DIMENSIONAMENTO DE UM SISTEMA FOTOVOLTAICO CONECTADO À REDE ELÉTRICA Anderson Luiz Ferreira

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DIMENSIONAMENTO de UM sistema FOTOVOLTAICO CONECTADO À REDE ELÉTRICA
Anderson luiz ferreira
(andersonluizferreira2008@gmail.com)
orientador técnico e metodolÓgico
Anderson geraldo alves de oliveira
Coordenação de curso DE ENGENHARIA mecanica
RESUMO – O objetivo desse trabalho é dimensionar e analisar a viabilidade de implantação de um sistema fotovoltaico conectado à rede em uma empresa da região de Belo Horizonte. Feito o estudo do local de instalação, considerando as características elétricas do local analisado, como consumo elétrico, estudo da viabilidade para implantação dos sistemas fotovoltaicos de energia solar considerando as normas e resoluções normativas aplicadas, são demonstradas as características do efeito fotovoltaico, dos módulos e seus arranjos série/paralelos, composição dos sistemas, tipos e suas classificações. Para o projeto foi demostrado valores de radiação solar da região de BH obtidos em mapas solarimétricos, a média do valor de consumo diário para obtenção do valor da potência do projeto. Foram demostrados os valores de rendimento das placas fotovoltaicas devidos suas perdas, os cálculos de potência e número de placas de forma a obter a potência total do sistema de 322,09 Kwp, definição do modelo do inversor devido suas características e com isso definição dos arranjos de ligações das placas. Após todo estudo de viabilidade técnica verificou se a questão da viabilidade financeira o qual se obteve o valor de R$ 1.230.176,60 com um payback de 8 anos, após os cálculos os mesmos são confirmados com a simulação com o programa PVSyst, concluindo-se, então o estudo ao verificar a viabilidade técnica e econômica do projeto.
Palavras-chave - Energia solar. Geração fotovoltaica. Sistema fotovoltaico conectado à rede elétrica.
INTRODUÇÃO 
Atualmente a energia elétrica se tornou um item essencial à sobrevivência do ser humano. Com o uso dela podemos salvar vidas, trabalhar, estudar e muitas outras necessidades, desde as mais simples até as mais complexas. Entretanto, o que acontece é que a energia se tornou um problema atual e futuro, em um cenário com grande crescimento de demanda devido ao avanço tecnológico atual.
Com as questões referentes às fontes de energia, desafio de ser menos dependente das fontes não renováveis que além de altamente agressivas ao meio ambiente, são fontes finitas de energia.
A energia fotovoltaica, dentre as fontes de energias renováveis, destaca-se por ser autônoma e possuir um baixo índice de poluição em relação às outras tecnologias de geração de energia elétrica, por ser uma fonte inesgotável, renovável, pois oferece grande confiabilidade redução de custos de consumo a longo prazo (DUTRA et al., 2013). 
A redução de gastos de manufatura de uma empresa do setor químico, situada na região Metropolitana de Belo Horizonte de forma torná-la uma empresa com melhor competitividade no mercado, justificativa deste trabalho o qual busca oportunidades econômicas no mercado de geração de energia, foi realizado o dimensionamento e análise da viabilidade econômica da instalação de um sistema de minigeração fotovoltaico conectado à rede elétrica externa.
O objetivo deste trabalho é dimensionar e analisar a viabilidade técnica e econômica da implantação de um sistema fotovoltaico conectado à rede em uma empresa da região de Belo Horizonte. Para alcançar o objetivo desse trabalho será necessário atingir os seguintes objetivos específicos:
Dimensionar o sistema que será de um sistema de minigeração fotovoltaico de acordo com a infraestrutura e demanda de energia da empresa. 
Validar, através de software específico PVSyst, o sistema de minigeração dimensionado.
Analisar a viabilidade econômica da instalação da usina de minigeração.
REFERENCIAL TEÓRICO 
O referencial teórico tem o propósito de expor sobre as formas de interação do sistema de geração fotovoltaica juntamente com outras formas de geração de energia elétrica e sobre sua normatização regulamentadora. Demostrar formas de dimensionamento de um sistema para se ter o melhor desempenho. Devem ser verificados o histórico de consumo energia e as condições das locais disponíveis para instalação dos painéis fotovoltaicos. Com isso na fase de dimensionamento e projeto não é necessário fazer requisição de informações à concessionária.
Células e módulos fotovoltaicos
As células fotovoltaicas contêm uma junção de material semicondutor do tipo p e do tipo n, ou seja, contém uma junção p-n. Em certa medida, os elétrons e lacunas se difundem através da fronteira desta junção, criando um campo elétrico através dela. Os elétrons livres são gerados na camada n pela ação dos fótons. Quando os fótons de radiação solar atingem a superfície de uma célula solar e são absorvidos pelo semicondutor, algumas delas criam pares de elétrons e lacunas. Se esses pares estão suficientemente perto da junção p-n, seu campo elétrico faz com que as cargas se separem elétrons movendo-se para o lado de tipo n e lacunas para o lado de tipo p. Se os dois lados da célula solar forem agora ligados através de uma carga como na Figura 1, uma corrente elétrica fluirá, enquanto a radiação solar atinge a célula (KALOGIROU, 2016).
Figura 1 – Células fotovoltaicas com junção de material semicondutor.
 Fonte: KALOGIROU, 2016.
A energia do efeito fotovoltaico em que o raio solar é transformado em eletricidade em uma célula fotovoltaica, é fabricada com materiais chamados de semicondutores como as da Figura 2. O silício é o mais utilizado para produção destas células. A luz solar é composta de pequenos elementos chamados fótons, que ao atingir as células fotovoltaicas são absorvidos por elas. Esses fótons agitam os elétrons do material semicondutor, gerando assim eletricidade. Quanto maior a intensidade de a luz solar, maior o fluxo da eletricidade.
