Solução energética para o desenvolvimento sustentável: um estudo de caso da utilização de energia solar fotovoltaica em uma residência

Radiação Solar


Aplicação direta


Vento


Ondas e marés


Aplicação através das tecnologias


Energia térmica


Fotossíntese


Energia elétrica


Eólica


Maremotriz


Biomassa





































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Fonte: Nota técnica Empresa de Pesquisa Energética – Análise da inserção da geração solar na matriz elétrica brasileira, Rio de Janeiro, Maio 2012.

Fonte: Nota técnica Empresa de Pesquisa Energética – Análise da inserção da geração solar na matriz elétrica brasileira, Rio de Janeiro, Maio 2012.

Sumário

1. Introdução 9
2. Fundamentos Teóricos 10
2.1. O Recurso Solar 10
2.1.1. O Sol 10
2.1.2. Radiação Solar 12
2.1.3. Geometria Solar 13
2.1.4. Recurso Solar no Brasil 15
2.2. Principais Componentes do Sistema Fotovoltaico On-Grid 16
2.2.1. Módulos Fotovoltaicos 16
2.2.2. Inversores 18
2.2.3. Medidor Eletrônico de Energia 21
3. Ciclo de Vida Econômico 22
4. Dimensionamento e Simulação Computacional do Sistema Fotovoltaico On-Grid 23
4.1. Informações junto ao cliente 23
4.2. Análise do local de instalação 23
4.2.1. Cálculo da área 24
4.2.2. Orientação e inclinação dos módulos 24
4.3. Simulação Computacional 25
5. Atualidade Normativa no Brasil 27
6. Justificativa do uso da energia solar fotovoltaica 29
7. Estudo de Caso: Residência em Itacoatiara, Niterói 31
7.1. Consumo Elétrico 31
7.2. Parâmetros do Projeto Estudado 32
7.3. Análise Econômica 36
8. Conclusão 38
9. Referências 39



Introdução

Devemos promover reduções significativas nas emissões de gases de efeito estufa em um futuro imediato se quisermos minimizar os efeitos adversos da mudança do clima sobre os nossos sistemas econômicos, sociais e naturais. Para alcançarmos este objetivo, precisamos pôr em prática mecanismos de desenvolvimento limpo que promovam soluções energéticas integradas ao desenvolvimento sustentável.
Embora a matriz energética brasileira seja predominantemente renovável, a nossa dependência pela energia hidráulica tem ocasionado algumas situações preocupantes, tais como a forte dependência ao regime de chuvas e os grandes impactos ambientais e sociais no alagamento de grandes áreas.
Em âmbito global, as fontes alternativas de energia, como a energia solar fotovoltaica, já foram incorporadas aos planejamentos energéticos e são consideradas opções maduras do ponto de vista tecnológico e econômico.
No Brasil existem poucos sistemas fotovoltaicos instalados e conectados à rede elétrica, mesmo havendo um grande potencial energético desta fonte. A queda nos preços dos módulos fotovoltaicos e a resolução da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) no 482/2012, acelerou a procura e impulsionou a adoção desta tecnologia.
Sendo assim, pretendemos neste trabalho fornecer uma visão ampla e concisa a respeito das características e aplicações de sistemas de energia solar fotovoltaica. Portanto, o Estudo de Caso apresentado procurou evidenciar a viabilidade que os sistemas de energia solar fotovoltaico conectados à rede elétrica apresentam em determinados ambientes residenciais urbanos.

Fundamentos Teóricos

Este capítulo tem como objetivo abordarmos os principais conceitos teóricos que visam permitir um melhor entendimento sobre a natureza e o uso do recurso solar.
Para nossa melhor compreensão, dividiremos este capítulo em duas seções. Na primeira seção, abordaremos os principais conceitos do recurso solar, discutindo brevemente o que é a radiação solar, a influência da geometria solar na radiação e o potencial deste recurso no território brasileiro.
Na segunda seção estudaremos os componentes de um sistema fotovoltaico que possibilitam a transformação da energia solar em energia elétrica. Apresentaremos para cada componente as suas principais características com o objetivo de exemplificar suas vantagens e desvantagens, assim como as situações onde a sua utilização é mais indicada.

O Recurso Solar

O Sol

O Sol é a estrela central do sistema solar e fonte primária de energia para todos os processos físicos e químicos que ocorrem na Terra. Além de proporcionar a energia que sustenta o mundo, a energia solar é armazenada em combustíveis fósseis e de biomassa e é responsável para alimentar o ciclo da água e a formação do vento.

Esquema 1: Energia Solar, origem de todas as energias renováveis. Fonte: Internet Google Imagens.


