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Análise De Viabilidade Econômica Da Instalação De Um Conjunto De Geração Fotovoltaica Residencial

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CONTEÚDO

ARTIGO ORIGINAL

XAVIER, Cristiellen Sousa Pilato [1]

XAVIER, Cristiellen Sousa Pilato. Análise De Viabilidade Econômica Da Instalação De Um Conjunto De Geração Fotovoltaica Residencial. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. Ano 06, Ed. 03, Vol. 08, pp. 132-150. Março de 2021. ISSN: 2448-0959, Link de acesso: https://www.nucleodoconhecimento.com.br/engenharia-eletrica/economica-da-instalacao ‎

RESUMO

Visto que no Brasil a maior parte da geração de energia provém das hidrelétricas, o aumento da demanda nos últimos tempos, a diversidade territorial brasileira e a necessidade de energias renováveis, suscitaram a questão do uso de fontes alternativas de energia como, por exemplo, a energia solar. Frente a isso, o presente artigo objetivou analisar a viabilidade desse sistema de geração de energia, uma vez que ele é capaz de gerar energia através das células fotovoltaicas, materiais que transformam a radiação solar em energia elétrica. Trata-se de um estudo aplicado e de cunho quantitativo que possibilitou o alcance de resultados eficientes quanto ao uso desse sistema, sobre  as suas diversas maneiras de instalação, de modo a maximizar a eficiência energética ou se adequar às possibilidades e necessidades arquitetônicas.

Palavras-chave: Energias renováveis, Energia solar, Células fotovoltaicas, Eficiência energética.

1. INTRODUÇÃO

A eficiência energética tem como objetivo minimizar a demanda de energia elétrica dos sistemas, ou seja, a utilização racional da eletricidade de maneira mais eficiente, evitando desperdícios.

Segundo a Empresa de Pesquisa Energética (EPE, 2010), a eficiência energética é encontrada através do resultado do bem produzido ou serviço realizado e a quantidade de energia final utilizada. Já para a International Energy Agency (IEA, 2010), o conceito de eficiência energética está relacionado à aquisição de serviços energéticos, tais como calor, produção e transporte, por unidade de energia utilizada.

Buscando incentivar o uso de medidas de eficiência energética, o poder público criou a primeira iniciativa em nível nacional que foi a criação do Programa Conserve, feito em 1981. Esse programa tem como objetivo promover a conservação de energia, além de procurar desenvolver produtos mais eficientes e substituir energéticos vindo de outros países por material de fontes nacionais. Após a criação do Programa Conserve, foi criado o Programa de Mobilização Energética (PME), o qual visa mudar a utilização de derivados de petróleo por fontes de energia renováveis e promover um conjunto de ações voltadas para incentivar a conservação de energia (MME, 2011).

Em 1997, foi lançada pela Lei n.9.478 a Política Energética Nacional (PEN) e criados o Conselho Nacional de Política Energética e a Agência Nacional de Petróleo, ficando determinados seus princípios para o aproveitamento racional, visando à conservação energética e do meio ambiente (BRASIL, 1997).

Em anos posteriores, houveram avanços importantes no âmbito do Programa Brasileiro de Etiquetagem (PBE). O programa de certificação de eficiência energética para edifícios comerciais, públicos e de serviços ocorreu em 2009, e logo em 2010 foi lançado pelo governo para os edifícios residenciais. Também foi aprovada a inclusão de geração compartilhada no sistema nacional de energia de compensação, que é semelhante a um consórcio ou cooperativa de consumidores localizados na mesma região do serviço de distribuição de energia. (ANEEL, 2015).

Para tentar melhorar essa situação, podemos trabalhar com diversas opções de melhorias, buscando tornar o sistema energético mais eficiente. Uma maneira para que esse cenário de aumento de demanda seja otimizado é através do poder público, pois se deve conhecer o comportamento do público consumidor para fazer estudos e criar mecanismo legais de incentivo e conversação de energia, promovendo, assim, que diferentes setores, como comercial, industrial e residencial, utilizem a energia de maneira racional e otimizem o consumo da energia pela sociedade (JANNUZZI, 2005).