Figura 2 – Módulo de silício policristalino à esquerda e silício monocristalino à direita
 
Fonte: KYOCERA, 2017.
São várias as tecnologias fotovoltaicas existentes, como as tecnologias de silício: silício amorfo (a-Si) e silício policristalino (p-Si). Muitos tipos de células fotovoltaicas estão disponíveis hoje. Os principais tipos são o de silício cristalino, que responde por cerca de 80% do mercado. Esta seção dá detalhes de tecnologias de placa plana comercializada e uma visão geral das células que estão atualmente em fase de investigação e desenvolvimento (KALOGIROU, 2016).
 Arranjos fotovoltaicos
As placas fotovoltaicas transformam irradiação solar em energia elétrica corrente contínua. Por causa da baixa Tensão e Corrente das placas, elas podem ser agrupadas formando um arranjo fotovoltaico. Esse agrupamento pode ser feito colocando-se os módulos tanto em série quanto em paralelo. Ao se conectar as células em paralelo, como apresentado na Figura 3, a Corrente de cada módulo é somada e sua Tensão é a de apenas um módulo. Esse tipo de arranjo não é muito utilizado salvo em condições muito especiais.
Figura 3 - Ligação de células fotovoltaicas em paralelo.
Fonte: CRESESB, 2014.
A ligação mais usada é de módulos fotovoltaicos em série, este agrupamento soma as Tensões das células como demostrado na Figura 4. Quanto maior for à Tensão, menores serão as perdas, ou seja, maior será a eficiência do arranjo fotovoltaico.
Figura 4 - Ligação de células fotovoltaicas em série
Fonte: CRESESB, 2014.
Composição de um sistema fotovoltaico
Um sistema fotovoltaico pode possuir até quatro componentes básicos que são os seguintes:
Painéis solares os quais são responsáveis por transformar energia solar em energia elétrica. 
Os controladores de Carga: Possuem a função de evitar sobrecargas na bateria, aumentando sua vida útil.
Inversores: Possuem o trabalho de transformar os 12 V de corrente contínua (CC) das baterias em 110 v ou 220 v de corrente alternada (CA). No caso de sistemas conectados, também são responsáveis pela sincronia com a rede. 
Baterias: Responsáveis de armazenar energia para que o sistema funcione mesmo sem a presença do sol. 
Sistema fotovoltaicode geração de energia elétrica
De acordo com a NBR 11704:2008 a qual demostra as classificações dos sistemas fotovoltaicos. Sendo eles classificados quanto à interligação com a rede de distribuição de energia elétrica e quanto à configuração como Anexo 01 sobre as classificações dos sistemas fotovoltaicos. 
De acordo com normas temos os sistemas não conectados outras fontes de energia que são os Off-Grid. Os quais são aqueles que não possuem ligação com a rede de distribuição de energia elétrica. Os sistemas isolados, que somente dispõe da geração fotovoltaica necessitam de um banco de baterias para armazenar a energia gerada e fornecê-la nos períodos nos quais não há radiação solar. Estes sistemas têm como componentes: painel fotovoltaico, controlador de carga, banco de baterias e inversor. (LAMBERTS, R. et al. 2010).
Sistemas conectados à rede elétrica (On-Grid) 
Estes sistemas são aqueles que possuem ligação com a rede de distribuição de energia elétrica externa. É uma prática usual conectar sistemas fotovoltaicos à rede elétrica local. Isto significa que, durante o dia, a energia gerada pelo sistema fotovoltaico pode ser utilizada imediatamente (o que é normal para os sistemas instalados em escritórios, edifícios comerciais, e aplicações industriais) ou ser vendida para uma das empresas de abastecimento de eletricidade (que é mais comum para sistemas domésticos, onde o ocupante pode estar fora durante o dia). À noite, quando o sistema fotovoltaico não é capaz de fornecer a eletricidade necessária, a energia pode ser resgatada a partir da rede. Com efeito, a rede está agindo como um sistema de armazenamento de energia, o que significa que o sistema não precisa incluir o armazenamento da bateria (KALOGIROU, 2016).
 Um diagrama esquemático de um sistema conectado à rede é mostrado na figura 5 a seguir.
Figura 5 - Um sistema fotovoltaico conectado à rede (On-grid)
Fonte: EPE, 2016. 
Sistemas não conectados à rede elétrica (Off-Grid) 
Sistemas fotovoltaicos autônomos ou Off-Grid são usados em áreas que não são facilmente acessíveis ou não têm acesso a uma rede elétrica independente. Um sistema autônomo é independente da rede de eletricidade, com a energia produzida normalmente sendo armazenada em baterias. Um sistema autônomo típico consistiria em um ou mais módulos fotovoltaicos, baterias e um controlador de carga. Um inversor pode também ser incluído no sistema para converter a corrente contínua gerada pelos módulos fotovoltaicos para a corrente alternada requerida pelos aparelhos normais (KALOGIROU, 2016). 
Figura 6 – Esquema de um sistema Off-Grid
Fonte: EPE, 2016.
Projeto de sistema fotovoltaico
A saída de energia elétrica a partir de um módulo fotovoltaico depende da radiação incidente, a temperatura da célula, o ângulo de incidência da energia solar e a resistência de carga. Nesta seção, um método para projetar um sistema fotovoltaico é apresentado e todos estes parâmetros são analisados. Inicialmente, um método para estimar a carga elétrica de uma aplicação é apresentado seguido pela estimativa da radiação solar absorvida a partir de um módulo fotovoltaico e uma descrição do método para o dimensionamento de sistemas fotovoltaico (KALOGIROU, 2016).