Como outras estrelas, o Sol é uma grande bola de gases composto principalmente por hidrogênio e hélio. Os átomos de hidrogênio que estão presentes no núcleo do Sol se combinam para formar um átomo de hélio e energia radiante em um processo chamado de fusão nuclear.
Durante o processo de fusão nuclear, a alta pressão e temperatura do Sol provocam a fusão de quatro átomos de hidrogênio em um átomo de hélio. Contudo, o átomo de hélio contém menos massa do que os quatro átomos de hidrogênio que foram fundidos. Logo, parte da matéria é convertida em energia durante a fusão nuclear. A matéria convertida é emitida para o espaço na forma de energia radiante.
Cerca de 15% da energia do Sol que atinge a Terra é refletida de volta para o espaço. Outros 30% alimentam o ciclo da água. Os vegetais, o solo e os oceanos também absorvem uma parte da energia solar.






Radiação Solar

A energia solar chega à Terra em forma de radiação eletromagnética que vai desde os raios ultravioleta, de 200 nanômetros de comprimento de onda, até os infravermelhos de 3000 nanômetros.
O esquema ilustrativo abaixo nos revela que embora a atmosfera terrestre seja transparente à radiação solar incidente, apenas 25% penetra diretamente na superfície da Terra sem nenhuma interferência da atmosfera, o que denominamos de radiação solar direta e 26% da radiação solar sofre os efeitos de dispersão ocasionada pelos componentes da atmosfera, o que denominamos de radiação difusa. O restante pode ser refletido ou absorvido ou espalhado até retornar ao espaço.


Figura 1: Distribuição percentual da radiação solar incidente. Fonte: Internet Google Imagens.

A radiação solar é a transmissão de energia através do espaço. A exposição a essa radiação denominamos de irradiância solar. A unidade física da irradiância solar é dada em Watt por metro quadrado (W/m²). A irradiação solar é a irradiância integrada em um intervalo de tempo específico, geralmente uma hora ou um dia, e é dada em watt hora por metro quadrado (Wh/m²).


Gráfico 1: Irradiância solar x irradiação solar. Fonte: Internet Google Imagens.

A constante solar, cujo valor é de 1.367 W/m2, consiste na taxa à qual é recebida a energia solar por unidade de área (irradiância) no limite exterior da atmosfera terrestre.

Geometria Solar

É relevante conhecermos a geometria solar, pois ela nos oferece um importante embasamento para compreendermos como a variação da distância entre o Sol e a Terra, assim como dos ângulos formados entre os raios solares e a superfície terrestre, influenciam na energia solar que chega ao nosso planeta.
Dentre os fatores que alteram o ângulo formado entre os raios solares e a superfície terrestre temos a latitude, que é a distância angular entre o equador e um ponto determinado do planeta. Outro fator importante é a declinação, isto é, o ângulo formado entre o plano da Elíptica e o plano Equatorial (variável -23,5º - +23,5º). Assim sendo, maiores ângulos de incidência implicam em um maior percurso dos raios solares através da atmosfera, o que promove maior espalhamento (menor concentração dos raios solares) e maior reflexão e absorção na atmosfera.






Figura 2: Efeito da latitude na irradiância que atinge um ponto da Terra.
Fonte: Internet Google Imagens.



Figura 3: Declinação solar. Fonte: Internet Google Imagens.

Dentre os fatores que alteram a distância entre o Sol e a Terra devemos considerar a translação, que é uma trajetória elíptica que a Terra faz ao redor do Sol. A inclinação entre o eixo da Terra e o plano da Elíptica faz com que a orientação da Terra mude continuamente enquanto gira em torno do Sol. Desta forma, o Hemisfério Sul se encontra na estação de inverno quando o mesmo se inclina para longe do Sol e na estação de verão quando se inclina em direção ao Sol.

Figura 4: Translação x distância. Fonte: Internet Google Imagens.

Recurso Solar no Brasil

Cada vez mais se torna necessário atualizar e aprimorar a base de dados sobre o recurso solar, visando promover de forma consistente a ciência e a tecnologia solar no Brasil. É de senso comum que dispomos de recurso solar de excelente qualidade em grande parte do território nacional. É relevante conhecer também como o recurso se distribui ao longo de todo o ano pelo país. O banco de dados e as cartas elaboradas fornecem a distribuição espacial e temporal necessárias para auxiliar as atividades que se desenvolvem no campo da tecnologia solar.
Podemos considerar o Atlas de Irradiação Solar do Brasil, de 1998, realizado pelo Instituto Nacional de Meteorologia (INMET) e pelo Laboratório de Energia Solar da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), e o Atlas Solarimétrico do Brasil, de 2000, desenvolvido pela Universidade Federal de Pernambuco (UFPE) e pela Companhia Hidroelétrica do São Francisco (CHESF), com apoio do Centro de Pesquisa de Energia Elétrica (CEPEL) por meio de seu Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio de Salvo Brito (CRESESB), como os trabalhos pioneiros de avaliação consistente do potencial da energia solar no Brasil
Mais recentemente, em 2006, foi publicado o Atlas Brasileiro de Energia Solar, produzido no âmbito do projeto Solar and Wind Energy Resource Assessment (SWERA), sob coordenação do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE). Para estimativa do potencial de energia solar no Brasil, o Atlas Brasileiro de Energia Solar pode ser considerado a referência mais atual e completa.
No Brasil, a irradiação média anual varia entre 1.200 e 2.400kWh/m2/ano, valores que são significativamente superiores à maioria dos países europeus, cujas estatísticas indicam intervalos entre 900 e 1.250kWh/m2/ano na Alemanha, entre 900 e 1.650kWh/m2/ano na França e entre 1.200 e 1.850kWh/m2/ano na Espanha.

