140
	12
	1680
	1
	TV 47"
	100
	100
	8
	800
	1
	Receptor Antena
	35
	35
	8
	280
	1
	Aparelho Blu-ray
	70
	70
	4
	280
	1
	Aparelho Som
	250
	250
	4
	1000
	1
	Home Theater
	100
	100
	8
	800
	1
	Modem Internet
	35
	35
	24
	840
	Cozinha
	
	
	
	
	
	2
	Lâmpada Econômica
	20
	40
	12
	480
	1
	Refrigerador Duplex
	160
	160
	24
	3840
	1
	Microondas
	1400
	1400
	6
	8400
	1
	Fogão
	1200
	1200
	1
	1200
	1
	Exaustor
	200
	200
	8
	1600
	1
	Liquidificador
	200
	200
	2
	400
	1
	Torradeira
	800
	800
	4
	3200
	1
	Gelágua
	100
	100
	24
	2400
	1
	Multiprocessador
	300
	300
	2
	600
	4 Quartos
	
	
	
	
	
	4
	Lâmpada Econômica
	20
	80
	12
	960
	1
	Ar Condicionado 12000 BTUs
	1000
	1000
	8
	8000
	4
	TV 32"
	70
	280
	12
	3360
	4
	Receptor Antena
	35
	140
	12
	1680
	1
	Luminária de Mesa
	10
	10
	6
	60
	4
	Carregador de Celular
	60
	240
	2
	480
	4
	Computador
	280
	1120
	8
	8960
	1
	Impressora
	100
	100
	8
	800
	3 Banheiros
	
	
	
	
	
	3
	Lâmpada Econômica
	20
	60
	6
	360
	3
	Chuveiro Elétrico
	15000
	45000
	1
	45000
	1
	Secador de Cabelo
	1200
	1200
	6
	7200
	1
	Chapinha de Cabelo
	1500
	1500
	3
	4500
	Área de serviço
	
	
	
	
	
	2
	Lâmpada econômica
	20
	40
	8
	320
	1
	Máq. Lavar Roupas
	900
	900
	8
	7200
	1
	Ferro de Passar
	1000
	1000
	6
	6000
	Área externa
	
	
	
	
	
