Projeto Energia Solar

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ

THIAGO CESAR RAMOS DE SOUZA

Dimensionamento Técnico e Avaliação Econômica da Microgeração Solar - Estudo de caso: Novo Prédio de Engenharia Elétrica

CURITIBA 2013

THIAGO CESAR RAMOS DE SOUZA

Dimensionamento Técnico e Avaliação Econômica da Microgeração Solar - Estudo de caso: Novo Prédio de Engenharia Elétrica Trabalho

de

Conclusão

de

Curso

apresentado como documento avaliativo ao Departamento de Engenharia Elétrica, Setor

de

Tecnologia,

Universidade

Federal do Paraná, como parte das exigências para a obtenção do título de Engenheiro Eletricista. Orientador: Prof. Dr. Clodomiro Unsihuay Vila.

CURITIBA 2013

Dedico este trabalho ao meu pai, Orlando de Souza. Meu exemplo de caráter.

 AGRADECIMENTOS

À minha família, por tudo. Ao meu professor orientador Clodomiro Unsihuay Vila, pela disponibilidade, paciência, apoio e compreensão na conclusão desse trabalho. Aos amigos de curso Heloisa, Murilo, David, Alexandre Hellboy, André Eurípedes, Rodrigo Moraes, pelos momentos de descontração e companheirismo. Aos amigos da minha cidade natal, Registro-SP, que sempre me deram um motivo a mais para voltar para lá. Àqueles com os quais eu tive a oportunidade de dividir moradia e aprender inúmeras coisas. Aos amigos que fiz em Curitiba. A Deus.

RESUMO A diversificação da matriz energética é importante para dar opções de investimentos e formas de preservar o ambiente através de fontes limpas de energia. A geração solar fotovoltaica é uma tecnologia que está em constante desenvolvimento e através da REN 482/12 ganhou a oportunidade para que sejam instaladas mini e microgerações fotovoltaicas conectadas à rede. O sistema de compensação de energia é o que dará ao cliente o retorno do investimento nesse setor. Esse trabalho visa evidenciar características importantes para que se faça o dimensionamento correto de um sistema de microgeração distribuída com base em energia solar e fazer uma análise da geração obtida, assim como um estudo da viabilidade financeira do tipo de emprendimento. Neste trabalho foi proposto uma metododologia para o dimensionamento e analise de viabilidade econômica de uma microgeraçao solar. Resultados deste trabalho indicam que os parâmetros técnicos estão bem definidos pelas normas e que é possível instalar uma microgeração fotovoltaica no Edifício do DELT/UFPR sem ter prejuízo financeiro. Palavras-chave: Microgeração distribuída, energia solar, microgeração solar, energias renováveis, redes elétricas inteligentes,

 ABSTRACT The diversify of the energy matrix is important to give investment options and ways to preserve the environment through clean energy sources. The solar photovoltaic generation is a technology that is constantly evolving and through REN 482/12 got the opportunity to be installed mini and micro photovoltaic generation grid-connected. The energy compensation system is what will give the customer the return on investment in this sector. This work aims to highlight important features that make the correct sizing of a solar based distributed microgeneration system and to analyze the obtained generation, as well as a study of the financial viability of the type of investment. This work proposes one way for sizing and analysis of the economic viability of a solar microgeneration. Results of this study indicate that the technical parameters are well defined by the rules and that it is possible to install a photovoltaic microgeneration in building DELT / UFPR without financial loss. Key words: Micro generation distributed, solar power, solar microgeneration, renewable power, smart grid.