Em sistemas fotovoltaicos conectados à rede, a potência instalada não é tão importante, porque a energia produzida, se não for consumida, é introduzida na rede. Com isso é muito importante nos estágios iniciais do projeto do sistema avaliar as cargas elétricas que o sistema irá cobrir. Normalmente, as primeiras coisas que tem que ser estimado é a carga que o sistema vai encontrar. É muito importante ser capaz de estimar precisamente as cargas do sistema. Devido à despesa inicial necessária, o sistema está dimensionado para o mínimo necessário para atender à demanda específica. Se, por exemplo, existem três aparelhos, que exigem 500 W, 1000 W e 1500 W, respectivamente; cada aparelho irá operar por 1 h; e apenas um aparelho está ligado de cada vez, então o sistema deve ter uma potência de pico instalada de 1500 W e 3000 Wh de requisito de energia. Se possível, quando se utiliza um sistema fotovoltaico, as cargas devem ser intencionalmente distribuídas por um período de tempo para manter o sistema pequeno e, assim, o custo-benefício.
Geralmente, a potência de pico é estimada pelo valor da maior potência que ocorre em um determinado momento que a exigência de energia é obtida, multiplicando a potência de cada aparelho e o horário de funcionamento e somando as necessidades de energia de todos os aparelhos ligados ao sistema. A potência máxima pode ser facilmente calculada com a ajuda de um diagrama potência-tempo.
Radiação solar absorvida
O principal fator que afeta a produção de energia a partir de um sistema fotovoltaico é a radiação solar, S, absorvida na superfície do sistema fotovoltaico. Isso depende radiação incidente, da massa de ar, e do ângulo de incidência. É necessário estimar a radiação solar absorvida utilizando os dados horizontais e a informação sobre o ângulo de incidência. 
Pode-se deduzir que, para o correto dimensionamento de um sistema fotovoltaico, é necessário conhecer os valores dos dados de radiação solar incidentes no local da instalação e no plano dos módulos. Existem informações que podem ser acessadas pela internet, além de publicações especializadas. Entretanto, as medições sistemáticas devem ser continuadas, para garantir a composição de séries históricas contendo dados cada vez mais confiáveis e com mais detalhes (CRESESB, 2014).
Informações a partir de medições de superfície
Informações podem ser obtidas a partir de medições de superfície, um dos primeiros estudos publicados para o Brasil foi realizado por Nunes et al. (1979) com mapas de irradiação solares obtidos a partir de correlações com dados do número de horas de insolação. Em 1987 a OLADE - Organização Latino Americana de Energia publicou novos mapas com dados também derivados de correlações a partir das informações sobre o número de horas de insolação, registrados nas estações do Instituto Nacional de Meteorologia e outras estações brasileiras. Além dos mapas, a publicação incluía tabelas impressas. Um extensivo trabalho na Universidade de Massachusetts, Lowell (Estados Unidos) compilou dados de irradiação solar de quase todo o planeta.
Os dados brasileiros foram extraídos principalmente da base da OLADE. Com os dados digitalizados, sua difusão foi ampliada, e logo os mesmos dados foram incorporados à base de dados de uma organização espanhola, CENSOLAR, sendo possível acessá-los a partir do programa SunData (CRESESB, 2014).
Dados meteorológicos compilados em médias mensais de 30 anos (entre 1961 e 1990) são apresentados na publicação denominada Normas Climatológicas do Instituto Nacional de Meteorologia. Dentre os dados desta publicação inclui-se o valor médio do número de horas de insolação, através do qual se pode estimar a irradiação solar.
A rede SONDA (Sistema de Organização Nacional de Dados Ambientais) disponibiliza dados de um número limitado de estações para determinados períodos de tempo, os quais podem ser acessados na página http://sonda.ccst.inpe.br. A rede foi implantada em 2004 e tem como principal objetivo o estabelecimento de uma infraestrutura física e de recursos humanos destinados à montagem e melhoramento da base de dados de superfície necessária ao levantamento dos recursos de energia solar e eólica no Brasil e consequente planejamento de seu uso.
 Informações a partir de medições por satélites
O número de estações de medição de dados que podem ser usados para estimar a radiação solar é ainda reduzido, considerando a extensão do território brasileiro. Técnicas para estimar a radiação solar a partir de imagens de satélites têm sido aprimoradas, permitindo uma cobertura muito mais abrangente.
O primeiro produto resultante da utilização de modelos que utilizam imagens de satélite para estimar a irradiação solar no Brasil foi o Atlas de Irradiação Solar no Brasil utilizando um modelo físico de transferência daradiação solar através da atmosfera denominado BRASIL-SR. Em 2006 foi publicado o Atlas Brasileiro de Energia Solar, com o mesmo modelo aperfeiçoado e utilizando imagens de mais satélites (CRESESB, 2014). 
Mapas e dados compilados sobre a irradiação solar no Brasil no Programa SWERA (Solar and Wind Energy Resource Assessment) podem ser encontrados na página: http://swera.unep.net/. Nesse local podem ser acessados os dados e mapas referentes ao Atlas Brasileira de Energia Solar e dados da América Latina desenvolvida pelo NREL (National Renewable Energy Laboratory do Departamento de Energia dos Estados Unidos) e disponíveis para cada mês com índices de latitude e longitude. Este banco de dados permite acessar valores médios da irradiação solar em qualquer localidade do mundo, em uma resolução de 1° x 1° de latitude e longitude, fazendo uso de dados coletados ao longo de 22 anos. 
Ferramentas computacionais utilizadas para elaboração de projetos fotovoltaicos.
Softwares computacionais que realizam análises conjuntas de aspectos técnicos e econômicos são intensamente empregados na área de projetos de sistemas de geração fotovoltaica. São encontrados vários softwares para desenvolvimento de projetos de sistemas fotovoltaicos, o PVSyst é muito utilizado, desenvolvido pela Universidade de Genebra e comercializado atualmente pela PVSyst SA. Permite o trabalho em diferentes níveis de complexidade, desde um estágio inicial e até a apresentação de um detalhado sistema de simulação. Apresenta também uma ferramenta adicional, tridimensional, que leva em conta as limitações no horizonte e aqueles objetos que possam projetar sombras.