Principais Componentes do Sistema Fotovoltaico On-Grid

Módulos Fotovoltaicos

A célula fotovoltaica é o dispositivo elementar especificamente desenvolvido para realizar a conversão direta de energia solar em energia elétrica em corrente contínua. É na célula fotovoltaica que ocorre o efeito fotovoltaico que consiste em converter diretamente os raios do Sol (radiação direta e radiação difusa) ou energia luminosa em eletricidade (corrente contínua).
Por sua vez, os módulos fotovoltaicos são um conjunto de células solares interligadas eletricamente e encapsuladas. Um ou mais módulos fotovoltaicos interligados eletricamente, montados de modo a formar uma única estrutura, constituem um painel fotovoltaico. É importante destacar que o módulo fotovoltaico, em condições normais, apresenta, durante seus primeiros 25 anos de uso, uma diminuição de cerca de 0,5% ao ano da sua capacidade de conversão.
As células fotovoltaicas são fabricadas, na sua grande maioria, usando o silício (Si) podendo ser constituída de cristais monocristalinos (m-Si), de cristais policristalinos (p-Si) ou de silício amorfo (a-Si).
O silício é um elemento semicondutor, ou seja, se comporta como condutor ou como isolante dependendo de diversos fatores, como, por exemplo, o campo eletromagnético, a pressão, a radiação que incide ou a temperatura do ambiente.
É importante destacarmos que a eficiência da célula é sempre superior à eficiência do módulo, visto que a eficiência da célula depende unicamente do material de que é constituída. De outro lado, a eficiência do módulo depende dos espaços entre as células, da moldura e das perdas de condução desde as células fotovoltaicas até os cabos.
É possível deduzirmos que a área necessária para gerar uma mesma potência é inversamente proporcional à eficiência das células, conforme apresentada na tabela abaixo.

Tabela 1: Eficiência na conversão de luz solar em eletricidade nos diferentes tipos de células solares de silício.
Material da célula
Eficiência da célula
Eficiência do módulo
Área necessária para 1kWp
Silício monocristalino
24%
13 – 18%
7 – 9 m2
Silício policristalino
18%
11 – 16%
8 – 11 m2
Silício amorfo
11 – 12%
5 – 8%
16 – 20 m2

As células de silício monocristalino são obtidas a partir de barras cilíndricas de silício monocristalino produzidas em fornos especiais a partir de silício altamente puro. Portanto, necessitam de mais energia e tempo para a sua produção se comparada as células policristalinas. Para o melhor aproveitamento do espaço do módulo fotovoltaico, identificou-se na forma hexagonal das células a geometria mais otimizada para garantir o aumento da quantidade de células em um módulo. A eficiência na conversão de luz solar em eletricidade nos módulos monocristalinos varia entre 13% e 18%.
As células de silício policristalino são produzidas a partir de blocos de silício obtidos por fusão de porções de silício puro em moldes especiais. Uma vez nos moldes, o silício esfria lentamente e solidifica-se. Neste processo, os átomos não se organizam em um único cristal, formando uma estrutura policristalina com superfícies de separação entre os cristais. Sua eficiência na conversão de luz em eletricidade é ligeiramente menor do que nos módulos de silício monocristalino, isto é, varia entre 11% e 16% (entre 1,5% e 2% menos eficientes).
Por fim, as células de silício amorfo são obtidas por meio da deposição de camadas muito finas deste material sobre superfícies de vidro, alumínio ou plástico. Ela apresenta alto grau de desordem na estrutura dos átomos, característica esta suficiente para diferenciar este tipo de célula das demais apresentadas acima, além de justificar a sua baixa eficiência na conversão de luz em eletricidade, se comparada aos módulos de silício monocristalino e policristalino, que varia entre 5% e 8%.


Figura 5: Tipos de células fotovoltaicas. (a) Silício monocristalino; (b) Silício policristalino;
(c) Silício amorfo. Fonte: Internet Google Imagens, 2013.

Inversores

Os inversores têm como função transformar a corrente contínua do gerador fotovoltaico em corrente alternada possibilitando, por exemplo, a sua injeção na rede elétrica com tensão e frequência adequadas. Neste caso, esses inversores são conhecidos como gridconnected. Em condições normais, a vida útil da maioria dos inversores varia entre 5 e 10 anos. No caso específico dos micro-inversores, esta vida útil pode chegar a 25 anos.


Figura 6: Representação de um inversor. Fonte: O Autor.


