UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO
PRÓ-REITORIA DE GRADUAÇÃO
CENTRO DE ENGENHARIAS
CURSO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
ARYANNE GABRIELLE SOARES DE BRITO
DAVI MEDEIROS PIMENTA
KAYNARA TORQUATO DE ARAÚJO
DIMENSIONAMENTO SOLAR
MOSSORÓ-RN
2017
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Consumo Residencial e Geração de Energia Renovável: Sistemas Fotovoltaicos em Foco, Exercícios de Energia
Um estudo sobre o consumo residencial em mossoró, brasil, e a possibilidade de instalação de sistemas fotovoltaicos autônomos ou ligados à rede elétrica. O texto aborda as fontes energéticas atuais e suas impactações ambientais, a promoção de energia renovável na união europeia e no brasil, e o crescimento rápido da energia solar global. Além disso, o documento discute as vantagens de sistemas fotovoltaicos, como a produção de energia limpa e a autossuficiência energética.
Tipologia: Exercícios
2021
1 / 54
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UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO
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ARYANNE GABRIELLE SOARES DE BRITO
DAVI MEDEIROS PIMENTA
KAYNARA TORQUATO DE ARAÚJO
DIMENSIONAMENTO SOLAR
MOSSORÓ-RN
UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO
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CURSO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
ARYANNE GABRIELLE SOARES DE BRITO
DAVI MEDEIROS PIMENTA
KAYNARA TORQUATO DE ARAÚJO
DIMENSIONAMENTO SOLAR
MOSSORÓ-RN
Trabalho final apresentado à disciplina de Usinas Geradoras de Energia, da Universidade Federal Rural do Semi-Árido, como critério parcial para aprovação na referida disciplina. Orientadora: Fabiana Karla De Oliveira Martins Varella Guerra, Profa. Dra.
ABSTRACT
From the analysis of residential energy consumption of a house located in Mossoro-RN, Brazil, it was possible to carry out researches on the implementation of the autonomous and / or grid-connected photovoltaic power generation system, in order to analyze if it is possible to install those systems and which qualification would be more suitable for the occasion. With respect to the autonomous photovoltaic system, it was necessary to execute a sizing to define which photovoltaic module is most suitable, also for the charge controller, bank of batteries and frequency inverter. In relation to the photovoltaic system connected to the energy grid, it was necessary to execute a dimensioning to the photovoltaic module and frequency inverter. With this, it was made a comparison between the two systems, where it was found that the most viable system was the grid-tied, with a lower and more guaranteed level of return on investment.
Key words: Photovoltaic energy. Investiment. Renewable energy.
LISTA DE FIGURAS
SUMÁRIO
3 DIMENSIONAMENTO - SISTEMA SOLAR FOTOVOLTAICO AUTÔNOMO
3.3.2 Consumo E Quantidade De Módulos Necessários Para Este Projeto
- Figura 1 - Potencial de geração solar fotovoltaica
- Figura 2 - Modelo de bateria selecionado
- Figura 3 - Arranjo de 12 baterias em conexão mista
- Figura 4 - Modelo de módulo fotovoltaico selecionado
- Figura 5 - Arranjo de seis módulos em conexão paralela
- Figura 6 - Modelo de controlador de carga selecionado
- Figura 7 - Modelo de inversor off-grid selecionado
- Figura 8 - Modelo de módulo fotovoltaico selecionado
- Figura 9 - Modelo de inversor grid-tie selecionado...........................................
- Figura 10 - Arranjo de seis módulos em conexão mista
- 1 INTRODUÇÃO
- 2 REFERÊNCIAL TEÓRICO............................................................................