LISTA DE ILUSTRAÇÕES FIGURA 1: MASSA DE AR. ...................................................................................... 23 FIGURA 2: ÂNGULO AZIMUTAL. ............................................................................. 24 FIGURA 3 - EFEITO FOTOVOLTAICO ..................................................................... 26 FIGURA 4: COMPONENTES DE UM MÓDULO FOTOVOLTAICO. ......................... 29 FIGURA 5: CURVA I-V EM DIFERENTES NÍVEIS DE RADIÂNCIA DO MÓDULO MPRIME M240P. ....................................................................................................... 30 FIGURA 6: CURVA I-V EM DIFERENTES TEMPERATURAS DO MÓDULO MPRIME M240P. ....................................................................................................... 30 FIGURA 7: ARRANJO DE MÓDULOS EM SÉRIE E PARALELO. ........................... 32 FIGURA 8: POSIÇÃO GEOGRÁFICA DO LOCAL DE IMPLANTAÇÃO. .................. 35 FIGURA 9: CALCULANDO ORIENTAÇÃO DO NOVO PRÉDIO DA ENGENHARIA ELÉTRICA UFPR. ..................................................................................................... 38 FIGURA 10: DETALHE DA INCLINAÇÃO DO TELHADO EM RELAÇÃO AO PLANO HORIZONTAL. .......................................................................................................... 39 FIGURA 11: CLASSIFICAÇÃO DE MÓDULOS FOTOVOLTAICOS. ........................ 39 FIGURA 12: ESPECIFICAÇÕES ELÉTRICAS MÓDULO M240P. ............................ 40 FIGURA 13: FLUXOGRAMA PARA INSTALAÇÃO DE UMA MICROGERAÇÃO SOLAR. ..................................................................................................................... 42 FIGURA 14: DIMENSÕES DO MÓDULO M240P DA MPRIME. ............................... 44 FIGURA 15: PAINEIS POSICIONADOS OTIMAMENTE NO TELHADO DO NOVO BLOCO DE ENGENHARIA ELÉTRICA UFPR. ......................................................... 45 FIGURA 16: FOLHA DE DADOS DO MODELO DE INVERSOR SIW700. ............... 47 Figura 17: HISTÓRICO DE TEMPERATURAS REGISTRADAS EM CURITIBA ...... 48 FIGURA 18: ARRANJO DE STRINGS PARA OS INVERSORES DE 8KW. ............. 49 FIGURA 19: ARRANJO DE STRINGS PARA OS INVERSORES DE 10 KW. .......... 50 Figura 20: COMPORTAMENTO HORÁRIO DA GERAÇÃO NAS HORAS DO DIA (Wh) MÉDIA DIÁRIA DO MÊS DE DEZEMBRO. ...................................................... 60 FIGURA 21: ESTIMATIVA DE GERAÇÃO ENERGIA

MENSAL (Wh/mês) AO

LONGO DO ANO. ..................................................................................................... 61 FIGURA 22: EXEMPLO DE SAZONALIDADE AO LONGO DE DIAS DE MESES COM ATIVIDADES ACADÊMICAS. .......................................................................... 63

FIGURA 23: GRÁFICO COMPARATIVO ENTRE GERAÇÃO E CONSUMO AO LONGO DE UM ANO. ............................................................................................... 64