Existem diferentes tipos de inversores para as variadas configurações de arranjos fotovoltaicos: inversores centrais, inversores strings, inversores multi-string e os micro-inversores. Cada tipo de inversor possui características próprias que justificam ou não a sua utilização em projetos fotovoltaicos.
Os inversores centrais possuem uma configuração de um único inversor para toda a instalação e são indicados para aplicações com elevadas tensões de operação e onde o regime de irradiação seja uniforme. Este tipo de inversor é inadequado para instalações que sofram com a presença significativa de sombras ou tenham partes com orientação e inclinações diferentes. Neste tipo de inversor, é importante garantir que os módulos possuam as mesmas características elétricas.


Figura 7: Representação de um inversor central. Fonte: Internet Google Imagens.

Os inversores strings são indicados para situações em que as condições de radiação sejam heterogêneas (sombra e orientação/inclinação diferentes) em partes do arranjo. Neste sentido, procura-se identificar módulos com potências e tolerâncias similares, assim como mesma irradiação. Este string de módulos (conectados em série) é, portanto, conectado ao inversor. A sua utilização também é sugerida em grandes instalações, uma vez que, um maior número de inversores diminuirá a possibilidade de que um problema em um módulo específico interrompa a produção de energia de todo o sistema.


Figura 8: Representação de um inversor string. Fonte: Internet Google Imagens.

Os inversores multi-string é uma combinação do conceito de inversores string do lado do arranjo fotovoltaico e inversor central do lado da rede de corrente alternada. Projetados para situações onde orientações/inclinações não são uniformes, presença de sombras ou strings com diferentes números de módulos.
Por último, temos os micro-inversores, que são pequenos inversores para módulos individuais. São indicados para instalações pequenas, uma vez que a presença de sombra ou defeito em um módulo não afeta o restante da instalação. Este é o melhor inversor para situações onde os módulos possuem diferentes características.


Figura 9: Representação de um micro-inversor. Fonte: Internet Google Imagens.









Medidor Eletrônico de Energia

O medidor eletrônico de energia permite a medição da energia injetada na rede elétrica. O sistema de compensação conhecido como net-metering é a diferença entre a energia consumida e a energia injetada na rede elétrica.
Na maioria dos casos opta-se entre ou o uso de dois medidores eletrônicos de energia, onde um mede a energia injetada na rede elétrica e o outro mede a energia gerada pelo sistema fotovoltaico, ou o uso de um medidor bidirecional, que realiza essas medições simultaneamente enviando as mesmas para a concessionária.


Ciclo de Vida Econômico

Sistemas solares fotovoltaicos são geralmente caracterizados pelo alto custo fixo e baixo custo de operação, ao contrário de fontes de geração convencionais que têm substancialmente elevados custos operacionais que não podem ser ignorados em programas de planejamento de investimentos.
O custo do ciclo de vida é a soma de todos os custos associados a um sistema de fornecimento de energia ao longo de toda a sua vida útil ou ao longo de um período específico de análise, tendo em conta o valor do dinheiro no tempo.
O objetivo do custo do ciclo de vida é determinar o capital a ser investido considerando a taxa de desconto de mercado, de modo a ter fundos quando eles são necessários no futuro. O processo funciona trazendo de volta o custo futuro antecipado no custo presente. O custo do ciclo de vida considera também a inflação.
Na análise do custo do ciclo de vida do sistema fotovoltaico, consideramos as receitas geradas pelo sistema fotovoltaico, bem como o seu custo de operação e manutenção, a taxa de juros e da inflação, sendo denominado Valor Presente Líquido (VPL).
Outro conceito importante para a análise da viabilidade econômica do projeto é o período de Payback que calcula o tempo necessário para recuperar o investimento feito. Período de Payback é definido de muitas maneiras, mas no contexto do sistema de energia solar fotovoltaica, este considera o tempo necessário para o acúmulo da receita obtida igualar o total de investimentos iniciais, ou seja, o tempo necessário para se recuperar através da compensação de energia o investimento inicial feito.
Deve ser levado em consideração na análise do Payback a produção anual de energia, o valor do investimento inicial, o valor atual da tarifa de energia elétrica (R$/kWh), a correção anual da tarifa de energia elétrica, a taxa de juros anual incidente sobre investimento/empréstimo, a perda de produtividade anual dos módulos fotovoltaicos e, por fim, os custos de manutenção e operação do sistema fotovoltaico.


Dimensionamento e Simulação Computacional do Sistema Fotovoltaico On-Grid

No processo de dimensionamento duas etapas são fundamentais: a primeira parte é determinar a finalidade do sistema fotovoltaico, especificando a carga que deverá ser atendida; a segunda parte é analisar as condições físicas do local com o objetivo de otimizar a geração fotovoltaica do sistema.

Informações junto ao cliente

Nesta etapa buscou-se uma avaliação precisa das necessidades do cliente. Este é o ponto de partida mais comum para a especificação, concepção e instalação de sistemas fotovoltaicos. Neste momento, torna-se também importante compreendermos as expectativas do cliente e, em especial, a sua disponibilidade de investimento financeiro.
Inclui também na abordagem junto ao cliente questões como: incentivos aplicáveis , questões legais, localização de equipamentos e aparência. Fundamentalmente, conhecer as necessidades e desejos do cliente se torna a base para elaboração de propostas, cotações e contratos de instalação.

