ARTIGO ORIGINAL
MARQUES, Isabela Catarina De Aguiar [1], DELVIZIO, Erick Da Silva [2]
MARQUES, Isabela Catarina De Aguiar. DELVIZIO, Erick Da Silva. Estudo de viabilidade técnica de microgeração residencial fotovoltaica. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. Ano 05, Ed. 05, Vol. 03, pp. 166-203. Maio de 2020. ISSN: 2448-0959, Link de acesso: https://www.nucleodoconhecimento.com.br/engenharia-eletrica/microgeracao-residencial
RESUMO
Este trabalho tem entre seus objetivos analisar a viabilidade econômico-financeira da adoção de energia solar fotovoltaica como solução para reduzir gastos e diversificar a matriz energética do consumidor doméstico. Para isso, foi realizada uma pesquisa exploratória através de estudo da viabilidade da instalação de um sistema de microgeração conectado à rede elétrica em uma residência, onde foram verificadas as condições estabelecidas para microgeração e equipamentos necessários para geração de energia solar em uma residência localizada no bairro de Olaria, Rio de Janeiro. O custo da instalação desse sistema, no Brasil, ainda é caro. Para tornar-se uma fonte de energia competitiva é necessário que haja uma redução no valor dos painéis solares, viabilizando condições para a microgeração fotovoltaica.
Palavras-Chave: Microgeração, painéis solares, sistema fotovoltaico.
1. INTRODUÇÃO
A capacidade humana para o manuseio de fontes energéticas possibilitou a sobrevivência e o desenvolvimento da sociedade até os níveis atuais. Da pré-história, com o controle do fogo, e seu uso como fonte de calor para aquecimento e proteção contra predadores; com o uso de carvão e do petróleo como fontes de energia para a utilização de máquinas durante a Revolução Industrial, até os dias atuais, começou a haver a utilização em largada energia elétrica pela humanidade.
Porém, com o expressivo crescimento populacional e o proporcional crescimento no consumo de energia, que é na sua predominância gerada por fontes não renováveis, principalmente pelas termelétricas prevalecentes na maioria dos países desenvolvidos, houve, também, um aumento considerável dos impactos prejudiciais causados ao meio ambiente: a poluição atmosférica dada pela emissão de gases e partículas na queima de combustíveis fósseis – principais responsáveis pelo efeito estufa; as alterações na paisagem e retirada de família ribeirinha nas grandes áreas alagadas durante a implantação de usinas hidroelétricas; o desmatamento e a realização de monoculturas na produção de biomassa; e problemas relacionados aos rejeitos que trazem efeitos desagradáveis, tanto para o ambiente como para o ser humano, causados pelas usinas termonucleares, chegando ao ponto de trazer consigo grande preocupação para todo o mundo.
Jardim (2007) afirma que as energias renováveis são um dos mais importantes assuntos para as discussões sobre o futuro da humanidade Assim, essa preocupação ambiental gerou, na maioria dos países, uma necessidade crescente por opções para uma geração de energia de fontes que permitam a utilização de recursos naturais que não gerem resíduos e nem se tornem escassos. Exemplos desse tipo são: o biodiesel, a biomassa e o etanol; a energia eólica; a hidroeletricidade; e a energia solar.
Comparando com outras fontes renováveis, a energia solar se destaca por ser autossuficiente, limpa, além de ser uma fonte inesgotável, renovável, porque oferece grande confiabilidade e por reduzir custos de consumo no longo prazo (DUTRA et al., 2013).
O sol é uma fonte de energia inesgotável, considerando a escala terrestre de tempo, tanto como fonte de luz e de calor, sendo assim uma das mais interessantes alternativas energéticas que hoje conhecemos. Lembrando-se de que, quando falamos de energia, todas as outras fontes são derivadas do sol. O petróleo, o carvão e gás natural foram gerados a partir dos resíduos de plantas e animais que obtiveram seu desenvolvimento a partir da radiação solar. Essa radiação induz a circulação atmosférica em larga escala, causando ventos. Com a ajuda do calor do sol, dá-se a evaporação e, assim, o ciclo das águas, sendo possível represar e gerar energia elétrica pelas usinas hidrelétricas (CRESESB/CEPEL, 2014).