Figura 7 – Interface PVSyst
 
Fonte: DO AUTOR, 2018. 
Ele permite importar dados dos programas Meteonorm e TMY2, o que facilita comparar valores simulados com valores medidos. Além disso, tem uma interface para dados e possui base de dados de irradiação de 22 localidades na Suíça e de 200 localidades do resto do mundo. Além de uma ampla base de dados de módulos e inversores. O programa apresenta as perdas do sistema fotovoltaico e a sua taxa de desempenho. Se o usuário adicionar o custo de cada componente à base de dados existente, o programa pode projetar os custos de produção de energia em adição a uma série de parâmetros técnicos, fornecidos no fim da simulação (CRESESB, 2014).
Dados para dimensionamento do sistema
Para o dimensionamento o primeiro passo é obter o Cm (consumo médio mensal) direto na conta de luz da concessionária somando os valores mensais e dividindo por 12 meses conforme Equação 1: 
	
	
	(1)
Efetuando o desconto de 100 Kwh correspondente a taxa de disponibilidade de acordo com a resolução da ANEEL Nº 414 DE 9 DE SETEMBRO DE 2010. Após este cálculo deve-se verificar o Cd (consumo diário) que é calculado pela Equação 2
	
	
	(2)
Para obter a energia consumida pela empresa, este valor utilizado para definição de potência necessária para os painéis fotovoltaicos conforme Equação 3.
	
	
	(3)
O rendimento do sistema é calculado pela Equação 4.
	
	
	(4)
Deve se verificar os valores de tempo de exposição de nosso sistema por dados solarimétricos no qual buscamos o HSP (Horas de sol pico) da região de Belo Horizonte, gráfico de irradiação solar no site do Cresesb (Centro de Referência para as energias Solar e Eólico Sergio de Brito), o qual segue como anexo.
Os painéis devem ser colocados apontados para o norte geográfico, e com inclinação igual à latitude local, para otimização de sistemas On-grid. O benefício de rendimento da inclinação aumenta à medida que se afasta da linha do equador e o sol está mais baixo no céu. O efeito da irradiação solar global sobre uma superfície inclinada de forma ideal em relação a uma superfície horizontal (KALOGIROU, 2016).
Para obter rendimento é necessário avaliar as perdas do sistema. As principais perdas no sistema, pode-se citar:
As perdas por temperatura devido a características do painel a 25C° podem ser verificadas nas informações passadas pelo fabricante a qual seguem no anexo e podem chegar à eficiência em média de 17,85%,
A incompatibilidade elétrica entre ligações serie paralelo dos módulos no sistema fotovoltaico são normalmente conectados em arranjos. Um arranjo com MP módulos em paralelo onde cada String tem MS módulos em série possuem perdas entre 1% a 2%. O acúmulo de sujeira pode causar perdas de até um 1%, por isso elas ter uma manutenção de no mínimo entre 6 a 6 meses. O cabeamento corrente continua e alternada possui perdas devido à condutividade dos cabos usados no sistema tanto na parte de corrente alternada quanto continua elas são entre 0,5% a 1%. 
O inversor que de acordo com (KALOGIROU, 2016) é usado para converter a energia elétrica de corrente contínua em corrente alternada. A saída do inversor pode ser monofásica ou trifásica. Inversores são classificados pela potência total, que varia de centenas de watts a megawatts. Alguns inversores têm boa capacidade de intervenção rápida para motores de partida, e outros têm uma capacidade limitada de surto. O inversor é caracterizado por uma eficiência dependente da potência, η inv. Além de mudar a CC em CA, a função principal do inversor é manter uma tensão constante no lado CA e converter a potência de entrada, P in, na potência de saída, P out, com a maior eficiência possível, dada pela Equação 5: 
	
	
	(5)
Os inversores para sistemas fotovoltaicos da fabricante Fronuis possuem rendimento hoje em dia com média grau de eficiência máxima de 98,1%, como isso utilizamos o rendimento de 2%.
Após o cálculo do rendimento deve se definir o modelo dos painéis que serão usados no projeto para se obter a potência dos mesmos. Com todos os valores necessários utilizamos a equação 09 para obtenção da potência total.
Com todos os valores pode se verificar se a quantidade de painéis necessários com a Equação 6:
	
	
	(6)
Estes painéis serão instalados sobre a área do telhado demostrada na Figura 8, podem ser usados fixadores para esta instalação.
Figura 8 – Imagem de satélite da área disponível para implantação do sistema
Fonte: GOOGLE EARTH, 2018. 
Normas e resoluções normativas aplicadas ao sistema fotovoltaico
De acordo RESOLUÇÃO NORMATIVA Nº 687, DE 24 DE NOVEMBRO DE 2015, podemos classificar as fontes geradoras de energia fotovoltaica e sua capacidade como microgeração e minigeração:
Microgeração distribuída: central geradora de energia elétrica, com potência instalada menor ou igual a 75 kW e que utilize cogeração qualificada.
Minigeração distribuída: central geradora de energia elétrica, com potência instalada superior a 75 kW e menor ou igual a 3 MW para fontes hídricas ou menor ou igual a 5 MW para cogeração qualificada.
De acordo com estas normas podem aderir ao sistema de compensação de energia elétrica nos quais se faz a troca de créditos junto à concessionaria de energia elétrica os consumidores responsáveis por unidade consumidora com microgeração ou minigeração distribuída, integrante de empreendimento de múltiplas unidades consumidoras, caracterizada como geração compartilhada, caracterizada como autoconsumo remoto.
O investidor em energia fotovoltaica que venha ter um potencial de seu sistema maior do que seu próprio consumo pode lançar esta energia não gasta diretamente na rede da concessionaria local este excedente de energia que não tenha sido compensado na própria unidade consumidora pode ser utilizado para compensar o consumo de outras unidades consumidoras.