Análise do local de instalação

Visto que a geração fotovoltaica é função de algumas variáveis como a inclinação e a orientação dos módulos fotovoltaicos, entre outras, é fundamental compreendermos as limitações do local de instalação com o objetivo de, caso necessário, propormos adaptações que visem à otimização do sistema.
Em geral, uma análise do local envolve a determinação de algumas questões, tais como: um local adequado para os módulos; se os módulos operam sem sombreamento, em especial, nas horas de maior irradiação; o método de montagem dos módulos e como o sistema fotovoltaico vai ser interligado com o sistema elétrico existente.




Cálculo da área

Na determinação da área necessária para a instalação do sistema fotovoltaico é importante termos acesso as características do módulo fotovoltaico escolhido, uma vez que, com os dados de sua potência máxima, eficiência e dimensões poderemos calcular a superfície necessária para a instalação do sistema.
Além da área determinada acima, devemos incluir uma área adicional para os equipamentos e para o distanciamento entre módulos, quando inclinados, afim de que se evite o sombreamento.
Usando a tecnologia de silício policristalino, necessitamos normalmente de uma área de 8 a 11 m2 para a instalação de um sistema fotovoltaico com potência de 1 kWp.

Orientação e inclinação dos módulos

Os sistemas fotovoltaicos devem ser orientados para receber a máxima quantidade de radiação solar disponível no local.
Como visto no capítulo Geometria Solar, a dinâmica entre a Terra e o Sol é um dos principais influenciadores na variação da radiação solar no planeta. Desta forma, a análise da orientação e inclinação ótimas para dado local se torna importante fator de otimização do sistema.
A orientação de sistemas fotovoltaicos é definida por dois ângulos: o ângulo azimutal e o ângulo de inclinação do módulo fotovoltaico. O ângulo azimutal que é o ângulo entre a projeção da normal à superfície no plano horizontal e a direção Norte-Sul. Norte é de 0° ou 360º, o leste é 90°, o sul é 180° e oeste é 270°. Salvo sombreamento local ou padrões climáticos locais, o ângulo de azimute ideal para sistemas fotovoltaicos inclinados é para o Norte no Hemisfério Sul.
O ângulo de inclinação do módulo fotovoltaico é o menor ângulo formado entre o plano do módulo fotovoltaico e a superfície horizontal. Geralmente, quanto maior a latitude local, maior será o ângulo de inclinação ideal para se maximizar a geração de energia solar.


Figura 10: Ângulo formado entre o plano do módulo fotovoltaico e a superfície horizontal.
Fonte: Internet Google Imagens.

Simulação Computacional

Atualmente, observa-se um grande esforço internacional na criação de algoritmos para simulação computacional do desempenho de vários tipos e configurações de sistemas fotovoltaicos, utilizando como entradas dados de disponibilidade de energia (como localização da instalação, orientação e inclinação dos módulos fotovoltaicos, limites arquitetônicos e estruturais, sombreamentos), características do sistema e estimativa de custos, obtendo como resultado qual ou quais os sistemas mais adequados a cada local e aplicação em função das necessidades de consumo.
Entre os principais softwares disponíveis do mercado, temos o PV*SOL e o PVsyst, sendo que o último, além de outras funcionalidades, permite o cálculo da penalização por sombras.
Através destes softwares também é possível ter como saída a disposição real dos módulos no terreno. Desta forma, podemos mensurar o efeito do sombreamento no desempenho do sistema fotovoltaico. Todos esses recursos computacionais permitem realizar um estudo de otimização mais completo, favorecendo na resolução de problemas de dimensionamento.
PVsyst será o software que utilizaremos no capítulo 7 para o dimensionamento de um sistema fotovoltaico conectado à rede elétrica em uma moradia em Niterói, Rio de Janeiro.
O PVsyst foi desenvolvido em 1991 na Universidade de Genebra na Suíça e nos permite desenvolver estudos completos de dimensionamento e simulação com diversos níveis de complexidade. O software oferece um extenso banco de dados meteorológico e dos principais componentes de um sistema fotovoltaico. Incluindo ainda uma ferramenta chamada Computer Aided Design (CAD) para a análise detalhada de sombreamento.