- 2.1 CONTEXTO ENERGÉTICO MUNDIAL
- 2.2 CONTEXTO ENERGÉTICO BRASILEIRO
- 2.3 ENERGIA SOLAR
- 3.1 CONSUMO DIÁRIO
- 3.2 BANCO DE BATERIAS
- 3.2.1 Modelo De Bateria Escolhida
- 3.2.2 Quantidade De Baterias Agrupadas Em Série
- 3.2.3 Energia Armazenada No Banco De Baterias
- 3.2.4 Capacidade De Carga Do Banco De Baterias
- 3.2.5 Quantidade De Baterias Total
- 3.2.6 Número De Conjuntos Em Paralelo
- 3.3 MÓDULOS FOTOVOLTAICOS
- 3.3.1 Módulo Escolhido
- 3.4 CONTROLADOR DE CARGA
- 3.4.1 Corrente Máxima De Entrada
- 3.4.2 Modelo De Controlador De Carga
- 3.5 INVERSOR
- AUTÔNOMO................................................................................................. 3.6 TABELA DE VALORES – SISTEMA SOLAR FOTOVOLTAICO
- 3.7 RETORNO FINANCEIRO
4 DIMENSIONAMENTO – SISTEMA SOLAR FOTOVOLTAICO CONECTADO
A REDE ............................................................................................................ 26
4.1 CONSUMO DIÁRIO ................................................................................ 26
4.2 MÓDULOS FOTOVOLTAICOS .............................................................. 27
4.2.1 Módulo Escolhido ............................................................................. 27 4.2.2 Consumo E Quantidade De Módulos Necessários Para Este Projeto .................................................................................................................. 27 4.3 INVERSOR ............................................................................................. 29 4.3.1 Arranjo Dos Módulos Fotovoltaicos .................................................. 30 4.4 TABELA DE VALORES – SISTEMA SOLAR FOTOVOLTAICO CONECTADO À REDE................................................................................. 31 4.5 RETORNO FINANCEIRO ....................................................................... 31
5 CONCLUSÃO ............................................................................................... 33
REFERENCIAS ................................................................................................ 34
ANEXOS .......................................................................................................... 36
como finalidade coibir a emissão de gases nocivos ao planeta em geral, este protocolo foi aprovado em 15 de março de 1998 (CASTRO, 2009). No ano de 2001 foi aprovada a Diretiva 2001/77/CE do Parlamento Europeu e do Conselho (conhecida como Diretiva das Renováveis) que tinha como finalidade à promoção da eletricidade produzida a partir de fontes renováveis de energia no mercado interno da eletricidade. A Diretiva seria então uma abreviatura do Protocolo de Quioto (CASTRO, 2009). O referido interesse que já era proveniente de grandes corporações que desejam, além de diminuir os gastos com energia, inserir o sentimento de conscientização entre seus funcionários e colaboradores, também vem se mostrando uma ferramenta favorável para aqueles núcleos familiares que também almejam o corte de gastos, observando-se a oscilação existente nas bandeiras tarifárias de nosso país que torna, em alguns períodos do ano, a conta de luz uma despesa mais elevada, comprometendo a renda dessas. Logo, diante das diversas formas de obtenção de energia limpa, temos o Sistema Solar Fotovoltaico que é composto por diversos equipamentos responsáveis por converter energia solar, captada por seus painéis fotovoltaicos, em energia elétrica, seja ela autônoma ( Off – Grid ) ou conectado à rede ( On - Grid ). O presente trabalho tem por finalidade o dimensionamento de abastecimento de energia em uma residência por meio de um sistema solar fotovoltaico.
2 REFERÊNCIAL TEÓRICO
2.1 CONTEXTO ENERGÉTICO MUNDIAL
O desenvolvimento cientifico e tecnológico da humanidade há muito tempo está ligado à disponibilidade energética, onde resultou na geração de eletricidade, aquecimento solar entre outros exemplos. Os governos dos países têm como uma de suas principais preocupações o adequado fornecimento de energia para essa finalidade. Segundo a International Energy Agency (IEA) a matriz energética mundial está baseada nos combustíveis derivados de petróleo, gerando cerca de dois terços da produção mundial de eletricidade. As reservas petrolíferas, apesar de possuírem um alto coeficiente energético, são recursos naturais passíveis de esgotamento e, além disso, seus derivados emitem gases poluentes na combustão, degradação ambiental na sua extração e durante a utilização. Diante disso as fontes renováveis chegam com a vantagem de não gerarem danos significativos ao meio ambiente durante a produção de energia. Segundo a IEA elas já representam cerca de 4,9% da produção de energia mundial e continua aumentando muito rapidamente, destacando-se entre as principais fontes a geotérmicas, solares, eólicas e outras. De acordo com Pacheco (2006) apud Ignatios (2006), “Atualmente, a nova ordem mundial é a busca pela autossuficiência em geração de energia, aliada a uma diversificação da matriz energética, ou seja, a procura por diferentes fontes de energias alternativas que supram a demanda interna dos países, no caso de uma escassez de combustíveis fósseis. Para tanto, os países têm que ter sob controle fontes primárias de geração de energia elétrica, térmica e veicular e em um mundo globalizado é necessário que haja uma interdependência entre os países e uma autossuficiência em alguma fonte de energia.” A energia solar busca o aproveitamento da energia proveniente do sol e é uma excelente fonte alternativa de geração de energia, pois diretamente não provoca impactos ambientais. Um avanço significativo foi conseguido nas últimas décadas tanto no aproveitamento térmico para atendimento de demandas residenciais ou processos industriais, quanto para conversão em
tem garantia de contratação por 20 anos pela Centrais Elétricas Brasileiras S.A. (Eletrobrás).