Com isso a energia solar em nosso país já se torna possível, permitindo a qualquer cidadão que queira, poder produzi-la em sua casa, tornando-se uma fonte de energia limpa e renovável que se utiliza dos raios do Sol, cujo impacto no meio ambiente é menor do que o de uma usina hidrelétrica, nuclear ou termelétrica (GREENPEACE, 2013).
Com o objetivo de reduzir os custos e tempo para a conexão da microgeração; compatibilizar o Sistema de Compensação de Energia Elétrica com as Condições Geraisde Fornecimento (Resolução Normativa nº 414/2010); aumentar o público alvo; e melhorar as informações na fatura, a ANEEL publicou a Resolução Normativa nº 687/2015 revisando a Resolução Normativa nº 482/2012 (ANEEL, 2015).
Com as questões referentes às fontes de energia, temos como desafio nos tornarmos menos dependente das fontes fósseis que além de altamente agressivas ao meio ambiente, são fontes finitas de energia.
De acordo com a Empresa de Pesquisa Energética - EPE (2014) verificamos que a utilização de fontes de energias renováveis no cenário brasileiro foi de 41% em 2013, tendo em média mundial de 13% em 2011. Verificando esta oferta interna de 41% de energias renováveis, temos: biomassa da cana (16,1%); hidráulica (12,5%); lenha e carvão vegetal (8,3%); lixívia e outras renováveis (4,2%) (EPE, 2014).
A produção de energia elétrica brasileira é proveniente em sua maioria, das usinas hidrelétricas. Em 2016, 68,1% da energia elétrica gerada no Brasil era de origem hidráulica (EPE, 2017). Há a preocupação de se ter cada vez mais, diferentes fontes de energia renovável para que a matriz energética seja diversificada, não dependendo quase que exclusivamente de uma só fonte energética, evitando futuros problemas com apagões e racionamentos de energia elétrica.
As implantações de usinas hidrelétricas, mesmo sendo uma energia limpa, impactam fortemente o meio ambiente, sendo alvo de uma legislação bastante rígida. Além do tempo para o desenvolvimento da obra para a construção de uma usina hidrelétrica, ainda se necessita de muito tempo envolvido no licenciamento ambiental estabelecido (ANEEL, 2012).
Sendo que a energia solar como uma fonte de energia renovável e os painéis solares fotovoltaicos para a geração de energia elétrica são de fácil instalação, tendo um tempo para implantação do sistema baixo, pois são colocados por cima de estruturas já construídas ou simplesmente sobre o solo sem haver agressão ao ambiente, se tornado uma opção de fácil implementação (EPE, 2014).
Também porque a energia solar no território brasileiro tem um grande potencial para sua conversão em energia elétrica, com irradiação global média anual entre 1.200 e 2.400 kWh/m²/ano. Para título de comparação, em países que exploram esta fonte há mais tempo como Alemanha e Espanha, os valores variam, respectivamente, nas faixas de 900-1.250 e 1.200-1.850 kWh/m²/ano. (PDE, 2012). 
Analisado o consumo de energia dentro de uma empresa devido ao seu alto consumo, ao qual se tem um grande período de incidência solar, sendo grande parte deste consumo devido ao seu grande número de máquinas.
Verificando se as dificuldades envolvidas na geração de energia hidroelétrica e a facilidade da utilização dos painéis fotovoltaicos, juntamente à coincidência entre o pico de carga do horário de funcionamento da fábrica no momento em que se tem energia solar para produção de energia, analisa-se a real viabilidade da implantação de geração fotovoltaica. O cálculo da energia gerada pelo sistema fotovoltaico será a partir da determinação da área da cobertura disponível na superfície do telhado da empresa. 
Indicador de viabilidade econômica (Payback)
O payback é um indicador que indica o período de tempo necessário para que a empresa recupere o seu investimento. Ele é o principal método não exato, que mede o tempo necessário para que a somatória das parcelas anuais seja igual ao investimento inicial. O payback deve ser utilizado como parâmetro, pois ele irá medir, com base na geração de caixa, em quanto tempo o dinheiro investido retornará, será feita a somatória de forma simples em uma planilha de forma a demostrar o retorno do investimento ao passar dos anos. Calculado no fluxo de caixa de vida útil de 15 anos, o payback apresenta-se de várias maneiras para cada tipo de empresa Brito (2003).
Destacada que uma das vantagens deste método é que ele reflete a liquidez do projeto e, portanto, o risco de não recuperar o investimento. Complementa ainda que quanto mais líquido o investimento, supõe-se que menos será arriscado e vice-versa. Por ser um indicador de cálculo fácil, pequenas empresas utilizam este método que é intuitivo e por demonstrar o período necessário para que o investimento seja retornado Brito (2003).
METODOLOGIA DE PESQUISA 
Este estudo caracteriza-se como pesquisa exploratória, realizada por meio de um estudo de caso e cálculo de dimensionamento do sistema solar, juntamente com simulação computacional, com um programa computacional afim de obter resultados que posteriormente foram analisados em uma empresa localizada na região de Belo Horizonte. 
Informações preliminares
Este trabalho teve início com o estudo da estrutura do prédio da empresa. As condições ambientais, são fatores que foram levados em conta neste projeto e que interferem diretamente na eficácia do sistema fotovoltaico.
Para o dimensionamento do sistema foi necessário a obtenção de alguns dados obtidos a partir da localização geográfica. Esses dados são: a coordenada geográfica e o ângulo azimutal. Essas informações foram obtidas com o auxílio de uma bússola.
As informações utilizadas como consumo diário da empresa e carga total para o sistema foram adquiridas a partir de fatura mensal de consumo de energia elétrica disponibilizadas pelos representantes da empresa interessada na instalação do sistema. 
Dimensionamento do sistema fotovoltaico
A partir das informações preliminares e com o auxílio dos modelos matemáticos expostos no referencial teórico será calculada a energia a ser gerada pelo sistema. Além das informações preliminares serão consideradas as perdas do sistema, a inclinação dos painéis, radiação solar da localidade, a temperatura ambiente ao longo do ano, a quantidade de painéis utilizados de acordo com a área total do telhado do prédio utilizado, potência e tensão elétrica do arranjo dos painéis bem como a potência e rendimento do inversor. 