Atualidade Normativa no Brasil

A Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) vem efetuando ações e estudando propostas para redução das barreiras de acesso aos sistemas de distribuição por parte dos pequenos geradores.
Uma ação da ANEEL, a chamada pública referente ao Projeto de Pesquisa e Desenvolvimento (P&D) Estratégico nº 13/2011, "Arranjos técnicos e comerciais para inserção de projetos de geração solar fotovoltaica na matriz energética brasileira" prevê a instalação de cerca de 23,6 MW a serem instalados nas diversas regiões do país até 2015, com o objetivo de disseminar a cultura da inclusão desta tecnologia e promover capacitação no tema.
Mais recentemente, em 17/04/2012, foi publicada a Resolução Normativa nº 482 que estabeleceu as condições gerais para o acesso de microgeração (potência instalada menor que 100kWp) e minigeração (potência instalada entre 100kWp e 1MWp) distribuída aos sistemas de distribuição de energia elétrica.
Esta resolução tem como objetivo diminuir os empecilhos regulatórios existentes para a conexão de geração de pequeno porte disponível na rede de distribuição, a partir de fontes de energia incentivadas - como a energia solar -, assim como introduzir o sistema de compensação de energia elétrica (net-metering), além de estabelecer adequações necessárias nos Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional (PRODIST).
Assim sendo, seria viável praticamente zerar a conta de luz com o uso da energia solar, sendo somente tributado o custo de disponibilidade de rede. Desta forma, quando um sistema fotovoltaico estiver gerando energia, a mesma será consumida no local.
Contudo, caso a geração de energia seja superior ao consumo, o excedente será injetado na rede elétrica, o que geraria créditos de energia. Os créditos de energia possuiriam o mesmo valor da eletricidade da rede e poderiam ser utilizados para abater o consumo, diminuindo assim o valor da conta de energia.
Entretanto, quando a geração for inferior ao consumo, será utilizada a energia oriunda da própria rede elétrica e o consumidor irá pagar o equivalente de quilowatt-hora utilizado referente às tarifas às quais o estabelecimento corresponde.
Ao final do mês, seria realizada uma análise entre a energia que foi injetada na rede elétrica e a que foi consumida. Se em um mês a geração fosse maior que o consumo, o consumidor pagaria apenas uma taxa fixa estabelecida pela concessionária e usufruiria de créditos válidos por até 36 meses. Esses créditos também poderiam ser utilizados para compensar o consumo de outras unidades atendidas pela mesma distribuidora e cujo titular tenha o mesmo CPF ou CNPJ da unidade com sistema fotovoltaico.


Justificativa do uso da energia solar fotovoltaica

Um dos grandes desafios globais nas próximas décadas é como manter a disponibilidade universal de serviços energéticos com o mínimo impacto ambiental. De acordo com um relatório do Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC, 2007), cerca de 69% de todas as emissões de dióxido de carbono (CO2) estão relacionadas com a geração de energia elétrica e cerca de 60% de todas as emissões de gases de efeito estufa (GEE) pode ser atribuído à produção e consumo de energia elétrica. A concentração de CO2 na atmosfera é de cerca de 385 partes por milhão (ppm), e aumenta cerca de 2 ppm por ano.
O relatório do IPCC adverte que se as tendências atuais de emissões de CO2 continuarem, a temperatura média global pode subir em até 6ºC no próximo século. Como consequência, ocorreria uma transformação significativa em todos os aspectos da vida e, portanto, uma mudança irreversível no meio ambiente.
Com o aumento de 3ºC, o Ártico poderia ficar totalmente sem gelo durante todo o seu verão e, com a mudança no regime de chuvas, a floresta amazônica iria começar a secar e os padrões climáticos extremos se tornariam a norma. Com um aumento de 4ºC observaríamos o nível dos oceanos subir drasticamente. Com um grau a mais, parte das regiões temperadas pode tornar-se inabitável, o que levaria ao aumento dos conflitos na busca dos recursos naturais restantes no mundo. Com 6ºC ocorreria o chamado cenário apocalíptico, com os oceanos se tornado verdadeiros desertos marinhos, os desertos se expandindo ao redor do planeta e eventos catastróficos tornando-se cada vez mais comuns.
Assim, há uma necessidade urgente de reduzir as emissões de gases de efeito estufa, com o objetivo de limitar o aquecimento global entre 2º e 2,4ºC.
Conforme é de conhecimento, as regiões mais desenvolvidas são as maiores emissoras de CO2 oriundo da geração de energia. A América do Norte, a Europa e a China juntas respondem por cerca de 60% das emissões de CO2 mundiais. A China é a principal emissora nas regiões em desenvolvimento, com 18% do total das emissões globais.
Neste sentido, torna-se essencial observar a importância da migração de uma matriz energética "suja", isto é, altamente baseada na exploração de combustíveis fósseis como o petróleo e o carvão para uma matriz mais "limpa", ou seja, oriundas de fontes de energia renovável, com o objetivo de cumprir as metas estabelecidas de diminuição da emissão dos gases de efeito estufa.
O ritmo de desenvolvimento de fontes de energia alternativas e tecnologias limpas terá um impacto significativo sobre a oferta mundial de energia e, consequentemente, sobre a mudança climática global.
A energia fotovoltaica é uma importante alternativa tecnológica na transição para um fornecimento de energia com aumento da participação de fontes renováveis em nível global, visto que o recurso solar é abundante e melhor distribuído geograficamente.
Conforme relatório da empresa internacional de consultoria Solarbuzz (2012), podemos observar que na última década a tecnologia fotovoltaica aflorou como uma das soluções mais promissoras para a geração de energia elétrica.
Segundo o levantamento divulgado mais recentemente pela Associação Europeia da Indústria Fotovoltaica (EPIA – sigla em inglês), indicou que no ano de 2012 a capacidade acumulada de geração de energia fotovoltaica no mundo alcançou cerca de 102 GW. Com estas instalações deixariam de ser emitidos 53 milhões de toneladas de gás carbônico por ano para a atmosfera.
Como toda a tecnologia, ela só se desenvolve se houver viabilidade econômica. Isto é o que vem acontecendo ao longo das últimas décadas em relação ao custo de um sistema fotovoltaico, justificando ainda mais a sua utilização seja em pequena ou grande escala.