No Brasil a maior parte da geração de energia provém das hidrelétricas, porém com o aumento da demanda nos últimos tempos, a diversidade territorial brasileira e a necessidade de energias renováveis começaram a levar em consideração o uso de fontes alternativas de energia.

Uma fonte de energia que tem possibilidade de ser implementada no Brasil é a solar, por ser uma energia limpa e ter condições climáticas favoráveis.

2. DESENVOLVIMENTO

2.1 GERAÇÃO DE ENERGIA FOTOVOLTAICA

O sistema solar fotovoltaico é capaz de gerar energia através das células fotovoltaicas, materiais que transformam a radiação solar em energia elétrica. Essa conversão de energia se inicia pelo efeito fotovoltaico, que acontece quando os fótons provenientes da luz solar são absorvidos pela célula fotovoltaica, esta por sua vez, depende diretamente da forma como é feita sua montagem.

Existem diversas maneiras em que as placas podem ser instaladas, que variam de acordo com a aplicação, podendo maximizar a eficiência ou se adequar às possibilidades e necessidades arquitetônicas. A forma mais utilizada para dispor as placas é em forma de painéis solares.

O nível de irradiação e a quantidade de painéis instalados influenciam na produção de energia, dessa maneira a geração de energia não é contínua, ela atinge o pico próximo ao meio dia e se interrompe no período da noite.

Quanto aos sistemas fotovoltaicos, estes podem ser divididos em dois grupos:

  • Sistema Off-Grid: Não integra a rede elétrica, são comumente utilizados em regiões afastadas ou onde o custo de acesso a rede é maior que o custo do próprio sistema. É utilizado dessa maneira, baterias para armazenar a energia
  • Sistema Grid Tie: Sistema que injeta a energia excedente produzida na rede elétrica, assim gera créditos, que podem diminuir o valor da conta de energia elétrica.

Nesse estudo foi utilizado para análise o sistema Grid Tie.

2.2. TARIFAÇÃO DA ENERGIA ELÉTRICA

 A ANEEL foi criada para regular o setor elétrico brasileiro, dessa maneira a Agência Nacional de Energia Elétrica, regulamenta a aplicação de tarifas de forma adequada. Nesse sentido, a ANEEL desenvolve metodologias de cálculo tarifário de acordo com cada setor elétrico.

Conforme os tipos de tarifas existentes, a classe que se enquadra no trabalho em questão trata-se do Grupo B, Subgrupo B1. A tarifa nesse caso é dividida em tarifa de energia e tarifa do uso do sistema de distribuição, calculado a partir do consumo de energia ativa.

3. DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA FOTOVOLTAICO

3.1 CARGA DEMANDADA

Na tabela a seguir está estimada a demanda mensal de uma residência, habitada por quatro pessoas, com uma área de 100 m² localizada na região de Juiz de Fora- MG (Tabela 1). Dado em KWh, o consumo é referente aos meses do ano, iniciando em dezembro do ano anterior até dezembro do ano seguinte.

Tabela 1- Histórico de consumo da instalação em estudo

MÊS CONSUMO (KWh)
Dezembro 189
Janeiro 198
Fevereiro 210
Março 189
Abril 207
Maio 185
Junho 213
Julho 205
Agosto 224
Setembro 208
Outubro 205
Novembro 237
Dezembro 213
MÉDIA 206,3846154
TOTAL 2683

 Fonte: Autor

3.2. ÁREA ÚTIL

Considerando que a residência não possui nada sobre ela, podemos dizer que a área disponível para alocação dos painéis fotovoltaicos é de 100 m².

3.3. IRRADIÂNCIA

O cálculo da irradiância foi estabelecido através das coordenadas geográficas da residência em questão. As coordenadas utilizadas foram:

  • Latitude: 21,7° SUL
  • Longitude: 43,350277° OESTE
  • Altitude: 695m

Uma vez identificadas as coordenadas, podemos obter, através do site do Centro de Referência para as Energias Solar e Eólica Sérgio de S. Brito (CRESESB), os dados de irradiação média fornecida a cada mês na região estudada como mostrado na tabela 2. Esses dados apresentam valores em kWh/m².dia em cada mês do ano.