LISTA DE TABELAS TABELA 1 - NÍVEIS DE TENSÃO CONSIDERADOS PARA CONEXÃO DE MICRO E MINICENTRAIS GERADORAS ................................................................................. 19 TABELA 2 – REQUISITOS MÍNIMOS EM FUNÇÃO DA POTÊNCIA INSTALADA .. 19 TABELA 3 - COMPARAÇÃO DA EFICIÊNCIA DAS DIVERSAS TECNOLOGIAS DE CÉLULAS FOTOVOLTAICAS ................................................................................... 27 TABELA 4 - ÂNGULO DE INCLINAÇÃO RECOMENDADO PARA INSTALAÇÃO DE PAINEIS DE ACORDO COM A LATITUDE DO LOCAL............................................ 36 Tabela 5- NÍVEIS DE TENSÃO EFICAZ EM REGIME PERMANENTE. ................... 41 TABELA 6 - DISTORÇÃO HARMÔNICA TOTAL ...................................................... 41 TABELA 7 - FLUTUAÇÃO DE TENSÃO ................................................................... 41 TABELA 8 - MÉDIAS DE INSOLAÇÃO DE DIFERENTES FONTES DE DADOS. ...56 TABELA 9 - MÉDIA HORÁRIA MENSAL DE INSOLAÇÃO NA FACE NORTE DO TELHADO. ................................................................................................................ 57 TABELA 10 - MÉDIA HORÁRIA MENSAL DE INSOLAÇÃO NA FACE SUL DO TELHADO. ................................................................................................................ 57 TABELA 11 - ESTIMATIVA DE GERAÇÃO DE 78 PAINÉIS DE 240 W NA FACE NORTE DO TELHADO.............................................................................................. 59 TABELA 12 - ESTIMATIVA DE GERAÇÃO DE 78 PAINÉIS DE 240 W NA FACE SUL DO TELHADO ................................................................................................... 59 TABELA 13 - ESTIMATIVA DE GERAÇÃO TOTAL DO TELHADO. ......................... 60 TABELA 14 - MÉDIA HORÁRIA DE CONSUMO NO MÊS E CONSUMO TOTAL DO BLOCO DE ENGENHARIA ELÉTRICA. .................................................................... 62 TABELA 15 - MÉDIA MENSAL DE DIFERENÇA ENTRE CONSUMO E GERAÇÃO.  .................................................................................................................................. 65 TABELA 16 - SISTEMA DE FATURAMENTO NET METERING............................... 66 TABELA 17 - PARÂMETROS FINANCEIROS DO PROJETO. ................................. 66 TABELA 18 - LEVANTAMENTO DE MATERIAIS E PREÇOS.................................. 67 TABELA 19 - SISTEMA DE AMORTIZAÇÃO CONSTANTE PARA CAPITAL PRÓPRIO AO LONGO DO PERÍODO DE FINANCIEMENTO. ................................ 68 TABELA 20 - SISTEMA DE AMORTIZAÇÃO CONSTANTE DO CAPITAL FINANCIADO AO LONGO DO PERÍODO DE FINANCIEMENTO. ........................... 69

TABELA 21 - VPL PARA DIFERENTES FINANCIAMENTOS E TARIFAS CONSIDERANDO E DESCONSIDERANDO IMPOSTOS SOB EQUIPAMENTOS. .70

SUMÁRIO

1

INTRODUÇÃO ................................................................................................... 14 1.1

CONTEXTO ................................................................................................. 15

1.2

OBJETIVOS .................................................................................................16

1.3

JUSTIFICATIVAS.........................................................................................16

1.4

ESTRUTURA DO TRABALHO ..................................................................... 17

2

GERAÇÃO DISTRIBUÍDA E LEGISLAÇÃO....................................................... 18

3

GERAÇÃO SOLAR FOTOVOLTAICA................................................................21 3.1

ENERGIA SOLAR ........................................................................................21

3.1.1

RADIAÇÃO SOLAR ............................................................................... 22

3.1.2

MASSA DE AR ...................................................................................... 22

3.1.3

IRRADIÂNCIA........................................................................................23

3.1.4

INSOLAÇÃO ..........................................................................................23

3.1.5

ÂNGULO AZIMUTAL ............................................................................. 24

3.1.6

STANDARD TEST CONDITIONS ........... Error! Bookmark not defined.