	1
	Lâmpada econômica
	20
	20
	12
	240
	Total
	
	
	57820
	W/h
	122920
Tabela 1 - Consumo Residencial do Projeto
De acordo com os dados coletados acima, o painel deverá gerar energia suficiente para abastecer 57820 W/h e 122920 W/dia. Devemos ressaltar que a energia que não for utilizada, será armazenada nas baterias.
DEFINIÇÃO DOS PAINÉIS SOLARES
Como o painel solar receberá energia durante o tempo que recebe luz solar, deveremos dividir a quantidade de potência desejada em um dia, pelas horas de sol que este painel receberá.
	No Brasil a média de luz solar é de 5 horas, porém a média da Paraíba é de 5,5 horas. Então durante essas 5,5 horas nosso painel deverá armazenar toda a energia que nosso sistema precisa:
OBS: Fps é o fator de perdas e segurança. É normalmente utilizado para levar em conta a redução de geração do módulo devido à tolerância na fabricação, temperatura, poeira, degradação, sombras e também as perdas elétricas na bateria, controlador de carga, inversor e na instalação. Normalmente, Fps = 0,8.
W
Ao pesquisar na internet, escolhemos o Painel Solar Leading. O painel solar fotovoltaico Solar Leading, modelo SL6P60-240W, possui uma elegante estrutura em alumínio anodizado na cor prata. Pesa 19Kg e tem dimensões de 1640 x 992 x 40 (mm). Este módulo fotovoltaico foi certificado pelo INMETRO com nota “A”, apresentando eficiência de 14,7%. As células fotovoltaicas são protegidas por uma resistente camada de vidro temperado de 3,2mm e a moldura em alumínio já vem com as furações para fixação. Em condições ideais de insolação, este módulo solar fotovoltaico produz 240W, 8,06A e 29,8V em corrente contínua.
O SL6P60-240W possui 05 anos de garantia contra defeitos de fabricação e até 25 anos para geração de energia. Fundada em 2008 na China, a Solar Leading é especializada na fabricação de módulos fotovoltaicos e no fornecimento de soluções completas em energia fotovoltaica. Possui escritórios na China, Alemanha, Dinamarca e nos Estados Unidos, além da presença comercial em mais de 40 países.
 	Tem como principal uso a micro geração solar de energia em sistemas conectados à rede (grid-tied) residenciais e comerciais para redução do consumo de energia elétrica.
As especificações do produto são:
Condições Padrões de Teste*(CPT):
Potência máxima (Pmax): 240Wp
Tensão em circuito aberto (Voc): 37V
Tensão de Pico (Vmpp): 29,8V
Corrente de curto-circuito (Isc): 8,62A
Corrente de Pico (Impp): 8,06A
Voltagem máxima do sistema: 1000V
Tipo de célula: Silício Policristalino
Dimensões painel: 1640 x 992 x 40 (mm)
Moldura: Alumínio
Peso: 19 kg
*CPT: Irradiação de 1000W / m², Espectro de Massa de Ar 1.5 e Temperatura de Célula de 25°C
	Devido as perdas e vários fatores, iremos considerar a tensão de saída de cada painel como sendo 24 V. Portanto:
	A partir da potência de pico e do painel selecionado, podemos calcular o número de painéis necessários:
DEFINIÇÃO DA ESTRUTURA PARA OS PAINÉIS 
Como nossos painéis são de 240Wp, ao realizarmos uma pesquisa na internet, optamos pela escolha da fixação através do Kit de montagem Schletter para telhado – 10 painéis. Os Kits de montagem Residencial Flushmount da Schletter incluem tudo o que é necessário para fixação dos painéis fotovoltaicos em telhados inclinados (perfis, grampos, parafusos e ganchos).
As características do produto são:
Inclui trilhos que acomodam o máximo de 5 módulos solares por kit. Pode ser cortado para instalações com menos painéis
Grampos de módulos solares fecham a malha deaterramento do sistema e são feitos de alumínio (opcional)
Trilhos resistentes à corrosão, feitos de alumínio
Ganchos de telhados feitos de aço inoxidável
Desenhos de engenharia incluídos
Instalaҫão fácil e rápida
Como temos 117 painéis:
DEFINIÇÃO DO INVERSOR GRID - TIE
Devido ao nosso sistema ser desenvolvido para cargas de corrente alternada (220 V), devemos utilizar um inversor visto que os painéis solares geram eletricidade em corrente contínua (24 V, no nosso projeto). Para determinar o inversor, temos que ter conhecimento de determinados fatores:
Tensão de entrada (Vdc);
Tensão de saída (Vac);
Freqüência (Hz);
Saída de AC máxima contínua (W).
Como foi determinado, utilizaremos painéis solares de 24 V, portanto:
Tensão de entrada (Vdc) = 24 V
Tensão de saída (Vac) = 220 V
Freqüência (Hz) = 60 Hz
Saída de AC máxima contínua (W) = 57820 + 10% = 63602 W
OBS: Adicional de 10% devido a perdas no inversor.
Ao realizar pesquisa na internet escolhemos o Inversor Fronius IG Plus 60V-1 (6.000W). A moderna linha de inversores grid-tie Symo da Fronius é uma linha trifásica e sem transformador voltada para empresas e mercado residencial fotovoltaico. Apresentando uma excepcional relação custo x benefício. 
	Os inversores da geração Symo são conversores para uso com energia solar fotovoltaica que funcionam integrados a rede elétrica. A linha Symo possui potência de 3,0 a 20 kW, não possuem transformador e são trifásicos. É otimizado para sistemas de auto-consumo.
Uma série de outros recursos inteligentes tornam o Fronius Symo um dos inversores mais avançados da sua classe. Possui por exemplo o registro de dados integrado no inversor com conexção wi-fi e também a tecnologia plug-in card para adaptação funções adicionais.O Symo é um inversor Grid Tie e trabalha em sincronia com a rede elétrica reduzindo a conta de energia da unidade consumidora.
As especificações do produto são:
ENTRADA
Voltagem máxima de entrada: 1000Vcc
Faixa de Voltagem do MPP: (320Vcc a 800Vcc)
Voltagem mínima de entrada: 200Vcc
Voltagem para inicialização: 200Vcc
Corrente máxima de entrada: 33A / 27A
SAIDA
Potência nominal de saída: 15000W
Voltagem de saída (faixa): 154Vca a 264Vca
Frequëncia de saída: 60Hz
Corrente máxima de saída: 23,9A
OUTRAS CARACTERÍSTICAS
Eficiência Máxima: 98%
Consumo interno (noite): <1W
Temperatura de Operação: -25˚C a +60˚C
Frequëncia de saída: 60Hz
Como temos 117 painéis de 240Wp gerando, 28kW, precisaremos de:
DEFINIÇÃO DO RELÒGIO BIDIRECIONAL
Ao pesquisarmos na internet, descobrimos que o produto deve ser importado e tem custo médio de um relógio bidimensional é em média U$ 90,00. Cerca de R$ 250,00.
RESULTADOS
Em resumo,nosso projeto residencial tem:
Potência Total: 122920 W/dia;
Painel Solar: 29,8 V, 240Wp ou 1664,0152 A; 117 painéis;
Kit de Montagem: 12;
Relógio Bidimensional: 1;
Inversor: 63602 W mínimo, 24V entrada, 220V saída, 60Hz;
Consultando alguns sites na internet, podemos obter uma estimativa de preço para o nosso projeto abaixo:
	