Utilizando-se de painéis solares em telhados ou quintais, o cidadão comum é capaz de produzir energia elétrica ao captar a luz solar na sua residência. Assim, a energia solar torna-se uma opção ainda mais valiosa para os brasileiros graças à regulamentação da ANEEL, a qual permite que haja a permuta de créditos em kWh pela energia produzida pelos painéis, descontando no montante da fatura. Em relação à energia solar, em 2012, visando viabilizar a geração de energia solar pelo consumidor, a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) criou a resolução normativa n° 482, de 17/07/2012, cujo objetivo foi criar as normas e condições para a microgeração e minigeração de energia elétrica e o funcionamento da sua compensação (ANEEL, 2012).
Este estudo foi motivado pela crescente visibilidade e interesse que as energias renováveis despertaram em pesquisadores, empresas, governos e países, incluindo o Brasil, nas últimas décadas. Sendo assim, o presente estudo tem por objetivo introduzir de maneira simplificada conceitos básicos sobre energias renováveis, em especial a energia solar fotovoltaica, para por fim analisar a viabilidade econômico-financeira da aplicação desse recurso em uma residência, visando diversificação energética e redução de custos.
2. ASPECTOS TÉCNICOS
2.1 ORIGEM E CONVERSÃO FOTOVOLTAICA
2.1.1 RADIAÇÃO SOLAR
O sol é a principal fonte de energia do sistema solar. Ele gera energia por meio de fusão nuclear, na qual o hidrogênio converte-se em hélio e libera energia nesse processo. Na superfície terrestre, essa energia é recebida pela forma de luz e calor e pode ser aproveitada de diversas maneiras, como no processo de fotossíntese, já que as plantas a utilizam na transformação de dióxido de carbono em carboidratos, o que possibilita a constituição de biomassa (CRESESB, 2006).
A energia solar, que incide na superfície terrestre, chega a até 1,5×1018 kWh/ano, sendo esse valor, aproximadamente, 1% da totalidade de energia consumida no planeta durante um ano. Esse fato mostra a dimensão da importância do sol como fonte energética e térmica (CRESESB, 2006).
Em seu movimento de translação, a Terra descreve uma trajetória elíptica inclinada em 23,5º, em relação à linha do Equador. Essa variação causa mudanças na posição do sol no mesmo horário ao longo do ano, e por consequência origina as estações (CRESESB, 2006).
Ao meio dia solar, em relação ao plano do Equador (Norte positivo), a posição angular do sol é chamada inclinação Solar (δ). Ângulo que varia de acordo com o dia do ano no seguinte limite: -23,45° ≤ δ ≤ 23,45° (CRESESB, 2006).
Além da variação angular, a distância entre a Terra e sol também oscila , entre 147×106km (periélio) e 152×106km (afélio). Fato que influi numa variação da radiação E, que fica entre 1.325 W/m2 e 1.412 W/m2. O valor médio dessa oscilação, denominado constante solar, é E° = 1.367 W/m2 (GREENPRO, 2004).
Através da reflexão, absorção (ozônio, vapor de água, oxigênio, dióxido de carbono) e dispersão (fragmentos de pó, agentes de poluição), a atmosfera reduz a irradiação solar a uma pequena parte. O montante de 1.000 W/m2 equivale ao máximo valor que chega à Terra, quando as condições climáticas são boas (GREENPRO, 2004).
Ao adicionar a quantidade total da radiação solar que incide na superfície terrestre anualmente, a irradiação média global anual é obtida e medida em kWh/m2 (GREENPRO, 2004).