Dimensionamento através de recurso computacional
A partir da simulação pelo software PVSyst será feita a verificação e validação do sistema. Este programa é de grande importância quando se pretende projetar um sistema fotovoltaico.
Estudo da viabilidade econômica
Obtenção dos cálculos de investimentos para instalação do projeto proposto com valores de orçamento de equipamentos de possíveis fornecedores. Para efetuar a análise da viabilidade econômico-financeira da energia fotovoltaica foram verificados o payback descontado ao passar dos meses utilizando a Taxa Mínima de Atratividade (TMA) que é uma taxa de juros que representa o mínimo que um investidor se propõe a ganhar quando faz um investimento, ou o máximo que uma pessoa se propõe a pagar quando faz um financiamento.
RESULTADOS E DISCUSSÕES
Dimensionamento efetuado para do sistema fotovoltaico
De acordo com informações relativas ao projeto executado, bem como análises técnicas e econômicas. Sistema comum em áreas urbanas nos quais as edificações já existentes são consumidoras de energia da elétrica, e passam a ser produtores de energia podendo em situações de baixo consumo retornar o excedente a rede de distribuição. 
Este trabalho revisa dimensionar o número de placas fotovoltaicas e a potência do inversor, o valor de consumo em Kwh, calculado utilizando a Equação 1. O consumo médio (Cm) encontrado foi de:
Cm = 40721 kWh/mês.
O Consumo diário (Cd) da empresa foi calculado utilizando a Equação 2.
Cd = 40621 kWh/mês÷30 dias = 1354 kWh/dia.
Após consultar o gráfico no site do CRESESB (Centro de Referência para as energias Solar e Eólico Sergio de Brito) o qual segue como Anexo 2 são verificados o tempo de exposição solar em Belo Horizonte e de 5,379 horas por dia em média. Os painéis foram colocados apontados para o norte geográfico, e com inclinação igual à latitude local de 19.080 s. O benefício de rendimento da inclinação aumenta à medida que se afasta da linha do equador e o sol está mais baixo no céu. O efeito da irradiação solar global sobre uma superfície inclinada de forma ideal em relação a uma superfície horizontal (KALOGIROU,2016).
O rendimento do sistema de acordo com KALOGIROU, após verificar as perdas por temperatura de 17,85%, incompatibilidade elétrica entre ligações série/paralelo de 2%, acumulo de sujeira de 1% e o cabeamento corrente continua e alternada de 1% a eficiência obtém-se o valor de rendimento de 78,15% da potência total do sistema.
Definições do número de placas e inversores usado.
Para definir o número de painéis que do projeto foi utilizado o seguinte modelo de painel Solar Fotovoltaico da marca Canadian modelo CSI CS6U-330P com a potência de 330 Watt-pico (Wp) e tensão máxima de 37,2 volts, a preferência por este painel foi devido a sua potência ser alta de acordo com outros modelos comerciais que não demonstram melhor custo benefício, pois o preço do mesmo e bem parecido, informações especificas seguem em Anexo 03.
Com todos os valores necessários utilizamos a Equação 4 demostrada no início de nosso dimensionamento:
 
A potência máxima que as placas forneceram sistema será de 322,09 Kwp. Com isso a quantidade de painéis necessários de acordo com a Equação 6 será de:
Estes painéis estão instalados sobre a área do telhado da empresa em uma área de 3960,0 m2, foram usados fixadores para esta instalação dos mesmos, e instalados com os seguintes arranjos de 19 painéis em série com a tensão máxima de 706.8 vdc e 59 arranjos em paralelo cada uma com a corrente máxima de 44 A e com isso chegando a potência necessária, esta configuração de arranjos também e demostrada Anexo 6. 
Com os dados de tensão e corrente dos arranjos estabelecemos o modelo do inversor usado no projeto que será modelo Fronius Eco 27.0-3-S Trifásico 380v que possui a entrada de tensão de 580 vdc mínima e 1000 vdc máxima, e 47,7 Adc máxima, tensão de saída de 380 Vac com a potência de 27 KW, segue informações do fabricante no Anexo 04. Para este projeto foram usados 12 inversores, o qual somados possuem a potência de 324 KW superando a potência total do sistema.
Após a instalação dos inversores e de acordo com as características do mesmo e da rede elétrica da empresa foi instalado um transformador com a potência: 500 KVA com tensão 380/220v trifásico como complemento do sistema, pois a empresa trabalha com a tensão de 220v trifásico.
Comparação de dimensionamento com software PVSyst
Após os calculo foi feita a comparação com os valores obtidos da simulação no software PVSyst, estes valores completos sem encontram no Anexo 6.
Dimensionamento através dos cálculos:
Potência do sistema:322 Kwp. 
Número de placas: 977.
19 painéis em série com a tensão máxima de 706.8 vdc.
59 arranjos em paralelo cada uma com a corrente máxima de 44 Amps.
Número de inversores: 12.
Simulado em Software PVSyst:
Potência do sistema: 320 Kwp.
Número de placas: 969. 
19 painéis em série com a tensão máxima de 706.8 vdc.
51 arranjos em paralelo cada uma com a corrente máxima de 38,03 A.
Número de inversores: 10.
Pode se observar que os valores obtidos no dimensionamento através de cálculos e na simulação possuem valores 
Investimento dos equipamentos usados na instalação do sistema fotovoltaico 
Com valores demostrados nos dados do texto, o projeto proposto para a implantação do sistema descritos na Tabela 1 logo abaixo, com os respectivos investimentos necessários.