Tabela 2 – Irradiância média

IRRADIAÇÃO SOLAR DIÁRIA MÉDIA (kWh/m².dia)
LATITUDE (°) 21,7° SUL
LONGITUDE (°) 43,350277° OESTE
JANEIRO 4,97
FEVEREIRO 5,03
MARÇO 4,44
ABRIL 3,69
MAIO 3,5
JUNHO 3,11
JULHO 3,75
AGOSTO 3,94
SETEMBRO 3,69
OUTUBRO 4,3
NOVEMBRO 4,16
DEZEMBRO 1,92
MÉDIA 3,875
DELTA 1,92

Fonte: CRESESB

3.4. ESCOLHA DOS EQUIPAMENTOS

Tendo em vista a demanda estabelecida pelo consumo dos moradores são apresentados a seguir os equipamentos que foram utilizados no projeto e suas especificações técnicas e, em seguida, seus valores.

Tabela 3 – Dados do Fabricante (Módulo Fotovoltaico).

Módulo Fotovoltaico
Potência máxima (Pmax) 260Wp
Tolerância 0% a +5%
Tensão em circuito aberto (Voc) 37,5V
Tensão de Pico (Vmpp) 30,4V
Corrente de curto-circuito (Isc) 9,12A
Corrente de Pico (Impp) 8,56 A
Voltagem máxima do sistema 1000V
Tipo de célula Silício Policristalino
Dimensões painel 1638 x 982 x 40 (mm)
Moldura Alumínio
Peso 18 kg

Fonte: Autor.

Tabela 4 – Dados do Fabricante (Inversor).

Parâmetros da Entrada
Potência fotovoltaica nominal 2100W
Tensão máxima 520Vcc
Faixa de operação MPPT 200 a 470
Tensão CC de partida 200V  (ajustável de 120V a  350V)
Corrente CC máxima 12 A
Número de MPPTs independentes 01
Número de pares de strings em paralelo para cada MPPT 02
Parâmetros da Saída
Potência CA Nominal 2000W
Potência Máxima em CA 2200W
Corrente Máxima em CA 10,5 A
Saída nominal CA 230Vca – 60Hz
THD <2%
Conexão CA Monofásica
Eficiência
Eficiência máxima 96,3%

Fonte: Autor.

Tabela 5 – Dados do Fabricante (Medidor Trifásico).

Medidor Trifásico
Tensão 120V e 240V
Corrente nom. (In) 15 A
Corrente máx. (Imax) 120 A
Cor. de partida 0,4% de In
Freq. de ref 50Hz ou 60Hz
Classe B (1)
Faixa de temperatura de operação -10°C até +70°C

Fonte: Autor.

O investimento financeiro inicial referente ao projeto, compreendendo os componentes e mão de obra para instalação está detalhado na tabela a seguir.

Tabela 6 Custos dos equipamentos e Instalação

EQUIPAMENTOS PREÇO UNITÁRIO
Painel Solar Fotovoltaico Policristalino de 260W Canadian Solar – CS6P-260P R$ 994,14
Inversor Grid-tie 2,0KW ABB – UNO 2.0-I-OUTD-S R$ 4.990,00
Medidor Trifásico 120 A 60 Hz R$ 360,00
Cabos elétricos fotovoltaicos R$ 25,80
Par de conectores R$ 39,90
Suporte adaptador para telhados R$ 9,90
Controlador de carga R$ 169,00
Instalação R$2.000,00
TOTAL R$8.588,74

Fonte: Autor.

Uma vez dimensionado o projeto da instalação fotovoltaica, podemos calcular a energia fornecida pelo sistema. Considerando a taxa de desempenho de 70%, através da equação (1) podemos calcular a energia média mensal produzida pelo painel.

Onde:

  • irradiação solar média por dia
  •  área do painel
  •  taxa de desempenho do

Assim seguem os cálculos da energia produzida pelo sistema com um painel (KWh/dia).


A eficiência de conversão do painel é definida pela equação a seguir :

A energia mensal produzida por um painel é  e a energia anual produzida pelo mesmo é dada por . Desta forma temos os seguintes cálculos :

O número de painéis necessários para a produção média de energia pode ser calculado por (5),

Onde:

  • energia média consumida
  • energia produzida pelo painel

O Número de painéis necessários é um parâmetro que depende da energia média consumida, e pode ser tanto a anual quanto a mensal, desde que mude a energia produzida de acordo com o período em questão. Sendo assim, podemos obter, através dos cálculos, a quantidade de painéis mais próxima do ideal, fórmula (6).