No Brasil, a radiação média anual varia entre 1.200 kWh/m2 e 2.400 kWh/m2, valores que são significativamente superiores à maioria dos países europeus, que giram em torno de 900 kWh/m2 e 1.250 kWh/m2 (INPE, 2006).
A região norte do estado da Bahia concentra o valor máximo (6,5kWh/m2) de irradiação, e tal fato se explica por se tratar de uma região semiárida e com baixo nível pluviométrico. O oposto acontece em Santa Catarina, onde o menor valor de irradiação solar é (4,25kWh/m2) – local de elevada precipitação anual. Os valores observados para o território brasileiro são superiores à média observada em países europeus – Alemanha (900-1250 kWh/m2), França (900-1650 kWh/m2) e Espanha (1200-1850 kWh/m2) – locais onde o incentivo à energia solar é amplamente realizado (INPE, 2006).
O relatório sobre fontes renováveis de energia e mitigação de mudança climática, desenvolvido pelo IPCC (Intergovernment Panel on Climate Change), dividiu a energia solar direta em cinco principais grupos:
a) Solar passiva – a partir dela, observa-se a arquitetura bioclimática, que é a adoção de soluções arquitetônicas e urbanísticas adaptadas às condições climáticas e de consumo de cada lugar, utilizando a energia que pode ser diretamente obtida no ambiente além do uso de materiais com pouco consumo energético (CRESESB/CEPEL, 2014);
b) Solar ativa – nessa energia, encontram-se o aquecimento e a refrigeração solar, utilizada da capacidade de um corpo de absorver a radiação solar sob a forma de calor. No primeiro caso, a radiação solar é absorvida e transformada em calor, sendo utilizada no aquecimento de fluído que, através de um gerador, transformará a energia cinética em energia elétrica (CRESESB/CEPEL, 2014);
c) Solar fotovoltaica – aqui a energia é obtida por meio da conversão da luz solar em eletricidade, utilizando-se de uma estrutura de material semicondutor que produz uma diferença de potencial nos seus extremos. O efeito fotovoltaico ocorre da geração de energia a partir da exposição de um material semicondutor, a radiação eletromagnética (CRESESB/CEPEL, 2014);
d) Concentradores solares térmicos como fontes de energia elétrica – a função é maximizar a transformação de energia solar em calor, aumentando, em grande escala, a transferência de calor para um fluido. Este, por sua vez pode ser usado de formas variadas como água de processo, ou movimento para turbinas (CRESESB/CEPEL, 2014);
e) Processo inspirado na fotossíntese – acontece através do fornecimento de dióxido de carbono (CO2) para um reator, água e metal ou óxido metálico, exposto à radiação solar, produz hidrogênio, oxigênio e monóxido de carbono. Nesse contexto, o hidrogênio seria o combustível a alimentar as células por meio da quebra da molécula de água através da luz solar. Ressalta-se que a técnica mencionada ainda não se mostrou eficiente na produção de combustível solar e continua em desenvolvimento (CRESESB/CEPEL, 2014).
Simplificadamente, falaremos da energia térmica e da energia solar fotovoltaica.
2.1.1.1 ENERGIA SOLAR FOTOTÉRMICA PASSIVA
A arquitetura bioclimática estuda as formas de se harmonizar as construções ao clima e as características locais, pensando em quem habitará no ambiente tirando partido de correntes convectivas naturais e de microclimas obtidos por vegetação específica. Trata-se da adoção de soluções arquitetônicas e urbanísticas adaptadas às condições específicas de cada lugar, utilizando as condições locais para obtenção de energia, luz e calor oriundos da radiação solar e da ventilação natural (CRESESB/CEPEL, 2014).