Tabela 1 - Investimento do projeto
	Material
	Quantidade
	Valor R$ unitário
	Valor R$ total
	Painel Solar Fotovoltaico da marca Canadian modelo CSI CS6U-330P com a potência de (330Wp certificação “A “no Inmetro)
	977
	800,00
	781.600,00
	Inversor “On grid “, fabricante Fronuis Eco 27.0-3-s Trifásico 380v com Wifi, potência de 27 KW.
	12
	20.000,00
	240.000,00
	Suporte de fixação de painéis
	977
	80,00
	78.160,00
	Transformador 500 KVA com tensão 380/220v
	1
	20.000,00
	20.000,00
	Mao de obra especializada
(Em média 15% do total da obra projetada)
	
	
	111976,00
	Total
	
	
	1.230.176,60
Fonte: DO AUTOR, 2018.
Os painéis solares foram fixados sobre o telhado da empresa, os inversores e painéis elétricos localizados em uma sala específica da própria empresa, no andar térreo, para facilitar a manutenção e gerenciamento do processo de produção de energia elétrica.
O projeto elétrico, feito por uma empresa especializada da própria cidade, que já possui experiência na área de energias renováveis o qual trabalham com o custo de 15% do valor do material utilizado, esta mesma empresa que documentou o projeto elétrico e o encaminhou à concessionária de energia local para avaliação e aprovação, haja vista que este procedimento exigido pela concessionária.
Verifica-se que o investimento em equipamentos para instalação do sistema e geração de energia através de painéis fotovoltaicos, conforme pode ser visualizado na Tabela 1, é de R$ 1.230.176,60, este valor não e muito diferente do orçamento feito no Portal Solar para a mesma região e potência disponível como Anexo 4 do trabalho.
Analise da viabilidade econômica e avaliação dos resultados.
A energia atualmente consumida pela empresa é pela concessionária local que é a Central Elétrica de Minas Gerais (Cemig). Após analisar a fatura de energia elétrica foi possível perceber que o valor do Kwh à fornecedora era de aproximadamente 0,32874 R$/kWh.
Esta cobrança é referente à utilização da rede da empresa para transportar a energia entre a geração e o consumidor final. Foi possível perceber também, pela fatura, que este valor do Kwh em um horário fora ponta e que ele pode ser bem maior caso o consumo seja em horário de ponta. Na Tabela 2 e 3 a seguir apresenta o fluxo de caixa projetado para o período de 15 anos. Ao considerar um custo de 0,32874 R$/kWh e a possibilidade de geração média mensal do sistema proposto de 40.721 kWh é possível economizar mensalmente R$ 13.386,621 e chegando anualmente R$ 160.639,45. O cálculo do payback descontado considera uma Taxa Mínima de Atratividade (TMA) de 13,05% que significa a taxa que representa o mínimo que um investidor se propõe a ganhar quando faz um investimento ao ano, com isso são necessários 8 anos para recuperar o investimento inicial proposto de R$ 1.230.176,60 e em 15 anos um ganho com o sistema de R$ 1.179.415,15 demostrado na Tabela 4. 
Tabela 2 – Análise financeira.
	ANALISE FINANCEIRA
	CONSIDERAÇOES DE ENTRADA
	Custo do investimento
	R$ 1.230.176,60
	Tarifa de energia da concessionária
	0,32874 R$/kWh (Junho/2018)
	Ajuste tarifário (Média histórica)
	11,00% (Últimos 10 anos Cemig)
	Taxa de Disponibilidade
	100 Kwh/mês
	Depreciação dos Equipamentos
	0,50% ao ano
	Vida Útil do Sistema
	25 anos
	Taxa Mínima de Atratividade (TMA)
	13,05 a.a. (Tesouro Selic)
	Payback simples
	8 anos (Aproximadamente)
Fonte: DO AUTOR, 2018.
Tabela 3 – Recuperação do investimento anualmente (Payback).
	Recuperação de investimentos
	
	ANOS
	LUCRO ANUAL
	RECUPERAÇÃO DE INVESTIMENTO
	2018
	R$ 160.639,45
	-R$ 1.069.537,15
	2019
	R$ 160.639,45
	-R$ 908.897,70
	2020
	R$ 160.639,45
	-R$ 748.258,25
	2021
	R$ 160.639,45
	-R$ 587.618,80
	2022
	R$ 160.639,45
	-R$ 426.979,35
	2023
	R$ 160.639,45
	-R$ 266.339,90
	2024
	R$ 160.639,45
	-R$ 105.700,45
	2025
	R$ 160.639,45
	R$ 54.939,00
	2026
	R$ 160.639,45
	R$ 215.578,45
	2027
	R$ 160.639,45
	R$ 376.217,90
	2028
	R$ 160.639,45
	R$ 536.857,35
	2029
	R$ 160.639,45
	R$ 697.496,80
	2030
	R$ 160.639,45
	R$858.136,25
	2031
	R$ 160.639,45
	R$ 1.018.775,70
	2032
	R$ 160.639,45
	R$ 1.179.415,15
Fonte: DO AUTOR, 2018.
Tabela 4 Recuperação do investimento anualmente.
Fonte: DO AUTOR, 2018.
CONCLUSÕES
Nas considerações finais deste estudo que se objetivou analisar a viabilidade técnica e econômica da energia solar fotovoltaica como alternativa para redução de custos e de diversificação da matriz energética em uma empresa de Belo Horizonte. Para a análise da viabilidade econômico-financeira da energia solar fotovoltaica foram analisados o payback descontado, a taxa interna de retorno. Os resultados revelaram que o projeto da implantação de energia solar fotovoltaica como alternativa para redução de custos e de diversificação energética é viável para o período analisado, considerando os dados projetados conclui-se que, além de reduzir custos e de apresentar viabilidade econômica financeira para a empresa, a energia solar, uma das mais importantes dentre as fontes de energias renováveis, gerará benefícios inestimáveis também ao meio ambiente e a empresa com o passar do tempo.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ANEEL - Agência Nacional de Energia Elétrica. Micro e Minigeração Distribuídas- Resolução Normativa n. 482/2012. Brasília-DF, 2014.