2.3 ENERGIA SOLAR
Estudos apontam que a energia solar vem se destacando comparando com as outras formas de energia, pois é uma energia inesgotável, limpa, não emitir poluentes e etc. O aproveitamento do recurso solar no Brasil se apresenta como uma excelente opção para complementação de fontes convencionais de energia já consolidadas, como as hidroelétricas pois favorece o controle hídrico nos reservatórios, especialmente nos períodos de menor incidência de chuvas, e possibilita planejamento e otimização de novos investimentos em geração, transmissão e distribuição da energia (ATLAS BRASILLEIRO DE ENERGIA SOLAR, 2017). A energia solar é a energia eletromagnética cuja fonte é o sol. Ela pode ser transformada em energia térmica ou elétrica e aplicada em diversos usos. A energia irradiada pelo Sol cobre uma ampla faixa do espectro eletromagnético. Cerca de 81% da energia que chega ao Sistema Terra/Atmosfera está em uma faixa de comprimentos de onda que vai do visível ao infravermelho próximo. Essa energia alimenta todos os processos térmicos, dinâmicos e químicos, sejam eles naturais ou artificialmente desenvolvidos, com aplicação do conhecimento científico e tecnológico produzido pela sociedade. Dentre os processos naturais, a fotossíntese (produção de biomassa), o ciclo hidrológico (evaporação/ precipitação), a dinâmica da atmosfera e oceanos (ventos e correntes oceânicas) são exemplos com os quais estamos interagindo de forma rotineira (ATLAS BRASILEIRO DE ENERGIA SOLAR, 2017). A disponibilidade do recurso energético solar e sua variabilidade espacial e temporal estão intrinsecamente relacionadas a conceitos astronômicos. O primeiro dos fatores a serem considerados é a posição relativa entre o Sol e a Terra. A Terra orbita o Sol a uma distância média de cerca de 150 milhões de quilômetros, completando um ciclo a cada 365,25 dias solares. Ao longo desse período, a distância varia entre 1,47x10^8 km e 1,52x10^8 km e, como resultado, o fluxo de radiação solar (irradiância solar) oscila entre 1. W/m² e 1.412W/m². O valor médio da irradiância solar igual a 1.366 W/ m² é
definido como a constante solar (NREL, 2017). A intensidade de radiação solar influencia no aproveitamento desse tipo de energia e depende de fatores como a latitude, hora, dia do ano e condições atmosféricas (nebulosidade, umidade relativa do ar, etc.). Para a produção de energia elétrica são usados dois sistemas: o heliotérmico, em que a irradiação é convertida primeiramente em energia térmica e posteriormente em elétrica; e o fotovoltaico, em que a irradiação solar é convertida diretamente em energia elétrica. A geração de energia heliotérmica funciona com um conjunto de captadores espelhados, distribuídos em uma área plana. Os espelhos se movimentam de acordo com a posição do sol e refletem os raios para uma torre – chamada de torre solar -, onde o calor é armazenado e transformado em energia. Ela é diferente da geração de energia solar fotovoltaica, já explorada no Brasil, que não é capaz de guardar o calor produzido (VILLELA, 2016). A energia solar fotovoltaica pode ser fabricada em grandes plantas, o que permite economias de escala. E por ser uma tecnologia muito modular, pode ser implantado em quantidades muito pequenas como em calculadoras. Segundo IEA, os custos da energia solar caíram muito mais rápido do que o esperado devido a melhorias na tecnologia e no gerenciamento de projetos. Desde 2011, os custos de geração de projetos fotovoltaicos de escala de utilidade diminuíram em dois terços, e pelo menos outra redução de 25% está prevista para 2021. A queda de custos resultou em um aumento no investimento em fotovoltaicos, o que aumentou 20% em 2016. A geração fotovoltaica de energia elétrica tem um grande potencial no Brasil, como indica o mapa da Figura 1. O mapa mostra o rendimento energético anual máximo (medido em kWh de energia elétrica gerada por ano para cada kWp de potência fotovoltaica instalada) em todo o território nacional, tanto para usinas de grande porte centralizadas e instaladas em solo, como para a geração fotovoltaica distribuída integrada em telhados e coberturas de edificações.