Área total ocupada pelos painéis (m²):

Cada painel possui 18Kg, então o peso total dos painéis (Kg) será :

A partir dos cálculos realizados, temos importantes dados para levar em conta antes de realizarmos a análise da viabilidade econômica para o investimento em questão.

4. ANÁLISE DA VIABILIDADE ECONÔMICA

Para analisar a viabilidade econômica do sistema implantado, foram analisados fluxos de caixa considerando a variação do número de painéis, 7, 8 e 9. A análise contempla os cálculos do VPL (Valor Presente Líquido) e TIR (Taxa Interna de Retorno), que são formas alternativas de comparação de investimento, mostrados na tabela abaixo, detalhando os resultados obtidos através da análise, considerando a variação do número de painéis instalados.

Os gráficos seguintes mostram a relação de energia consumida e energia gerada pelas células fotovoltaicas, durante a vida útil, para cada quantidade de painéis respectivamente.

Tabela 7 – Análise de investimento para 7 painéis

Análise de investimento para 7 painéis
Tempo (Anos) Consumo(kWh) Geração (kWh) Diferença (kWh) Fluxo de caixa sem Manutenção (R$) Fluxo de caixa com a manutenção (R$)
0 -15.007,00 -15.007,00
1 2683 2732,52 49,52 1.531,42 1.540,61
2 2683 2710,66 27,66 1.512,42 1.521,49
3 2683 2688,97 5,97 1.493,56 1.502,53
4 2683 2667,46 -15,54 1.474,86 1.483,71
5 2683 2646,12 -36,88 1.456,31 1.465,05
6 2683 2624,95 -58,05 1.437,90 1.446,53
7 2683 2603,95 -79,05 1.419,65 1.428,17
8 2683 2583,12 -99,88 1.401,54 1.409,95
9 2683 2562,46 -120,54 1.383,57 1.391,87
10 2683 2541,96 -141,04 1.365,75 1.373,94
11 2683 2521,62 -161,38 1.348,07 1.356,16
12 2683 2501,45 -181,55 1.330,53 1.338,51
13 2683 2481,44 -201,56 1.313,13 1.321,01
14 2683 2461,59 -221,41 1.295,87 1.303,65
15 2683 2441,89 -241,11 1.278,75 1.286,42
16 2683 2422,36 -260,64 1.261,77 1.269,34
17 2683 2402,98 -280,02 1.244,92 1.252,39
18 2683 2383,76 -299,24 1.228,21 1.235,58
19 2683 2364,69 -318,31 1.211,63 1.218,90
20 2683 2345,77 -337,23 1.195,18 1.202,35
VPL 805,93
TIR 7%

Fonte: Autor.

Como é possível identificar na tabela 7, esse número de painéis gera energia suficiente para suprir todo o consumo até 3 anos de uso, sendo que sua vida útil é de 20 anos. Em seguida, temos o seguinte fluxo de caixa para 7 painéis.

Gráfico 1 – Fluxo de caixa para 7 painéis

Fonte: Autor.

Desta forma, vimos que 7 painéis é insuficiente para garantir que o consumo seja totalmente suprido ao longo dos anos, sendo assim, verificamos se valerá a pena colocar um painel a mais. Como os cálculos apresentados anteriormente mostraram que o valor aproximado do ótimo é entre 8 e 9,  veremos a seguir a tabela e o fluxo de caixa referentes a 8 painéis.