Estudo de Caso: Residência em Itacoatiara, Niterói

Realizamos o dimensionamento de um sistema com ligação à rede elétrica para uma residência situada na cidade de Niterói – Rio de Janeiro, Brasil.
O dimensionamento foi realizado através do software PVsyst versão 6.16. Este software permite trabalhar com variados níveis de complexidade, desde um estágio inicial de representação até um sistema detalhado de simulação. Apresenta também uma ferramenta adicional, tridimensional, que leva em conta as limitações do horizonte e de objetos que possam criar sombras sobre os módulos fotovoltaicos.
O dimensionamento de um sistema fotovoltaico com ligação à rede através do software PVsyst pode dividir-se nas seguintes etapas:
Características do local e do projeto;
Seleção do módulo fotovoltaico;
Seleção do inversor;
Configuração do sistema.
Também utilizamos como ferramenta para modelagem 3D o software Google SketchUp versão 8, uma vez que o mesmo mostrou-se pertinente durante o projeto de sistemas fotovoltaicos no estudo de sombreamentos e da melhor localização destes sistemas, com o objetivo de um melhor aproveitamento da energia solar.

Consumo Elétrico

A realização do projeto de um sistema fotovoltaico exige o levantamento das características da carga a ser atendida. O valor da demanda de energia elétrica local e a sua distribuição ao longo do ano foram obtidas através da conta de luz emitida pela concessionária responsável pelo antedimento da região onde se localiza a residência, neste caso, a Ampla Energia e Serviços S.A.







Figura 11: Conta de luz da residência. Fonte: Responsável pela residência.

Como podemos observar, a média de consumo é de 618kWh/mês.

Parâmetros do Projeto Estudado

Após algumas vistorias da residência, verificamos que o telhado seria o melhor local para a instalação do sistema fotovoltaico, uma vez que não sofre de sombreamento e possui uma superfície disponível para uso. Além destas informações, estimamos o ângulo do telhado em 20 graus e também as diferentes orientações e, portanto, azimutes solares, conforme a figura 12.

Figura 12: Modelo da residência usando Google SketchUp. Fonte: O Autor.

Com a localização da residência, o PVsyst nos fornece alguns dados relativos aos níveis de irradiação no Rio de Janeiro (Gráfico 2). Através da base de dados utilizada, é possível observar que a irradiação solar global horizontal é de 1690,3 kWh/m2/ano no Rio de Janeiro. Utilizando a mesma base de dados do PVsyst, vale ressaltar que este é um valor 53% superior a irradiação solar global horrizontal na cidade de Freiburg na Alemanha, exemplo de cidade solar seguida em todo o mundo.

Gráfico 2: Irradiação solar global horizontal média na cidade do Rio de Janeiro obtida entre os anos de 1981 e 2000. Fonte: PVsyst.

Nesta análise, considerou-se o sistema fotovoltaico com azimute solar de 6,5 graus (orientação da fachada escolhida) e inclinação dos módulos fotovoltaicos de 20 graus, ou seja, a inclinação natural do telhado (figura 13). Embora estes sejam valores diferentes dos ótimos fornecidos pelo PVsyst, não houve perda mensurável.


Figura 13: Modelo do sistema fotovoltaico usando Google SketchUp. Fonte: O Autor.

Iniciamos o projeto com a inserção do valor da potência a injetar na rede elétrica. O responsável pela residência manifestou o desejo de gerar uma quantidade de energia próxima ao do seu consumo elétrico, portanto, o projeto foi dimensionado com uma potência de 5 kWp, sendo então este o valor de partida para a simulação do projeto.
Após a inserção da potência e de forma a se saber qual o número de módulos e inversores necessários, foi escolhido o tipo de módulos fotovoltaicos a adotar neste projeto.
O módulo selecionado foi o módulo da marca Yingli Solar, modelo YL250P-32b, de silício policristalino de 250W. Estes módulos possuem um tempo de vida útil de 25 anos.
Para este sistema fotovoltaico foi escolhido o inversor da marca SMA, modelo Sunny Boy SB 5000 US-12-277. O Sunny Boy é o tipo inversor mais utilizado atualmente nas instalações fotovoltaicas ligadas à rede elétrica.
Após a seleção do tipo de inversor e através da combinação deste inversor com os módulos fotovoltaicos escolhidos, chegou-se à conclusão que seriam necessários 20 módulos, sendo duas strings de 10 módulos conectados em série, como foi previsto inicialmente (Figura 14).