QUANTIDADE
	
EQUIPAMENTO
	
R$ UNITÁRIO
	
TOTAL
	
117
	
Painel Solar Fotovoltaico
	
R$ 960,00
	
R$ 112.320,00
	
12
	
Kit de montagem (Suporte)
	
R$ 2.800,00
	
R$ 33.600,00
	
02
	
Inversor GRID
	
R$ 21.590,00
	
R$ 43.180,00
	
01
	
Relógio Bidirecional
	
R$ 250,00
	
R$ 250,00
	
	
	
TOTAL GERAL
	
R$ 189.350,00
Tabela 2. Orçamento do Projeto
CONCLUSÃO
Como podemos observar, através da tabela 2, o custo inicial para a implementação de um projeto solar fotovoltaico em uma residência é bastante elevado. 
Supondo que a conta de energia mensal desta residência do projeto é de R$ 200,00 e sabendo que as células fotovoltaicas têm mais ou menos de 15 a 20 anos de vida útil, e ainda que o investimento no projeto solar foi de cerca de R$ 190.000,00, teríamos retorno apenas com cerca de 80 anos. Ou seja, o projeto é inviável financeiramente.
A medida que a tecnologia avance, seus custos irão cada vez mais diminuir, quem sabe assim possibilitando assim que a utilização deste tipo de projeto seja viável economicamente no futuro.
REFERÊNCIAS
[1] Energia Solar Caseira. Introdução a Energia Solar.
[2] Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos.
[3] Sistemas de energia solar fotovoltaica e seus componentes. http://www.neosolar.com.br/aprenda/saiba-mais/sistemas-de-energia-solar-fotovoltaica-e-seus-componentes. Acessado em 15 de fevereiro de 2015.
[4] Energia Solar Fotovoltaica. http://www.neosolar.com.br/aprenda/saiba-mais/energia-solar-fotovoltaica. Acessado em 15 de fevereiro de 2015.
[5] Sistemas Isolados Grid-tie. http://www.neosolar.com.br/aprenda/saiba-mais/sistemas-conectados-grid-tie. Acessado em 26 de fevereiro de 2015.
[6] Painel Solar Fotovoltaico. http://www.neosolar.com.br/aprenda/saiba-mais/painel-solar-fotovoltaico. Acessado em 16 de fevereiro de 2015.
[7] Equipamentos do sistema Grid-tie. http://www.neosolar.com.br/aprenda/saiba-mais/sistemas-conectados-grid-tie/grid-tie-equipamento. Acessado em 26 de fevereiro de 2015.
[8] Loja Virtual: Minha Casa Solar. http://minhacasasolar.lojavirtualfc.com.br/. Acessado em 16 de fevereiro de 2015.