Tabela 8 – Análise de investimento para 8 painéis

Análise de investimento para 8 painéis
Tempo (Anos) Consumo(kWh) Geração (kWh) Diferença (kWh) Fluxo de caixa sem Manutenção (R$) Fluxo de caixa com a manutenção (R$)
0 -16.245,92 -16.245,92
1 2683 3122,88 439,88 1.870,802 1.882,03
2 2683 3097,89696 414,90 1.849,081 1.860,18
3 2683 3073,113784 390,11 1.827,535 1.838,50
4 2683 3048,528874 365,53 1.806,161 1.817,00
5 2683 3024,140643 341,14 1.784,958 1.795,67
6 2683 2999,947518 316,95 1.763,924 1.774,51
7 2683 2975,947938 292,95 1.743,059 1.753,52
8 2683 2952,140354 269,14 1.722,361 1.732,69
9 2683 2928,523231 245,52 1.701,828 1.712,04
10 2683 2905,095046 222,10 1.681,459 1.691,55
11 2683 2881,854285 198,85 1.661,254 1.671,22
12 2683 2858,799451 175,80 1.641,210 1.651,06
13 2683 2835,929055 152,93 1.621,327 1.631,05
14 2683 2813,241623 130,24 1.601,602 1.611,21
15 2683 2790,73569 107,74 1.582,035 1.591,53
16 2683 2768,409804 85,41 1.562,625 1.572,00
17 2683 2746,262526 63,26 1.543,370 1.552,63
18 2683 2724,292426 41,29 1.524,270 1.533,42
19 2683 2702,498086 19,50 1.505,322 1.514,35
20 2683 2680,878102 -2,12 1.446,522 1.455,20
VPL 3.054,81
TIR 9%

Fonte: Autor.

Gráfico 2 – Fluxo de caixa para 8 painéis

Fonte: Autor.

Com 8 painéis podemos notar que no último ano de uso ele para de suprir o consumo, mesmo que mínimo. Dessa forma calculamos com 9 painéis para fazermos uma projeção da vida útil e da geração dos três cenários de investimento. A seguir temos a tabela de investimento 9 e seu respectivo fluxo de caixa.

Tabela 9 – Análise de investimento para 9 painéis

Análise de investimento para 9 painéis
Tempo (Anos) Consumo (kWh) Geração (kWh) Diferença (kWh) Fluxo de caixa sem Manutenção (R$) Fluxo de caixa com a Manutenção (R$)
0 -17.146,66 -17.146,66
1 2683 3513,24 830,24 2.210,18 2.196,92
2 2683 3485,13408 802,13 2.185,75 2.172,63
3 2683 3457,253007 774,25 2.161,51 2.148,54
4 2683 3429,594983 746,59 2.137,46 2.124,63
5 2683 3402,158223 719,16 2.113,61 2.100,92
6 2683 3374,940958 691,94 2.089,94 2.077,40
7 2683 3347,94143 664,94 2.066,47 2.054,07
8 2683 3321,157899 638,16 2.043,18 2.030,93
9 2683 3294,588635 611,59 2.020,09 2.007,96
10 2683 3268,231926 585,23 1.997,17 1.985,19
11 2683 3242,086071 559,09 1.974,44 1.962,59
12 2683 3216,149382 533,15 1.951,89 1.940,18
13 2683 3190,420187 507,42 1.929,52 1.917,94
14 2683 3164,896826 481,90 1.907,33 1.895,89
15 2683 3139,577651 456,58 1.885,32 1.874,01
16 2683 3114,46103 431,46 1.863,48 1.852,30
17 2683 3089,545342 406,55 1.841,82 1.830,77
18 2683 3064,828979 381,83 1.820,33 1.809,41
19 2683 3040,310347 357,31 1.799,02 1.788,22
20 2683 3015,987864 332,99 1.777,87 1.767,20
VPL R$ 5.385,13
TIR 10%

Fonte: Autor.

Gráfico 3 – Fluxo de caixa para 9 painéis

Fonte: Autor.

O investimento que possui maiores valores de TIR e VPL foi para 9 painéis e, naturalmente, numa simulação escolheríamos este último cenário como o melhor, visto que durante toda sua vida útil a residência seria suprida e não precisaria adquirir energia da concessionária neste período. Porém, num dado caso real, a diferença está no que consumidor pode achar ou não viável pagar pouco mais de mil reais a mais no total do investimento; para uma situação dessas, fizemos, como já comentado, um gráfico demonstrando o comportamento da vida útil em relação ao consumo para analisarmos qual curva está acima ou abaixo do esperado.

Gráfico 4 – Análise da Geração dos painéis

Fonte: Autor.