Figura 14: Interface (parcial) do PVsyst: Finalização da configuração do sistema fotovoltaico. Fonte: PVsyst.

Após a seleção dos módulos, do inversor e da compatibilidade destes, foi então possível efetuar a simulação do projeto, obtendo-se os valores representados na figura 15.


Figura 15: Interface (parcial) do PVsyst: Finalização da simulação do projeto. Fonte: PVsyst.

A produção anual deste projeto foi de 6.978kWh/ano (Tabela 2), com uma taxa de desempenho de 77,9%.


Tabela 2: Produção mensal e anual do sistema fotovoltaico. Fonte: PVsyst.

No que diz respeito às perdas do sistema fotovoltaico, é nos meses de maior calor que maiores perdas são verificadas, especialmente no que diz respeito às perdas derivadas dos módulos fotovoltaicos. Como todos os outros dispositivos semicondutores, as células solares são sensíveis à temperatura. Aumentos de temperatura reduzem o intervalo de banda de um semicondutor, afetando assim a maior parte das propriedades do material semicondutor.

Análise Econômica

A partir de informações da Nota Técnica da Empresa de Pesquisa Energética (EPE) – Análise da Inserção da Geração Solar na Matriz Elétrica Brasileira –, estimou-se em R$7,66 o valor referente ao Wp para sistemas fotolvaicos residênciais com potência entre 4kWp à 6kWp.
Considerando os parâmetros de cálculo a seguir, assim como o valor de referência para o R$/Wp apresentado acima, segue abaixo uma tabela da viabilidade econômica levando-se em consideração os diversos fatores envolvidos.
Análise Econômica do Investimento
Valor de referência do R$/Wp
R$ 7,66
Potência instalada
5 kWp
Produção anual de energia
6.978,20 kWh
Valor do investimento inicial
R$ 38.300,00
Valor atual da tarifa de energia elétrica
0,61 R$/kWh
Correção anual da tarifa de energia elétrica
6,0%
Taxa de juros anual incidente sobre investimento/empréstimo (SELIC)
7,2%
Perda de produtividade anual dos módulos fotovoltaicos
0,5% ano
Custos de manutenção e operação
1% do custo total ao ano
Tabela 3: Análise Econômica do Investimento. Fonte: O Autor.

No gráfico abaixo é apresentado o retorno do investimento do sistema fotovoltaico estudado, com um payback entre o décimo primeiro ano e o décimo segundo ano da instalação. A partir do momento em que se verifica o retorno do investimento inicial, R$ 38.300,00 e até ao fim do tempo de vida útil dos módulos fotovoltaicos (cerca de 25 anos), os valores financeiros demonstram a viabilidade deste investimento.
Gráfico 3: Retorno do Investimento. Fonte: O Autor.


Conclusão

Como tivemos a oportunidade de observar, o dimensionamento e a viabilidade econômica do sistema fotovoltaico sugerido revelou que a geração distribuida pode ser um investimento rentável em situações que, como a exemplificada no estudo de caso, apresentem uma boa disponibilidade do recurso solar e tarifas mais elevadas por parte das concessionárias.
Verificamos que a opção pela utilização do software PVsyst foi bem sucedida, uma vez que este software possui uma base de dados extensa, tanto a nível de dados geográficos como a nível de catálogos e informações referentes aos componentes que constituem os sistemas fotovoltaicos.
Portanto, com este trabalho foi possível mapear as principais forças da energia solar fotovoltaica, tais como: o potencial solar elevado em muitas regiões do Brasil e os custos de eletricidade relativamente altos em diversas regiões do país.
Entretando, foram observadas algumas barreiras para o desenvolvimento pleno desta tecnologia em território nacional, tais como o seu alto investimento inicial e a tímida sinalização de apoio por parte do Governo à tecnologia fotovoltaica.
Contudo, algumas perspectivas positivas foram mapeadas. Existe uma expectativa de redução dos custos dos sistemas fotovoltaicos, assim como uma tendência crescente no que diz respeito à eficiência e ao tempo de vida útil destes. Corroborado ainda pela garantia de potência de 25 anos dos módulos fotovoltaicos assegurando a longevidade do investimento.
A mudança climática é uma realidade. Até o final do século, se as tendências atuais continuarem, a temperatura global provavelmente vai subir mais do que os cientistas haviam previsto anteriormente. Sabemos que, se continuarmos a depender dos combustíveis fósseis enfrentaremos um futuro de agravamento da poluição do ar e um clima cada vez mais inóspito.
Precisamos agir e investir em energia limpa e renovável para limitar as perigosas alterações climáticas, para reduzir os riscos à saúde humana e para salvaguardar o nosso futuro coletivo.




Referências

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Inserção da Energia Solar Fotovoltaica na Matriz Elétrica Brasileira. Disponível em: . Acesso em: setembro de 2013.

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Radiação Solar
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