ANEEL - Agência Nacional de Energia Elétrica. Micro e Minigeração Distribuídas- RESOLUÇÃO NORMATIVA Nº 687, DE 24 DE NOVEMBRO DE 2015. Disponível em http://www2.aneel.gov.br/cedoc/ren2015687.pdf. Acesso em 10/09/2017.
BRITO, PAULO - Análise e viabilidade de projetos de investimentos. São Paulo: Atlas, 2003.
CRESESB - Centro de Referência para Energia Solar e Eólica. Manual de engenharia para sistemas fotovoltaicos. Rio de Janeiro-RJ, 2014.
DUTRA, SILVEIRA, J. S. T.; ÁVILA, L. V. Uma Análise do Panorama das Regiões Missões e Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul sob o Prisma da Energia Eólica e Solar Fotovoltaica como Fontes Alternativas de Energia. Revista Paranaense de Desenvolvimento-RPD, v. 34, n. 124, p. 225-243, 2013.
EPE - Empresa de Pesquisa Energética. Balanço Energético Nacional 2014 – Ano base 2013. Rio de Janeiro, 2014. Disponível em http://www.epe.gov.br. Acesso em 10/09/2017.
EPE - Empresa de Pesquisa Energética. Energia renovável hidráulica, biomassa, eólica, solar e oceânica. Disponível em http://www.epe.gov.br/Documents/Energia%20Renov%C3%A1vel%20%20Online%2016maio2016.pdf.br. Acesso em 10/09/2017.
EPE. Balanço Energético Nacional 2017 base 2016. Disponível em: < https://ben.epe.gov.br/downloads/S%C3%ADntese%20do%20Relat%C3%B3rio%20Final_2017_Web.pdf. Acesso em: 10/09/2017.
GIL, A. C. Como elaborar projetos de pesquisa. 4. ed. São Paulo: Atlas, 2008.
LAMBERTS, R... et al. Casa Eficiente: Consumo e Geração de Energia Volume 2. UFSC, 2010
RIBEIRO, U. Estudo de Viabilidade Econômica de Instalação de Fontes de Energia Renováveis Baseadas em Células Fotovoltaicas para o Uso Residencial. Universidade de São Paulo, 2012.
KALOGIROU, SOTERIS A. Engenharia de energia solar: processos e sistemas. 2. ed. – Rio de Janeiro: Elsevier, 2016.
VIRIDIAN. Energia Solar Fotovoltaica. 2015. Disponível em http://www.viridian.com.br. Acesso em 10/09/2017.
 
ANEXOS
Anexo 1 - Classificação de Sistemas Fotovoltaicos
Fonte: Cresesb, 2014.
Anexo 2 - Irradiação solar no plano inclinado de Belo Horizonte 
Estação: Belo Horizonte
Município: Belo Horizonte, MG - BRASIL
Latitude: 19,801° S
Longitude: 43,949° O
Distância do ponto de ref. (19,8° S; 43,9° O):5,1 km
Irradiação solar diária media mensal de: 5,17 Kwh/m2.dia. 
(Fonte: Cresesb, 2018)
Anexo 3 – Especificações técnicas do painel 330 Wp de energia solar Canadian
	Máxima Potência (Pm):
	330 Watts
	Tolerância:
	0 ~ + 5 Watts
	Voltagem de Máxima Potência (Vm):
	37,2 Volts
	Corrente de Máxima Potência (Im):
	8,88 Amps
	Voltagem de Circuito Aberto (Voc):
	45,6 Volts
	Corrente de Curto-Circuito (Isc):
	9,45 Amps
	Voltagem Máxima do Sistema:
	1000 Volts
	Eficiência do Painel:
	16,97%
	Coeficiente de Temperatura da Potência (Pm):
	-0,41 %/°C
	Coeficiente de Temperatura da Corrente (Isc):
	0,053 %/°C
	Coeficiente de Temperatura da Voltagem (Voc):
	-0,31 %/°C
	Temperatura Nominal de Operação de Célula (TNOC/NOCT):
	43±2°C
* Condição padrão de teste STC/CPT: Irradiação de 1.000 W/m², Espectro de Massa de Ar 1.5 e Temperatura de Célula de 25°C.
(Fonte fabricante)
Anexo 4 – Especificações técnicas do inversor Fronuis
Inversor Fronius Eco 27.0-3-S 27 kW Trifásico 380V
Especificações técnicas
Dados de Entrada:
Tensão máxima de entrada: 1000Vcc
Faixa de tensão do MPP: (420Vcc a 800Vcc)
Tensão mínima de entrada: 580Vcc
Corrente máxima de entrada: 44,2A
Dados de Saída:
Potência nominal de saída: 27000W
Max. corrente de saída 39.0 A
Grid conexão 3~NPE 400 V / 230 V (+20 % / - 30 %
Frequência de saída: 50 Hz / 60 HZ (45 - 65 Hz)
Fator de distorção < 2 %
Fator de potência Cos Phi 0 - 1 ind./cap. 2)
Outras Características:
Eficiência Máxima: 98%
Consumo interno (noite): <1W
Temperatura de Operação: -25˚C a +60˚C
Especificações Mecânicas:
Dimensões: 725 x 510 x 225 mm
Peso: 35,69 kg
 Aplicações 
Sistemas de energia solar conectados à rede elétrica
(Fonte: Fronuis, 2018)
Anexo 5 – Orçamento de um sistema equivalente
Fonte: Portal Solar, 2018. 
ANEXO 6 – Simulação PVSyt
Fonte: Dados do autor, 2018.
ANEXO 6 – Simulação PVSyt
Fonte: Dados do autor, 2018.
ANEXO 6 – Simulação PVSyt
Fonte: Dados do autor, 2018.
ANEXO 6 – Simulação PVSyt
Fonte: Dados do autor, 2018.