O gráfico 4 nos apresenta a relação de energia consumida e energia gerada pelas células fotovoltaicas representadas pelo eixo vertical, em kWh, durante a vida útil do equipamento, em anos. Vemos que a geração de energia vai sofrendo um decréscimo com o passar dos anos por consequência da durabilidade dos painéis. Podemos observar que, com 9 painéis, a curva vai se aproximando lentamente do consumo da residência.

Os gráficos 1, 2 e 3 mostram o comportamento do fluxo de caixa, relação de entrada e saída de dinheiro em reais, eixo vertical, dos projetos de 7, 8 e 9 painéis respectivamente, e o tempo decorrido em anos, eixo horizontal para obtermos os dados de investimento. Nos três casos apresentados iniciamos o primeiro ano com o fluxo de caixa negativo, pois representa o investimento realizado na instalação dos equipamentos, e ao longo dos anos esse investimento vai sendo recuperado.

5. ANÁLISE DOS RESULTADOS

Podemos perceber que quanto maior o número de painéis maior será sua capacidade de geração de energia, sendo o projeto de 9 painéis aquele que atende por completo a demanda média do consumo anual. Além disso, percebe-se que a geração de energia em todos os três casos apresenta um decréscimo ao longo dos anos, devida a vida útil dos equipamentos.

Após a análise dos gráficos de fluxo de caixa dos três casos percebemos que os projetos de painéis com 7, 8 e 9 apresentam custo baixo, intermediário e alto respectivamente em seu investimento inicial. Verificando o retorno financeiro, vemos que o fluxo de caixa, ao decorrer dos anos, apresentam valores distintos nos três projetos, sendo que o de 9 painéis mostra um retorno maior por ano, além dele conseguir suprir o consumo durante todos os anos de sua vida útil.

6. CONCLUSÃO

Contudo, podemos concluir que o estudo é eficaz, nos trazendo uma visão dos valores que podem ser alcançados com a implantação do conjunto de geração fotovoltaica residencial, pois foi feito um orçamento bruto para a mesma residência nos três projetos.

Podemos perceber que o investimento em um sistema considerando a Tarifa Branca possui um retorno mais rápido do que o sistema de Tarifa Convencional.

Vemos que a quantidade de painéis no sistema influencia consideravelmente na geração de energia, além de influenciar no custo do investimento, como o esperado. Percebemos, também, que a forma de pagamento (à vista ou a prazo), a vida útil dos equipamentos, a garantia e as gerações estimadas por dia fazem toda a diferença se orçadas de forma correta com intuito de melhorar o valor final do investimento sem perder a qualidade.

Após todo o estudo, verificamos que o mais viável seria a opção com 9 painéis, pois além de sua VPL ser a melhor dentre os outros, esse número de painel forneceu um melhor investimento inicial não muito distante dos demais e ainda a garantia de que durante toda sua vida útil, nos 20 anos correntes, ele irá suprir todo o consumo estimado para a residência.

REFERÊNCIAS

ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica. Resolução Normativa 482, de 17 de abril de 2012. Brasília: Diário Oficial da União, 2012.

BRASIL. Lei 9.478, de 6 de agosto de 1997. Brasília: Diário Oficial da União, 1997.

CRESESB. Centro de Referência Para Energia Solar e Eólica Sérgio Brito. Potencial Solar – SunData v 3.0. Disponível em: <http://www.cresesb.cepel.br/index.php?section=sundata&>. Acesso em: 01 jun. 2016.

EPE – Empresa Brasileira de Energia. Balanço Energético Nacional 2016: ano base 2015. Rio de Janeiro, 2016.

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MINISTÉRIO DE MINAS E ENERGIA. Plano Nacional de Eficiência Energética: Premissas e Diretrizes Básicas. Brasília, 2011.

[1] Especialização em Engenharia Elétrica com ênfase em Sistema de Automação pela Universidade Cândido Mendes; Especialização em Engenharia Elétrica com ênfase em Instalações Elétricas Residenciais pela Faculdade UniBF e Graduação em Engenharia Elétrica – Habilitação em Sistemas de Potência pela Universidade Federal de Juiz de Fora.  

Enviado: Janeiro, 2021.

Aprovado: Março, 2021.

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Cristiellen Sousa Pilato Xavier

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