3 DIMENSIONAMENTO - SISTEMA SOLAR FOTOVOLTAICO AUTÔNOMO
3.1 CONSUMO DIÁRIO
Foi utilizada como objeto de pesquisa uma residência onde vivem cinco pessoas. Para fins de cálculo de um dimensionamento do sistema solar fotovoltaico para um local real, que já utiliza de energia proveniente da rede elétrica externa, o mais correto, para aproximar ao máximo o projeto da sua utilidade real, é tomar como base em seus cálculos de consumo, os demonstrativos de uso de energia do local. O consumo diário da residência foi calculado tomando como base o consumo mensal registrado pela agência reguladora de energia da cidade. Para fins comparativos, foram utilizados três demonstrativos de consumo, dos meses de julho, agosto e setembro de 2017.
Após cálculo do consumo médio da residência, tomando como base os 3 meses especificados anteriormente, é necessário calcular a potência média consumida diariamente nesta residência, de acordo com os cálculos a seguir.
De acordo com os cálculos apresentados, pode-se constatar que o consumo médio nesta residência é de 8,88KWh por dia ou 8880Wh por dia.
3.2 BANCO DE BATERIAS
3.2.1 Modelo De Bateria Escolhida
Foi escolhida uma bateria de alta eficiência e qualidade, uma marca conhecida no ramo das baterias estacionárias e uma das maiores capacidades de carga em valores comerciais para que o sistema tenha o melhor aproveitamento possível e o melhor custo benefício. A bateria escolhida foi mostrada na figura 2.
- Modelo: Bateria Estacionária Moura Clean - 12MF
- Tensão de saída: 12V
- Capacidade de carga: 220Ah
Figura 2 - Modelo de bateria selecionado
Fonte: Minha Casa Solar, 2017
3.2.2 Quantidade De Baterias Agrupadas Em Série
O módulo escolhido para este sistema, mostrado no item 3 deste dimensionamento, tem tensão máxima superior, segundo datasheet do módulo, de 37,1V, portanto, a tensão de saída do banco de baterias deve ser de 48V
Neste caso, o número de baterias será arredondado para 12.
3.2.6 Número De Conjuntos Em Paralelo
Neste caso, as baterias serão organizadas em um arranjo misto com 3 conjuntos em paralelo de 4 baterias em série cada, conforme mostrado na figura 3.
Figura 3 - Arranjo de 12 baterias em conexão mista
Fonte: Autoria própria, 2017.
3.3 MÓDULOS FOTOVOLTAICOS
3.3.1 Módulo Escolhido
Foi considerado um módulo de alta eficiência e uma das maiores potências disponíveis para comercialização atualmente. O modelo de módulo fotovoltaico escolhido foi mostrado na Figura 4.
- Marca: Talesun Solar
- Modelo: TP672P
- Potência nominal: 320W
- Eficiência: 16,5%
- Tipo: Silício Policristalino
Figura 4 - Modelo de módulo fotovoltaico selecionado
Fonte: Minha casa solar, 2017.
3.3.2 Consumo E Quantidade De Módulos Necessários Para Este Projeto
Considerando um projeto na cidade de Mossoró e o atlas solarimétrico brasileiro mais recente, lançado em agosto de 2017, o índice solarimétrico médio calculado é de 5500Wh/m².dia e o período médio de insolação é de 5h por dia. Como verificado no item anterior, o consumo médio do cliente é de 8,88KWh/dia.