3.2

APROVEITAMENTO DA ENERGIA SOLAR ................................................ 25

3.2.1 4

5

EFEITO FOTOVOLTAICO ..................................................................... 25

MATERIAIS E METODOLOGIA ......................................................................... 34 4.1

LOCAL DE INSTALAÇÃO ............................................................................ 34

4.2

POTÊNCIA MÁXIMA DE GERAÇÃO ........................................................... 36

4.3

ÁREA DISPONÍVEL .....................................................................................37

4.4

ESCOLHA DOS PAINÉIS SOLARES ..........................................................39

4.5

ESCOLHA DE INVERSOR........................................................................... 40

4.6

FLUXOGRAMA DE ETAPAS DO PROJETO ............................................... 42

PROJETO ELETRICO-DIMENSIONAMENTO TÉCNICO.................................. 44 5.1

MÓDULOS FOTOVOLTAICOS .................................................................... 44

6

7

5.2

INVERSORES.............................................................................................. 46

5.3

CAIXA DE STRINGS.................................................................................... 51

5.4

QUADRO DE PROTEÇÃO DE CORRENTE CONTÍNUA ............................ 51

5.5

QUADRO DE PROTEÇÃO DA CORRENTE ALTERNADA .........................52

5.6

CONDUTORES ............................................................................................ 55

ANÁLISE DE RESULTADOS ............................................................................. 56 6.1

GERAÇÃO ................................................................................................... 56

6.2

CONSUMO................................................................................................... 62

6.3

CONSUMO EM RELAÇÃO À GERAÇÃO .................................................... 63

6.4

VIABILIDADE ECONÔMICA ........................................................................ 65

CONCLUSÃO .................................................................................................... 71

14

1

INTRODUÇÃO A geração de energia elétrica a partir de fontes solares vem crescendo de

forma acelerada nos últimos anos no Brasil. Parte-se de sistemas muito pequenos e isolados para minigerações e microgerações conectadas à rede elétrica de distribuição com a REN 482 da ANEEL (ABINEE, 2012). A familiarização com essa tecnologia será um aprendizado para que num futuro não tão distante, possa-se incluir de forma mais significativa a geração solar na matriz energética brasileira. Normas técnicas e requisitos de conexão já vem sendo implementados,que mostra a real intenção de aprimorar a regulamentação que irá reger as instalações dessa natureza e torná-la mais presente. O Brasil, devido ao seu vasto território e condições climáticas favoráveis, é um país que apresenta grande potencial para que a geração solar seja aproveitada. Porém não existe um incentivo fiscal para o investimento em fontes renováveis, além da atratividade indiscutível dos investimentos para geração a partir da energia hidráulica. Um conceito que vem sendo muito utilizado ultimamente é o de geração distribuída, que consiste em aproximar a geração do consumo. Combinando os conceitos de geração distribuída e micro e minigeração, tem-se a mini e microgeração distribuída. A micro e minigeração distribuída vem sendo usado em indústrias para reduzir o valor da fatura com geração a partir de biomassa, como por exemplo indústrias que usam rejeitos da industrialização da cana-de-açúcar e da soja (ANEEL, 2002) Da junção de ideias surge a mini e microgeração solar conectada à rede. Um ponto a ser considerado é que um sistema de microgeração distribuída que utiliza energia solar, tem sua geração aproveitada de forma instantânea durante o dia e inatividade no período noturno. A energia gerada durante o dia, faz com que menos energia elétrica proveniente de fontes “estocáveis” (hidráulicas, combustíveis fósseis, carvão, biomassa) precisem ser utilizadas e possam ser aproveitadas em outros momentos. Esse trabalho visa analisar os aspectos de uma geração solar fotovoltaica através de estudos de normas vigentes no Brasil e estado do Paraná e simulações utilizando bancos de dados de irradiação solar para esse objetivo. Será feita uma

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análise econômica para que se tenha ideia de como uma geração solar se comporta em Curitiba que, apesar de não ter índices de radiação tão bons quanto o de outras regiões do Brasil, possui capacidade de geração solar maior do que países como a Alemanha, que lidera o ranking mundial em capacidade de geração solar instalada. 1.1 CONTEXTO A energia elétrica é uma das principais formas de energia consumida no mundo atualmente. Isso se dá, por sua flexibilidade, uma vez que a mesma pode ser transmitida por longas distâncias com perdas relativamente pequenas e a capacidade dessa energia ser utilizada para vários fins, como prover luz, calor, alimentar máquinas e transmitir informações. A necessidade da energia elétrica é observada quando se olha ao redor, mexe-se em aparelhos celularesvai-se até a geladeira, acende-se a luz para iluminar um ambiente, entre uma infinidade de coisas. Por volta de 1980 o mundo consumia algo em torno de 7.000 TWh/ano. Hoje (2013) é consumido aproximadamente 19.000 TWh/ano e a previsão para 2030 é que o consumo anual seja próximo dos 30.000 TWh/anoV(VILLALVA, M.G & GAZOLI, 2012). Entre as fontes de energia utilizadas para fornecer a todo o planeta essa quatidade massiva de eletricidade, tem-se: carvão mineral, óleo, gás natural, energia nuclear, hidráulica, biomassa, geotérmica, solar e eólica. Dentre as diversas fontes utilizadas para se obter a energia elétrica, tem-se as que são caracterizadas como “renováveis” e “não renováveis”. É considerada uma fonte “renovável” ou “limpa” de energia elétrica, toda a fonte que, no processo de geração de eletricidade não gera resíduos poluentes. Porém quando se está produzindo elementos para alguma tecnologia de geração ou para que haja a implantação de alguma central de geração podem ser gerados resíduos ou impactos ambientais. Como é o caso da implantação de centrais hidrelétricas: a geração de energia elétrica através da energia hidráulica não gera resíduos, mas a instalação exige o comprometimento de uma área considerável em um ambiente que costuma ter fauna e flora densas (margens de rios) e acabam sendo permanentemente afetados. Geradores eólicos produzem ruídos audíveis, causam impacto na paisagem e podem causar a mortes de pássaros que sejam porventura atingidos

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pelas hélices geradoras. Na fabricação de células fotovoltáicas são utilizados grandes quantidades de energia e fluidos tóxicos, além das grandes áreas exigidas para sua instalação (VILLALVA, M.G & GAZOLI, 2012). Apesar dos impactos ambientais causados pelas fontes “limpas” de energia, elas ainda são uma opção mais segura e relativamente mais limpas quando comparadas com as fontes não renováveis, que emitem poluentes que causam danos à atmosfera. 1.2 OBJETIVOS O objetivo desse trabalho é dimensionamento técnico e o analise da viabilidade econômica da instalação de uma microgeração distribuída baseada em paineis solares fotovoltaicos na região de Curitiba - PR. Será feito um estudo de como se comportaria uma microgeração solar fotovoltaica instalada no telhado do novo prédio de Engenharia Elétrica da UFPR. Para se atingir o objetivo final, haverão etapas intermediárias como: levantamento de dados, estudo da tecnologia, elaboração do projeto, estudo de normas e levantamento de materiais. 1.3 JUSTIFICATIVAS É clara a importância de estudos e elaboração de projetos na área de geração solar fotovoltaica no Brasil para que se adquira experiência em mais esse tipo de geração. O momento atual é oportuno para se estudar a implantação de projetos de geração distribuída no Brasil. A resolução normativa N° 482 da ANEEL surge para incentivar o tanto o pequeno empreendedor, que deseja fazer um investimento a médio prazo, quanto empresas de grande porte que podem instalar sistemas de geração solar para demonstrar preocupação sócio-ambiental, e melhorar sua imagem para com o público. Academicamente, tanto o estudo do dimensionamento técnico e analise financeira e os resultados deste trabalho quanto a possibilidade de implantação, se  justificam de forma óbvia. Os projetos sendo elaborados de acordo com as normas vigentes no Brasil e na região farão com que se viabilizem tecnicamente. A

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instalação de uma microgeraçao solar no prédio do DELT/UFPR é de grande importância para o estudo e pesquisa desse tipo de geração, fazendo com que o estudante de engenharia elétrica se familiarize com a tecnologia, que está em constante desenvolvimento, além da análise de comportamento desse tipo de geração. 1.4 ESTRUTURA DO TRABALHO O presente trabalho é composto por sete capítulos. O primeiro capítulo tem o objetivo de justificar sua elaboração. No segundo capítulo é apresentado o conceito de geração distribuída assim como as leis vigentes que ditam os requisitos para projetos conectados a rede elétrica que, neste caso, é a rede de distribuição da COPEL. O terceiro capítulo apresenta a tecnologia de geração utilizada (fotovoltaica) e suas principais características. O quarto capítulo mostra passo-a-passo as etapas a serem seguidas para instalação de uma microgeração solar fotovoltaica, desde a parametrização da potência instalada até a escolha do inversor. O quinto capítulo coloca em prática a metodologia citada no capítulo 4. O sexto capítulo demonstra os resultados da geração considerando informações do banco de dados do software Radiasol, considerando as possíveis perdas ao longo da instalação e faz uma comparação entre consumo e geração, onde pode-se saber a quantidade de energia que deixa de ser retirada da rede e a quantidade de energia que é injetada na rede. Além da análise energética de resultados também é feita uma breve análise de viabilidade econômica através do cálculo do Valor Presente Líquido, VPL, simulando diferentes situações de financiamento pelo Banco Nacional de Desenvolvimento Econômico e Social, o BNDES. O sétimo, e último, capítulo apresenta a conclusão baseada nos resultados e o aprendizado obtido no processo de elaboração do projeto. O projeto segue em apêndice com os resultados dos dimensionamentos.

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2

GERAÇÃO DISTRIBUÍDA E LEGISLAÇÃO A geração distribuída consiste em ter a geração mais perto do consumidor,

economizando, assim com a implantação de sistemas de transmissão de energia elétrica. A resolução REN 482/2012 estabelece as condições gerais para o acesso de microgeração e minigeração distribuída aos sistemas de distribuição de energia elétrica, o sistema de compensação de energia elétrica e dá outras providências. É estabelecido pela REN 482/2012 no Art. 2° o conceito de microgeração distribuída como sendo: “Central geradora de energia elétrica com potência instalada menor ou igual a 100kW e que utilize fontes com base em energia hidráulica, solar, eólica, biomassa ou cogeração qualificada, conforme regulamentação da ANEEL, conectada na rede de distribuição por meio de instalação de unidades consumidoras.”

A REN 517/2012, que altera alguns artigos e incisos da REN 482/2012, define o conceito de sistema de compensação de energia elétrica como sendo: “Sistema no qual a energia ativa injetada por unidade consumidora com microgeração distribuída ou minigeração distribuída é cedida, por meio de empréstimo gratuito, à distribuidora local e posteriormente compensada com o consumo de energia elétrica ativa dessa mesma unidade consumidora ou de outra unidade consumidora de mesma titularidade da unidade consumidora onde os créditos foram gerados, desde que possua o mesmo Cadastro de Pessoa Física (CPF) ou Cadastro de Pessoa Jurídica (CNPJ)  junto ao Ministério da Fazenda.”

Ainda na REN 482/2012, no capítulo 3, que fala sobre o acesso aos sistemas de distribuição, no Art. 3° tem-se que: §1° O prazo para a distribuidora efetuar as alterações de que trata o caput e publicar as referidas normas técnicas em seu endereço eletrônico é de 240 (duzentos e quarenta) dias, contados da publicação desta Resolução. §2° Após o prazo do §1°, a distribuidora deverá atender às solicitações de acesso para microgeradores e minigeradores distribuídos nos termos da Seção 3.7 do Módulo 3 do PRODIST.

No Brasil, a ANEEL, do módulo 3 do PRODIST “Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional – Acesso ao Sistema de Distribuição”, estabelece os critérios para a conexão da geração distribuída no

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sistema de distribuição. Tais critérios podem ser encontrados nas seções 3.3 e 3.7 do módulo 3 do PRODIST. Na TABELA 1 tem-se a classificação do nível de tensão pela potência de geração instalada e a TABELA 2 descreve as proteções mínimas para cada faixa de potência. TABELA 1 - NÍVEIS DE TENSÃO CONSIDERADOS PARA CONEXÃO DE MICRO E MINICENTRAIS GERADORAS Potência Instalada

Nível de Tensão de Conexão