O uso da luz e a administração do calor, provenientes do sol, implicam a redução do consumo de energia elétrica para a iluminação. Condiciona o projeto arquitetônico quanto a sua orientação espacial, quanto às dimensões das janelas e suas propriedades óticas, bem como a altura do teto, e pela escolha dos materiais (isolantes ou não, conforme as condições climáticas) para as paredes, vedações e coberturas, dentre outros fatores. (CRESESB/CEPEL, 2014)
A arquitetura bioclimática não se limita somente a adequar as características arquitetônicas, mas também mostra preocupação com o rendimento dos equipamentos e sistemas necessários ao uso da edificação e com o uso de matérias de conteúdo energético tão baixo quanto possível. (CRESESB/CEPEL, 2014)
2.1.1.2 ENERGIA SOLAR FOTOTÉRMICA ATIVA
Neste caso, baseia-se na quantidade de energia na forma de calor que um determinado corpo é capaz de absorver a partir da radiação solar incidente. Sua utilização implica também saber armazenar a energia captada. São os coletores solares os equipamentos mais difundidos que têm o objetivo de se utilizar da energia solar térmica.
Coletores solares têm a função de aquecer fluidos, gasosos ou líquidos, e se classificam em concentradores e planos, devido à ocorrência ou não de dispositivos de concentração da radiação solar. Esses dispositivos são aplicados para temperaturas maiores que 100° Celsius, podendo alcançar até 400° para o acionamento de turbinas a vapor e, em seguida, gerar eletricidade. Os coletores planos, no entanto, são utilizados para usos domésticos e comerciais, nos quais a temperatura é bem inferior (em torno de 60°), por exemplo: água aquecida para banho, ar quente para a secagem de grãos, aquecimento de piscinas água aquecida para a limpeza de hospitais e hotéis, etc. (CRESESB/CEPEL, 2014).
Um dos benefícios dos sistemas solares é o armazenamento térmico para utilização em horários diversos àqueles onde ocorre radiação solar. O fluido aquecido pode ser mantido em reservatórios termicamente isolados até seu uso final trazendo uma grande flexibilidade no despacho de eletricidade, ao se comparar com os sistemas fotovoltaicos, além de possuir uma maior eficiência no processo de conversão de energia e numa gama de aplicação mais ampla. Podendo ainda ser integrado a outras aplicações que necessitem de energia térmica.
2.1.1.3 ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
A energia elétrica pode ser obtida pela energia solar. Esse processo ocorre por meio da energia fotovoltaica, que é a luz convertida em energia, em nível atômico. Alguns materiais, semicondutores dopados, apresentam uma propriedade conhecida como o efeito fotoelétrico, que faz com que eles absorvam fótons de luz e liberem elétrons. Quando estes elétrons livres são capturados, ocorre a geração de energia (GREENPRO, 2004).
O efeito fotoelétrico foi observado, pela primeira vez, por um físico francês, Edmund Bequerel, em 1839, que investigou a ocorrência de energia elétrica quando alguns materiais eram expostos à luz solar. O fundamento teórico da energia fotovoltaica foi aprofundado por Einstein, em 1905 (CRESESB, 2006). Suas primeiras aplicações ocorreram no final da década de 50 e início da década de 60 com aplicações espaciais em satélites.
Em seguida, essa tecnologia passou a ser inserida no setor de telecomunicações na década de 70. Já a partir de 1980, com a redução de seus custos, ocorre a viabilidade de iniciar a geração de energia elétrica para usuários que não possuíam acesso às redes elétricas convencionais, sendo consolidado, na década de 90, como uma alternativa sustentável para geração de energia (PERLIN, 1999).
Observa-se que fornecer energia elétrica, utilizando sistemas fotovoltaicos em sistemas isolados, é mais interessante devido aos altos custos incorridos na construção de infraestrutura elétrica até locais distantes e, na maioria das vezes, com baixa densidade de carga.
2.1.1.3.1 EFEITO FOTOVOLTAICO
Os elétrons se mantêm em níveis estacionários de energia de um átomo. Para alcançar outro nível de energia, o elétron deve absorver ou emitir energia, como nos diz o postulado de Bohr. Existem três níveis de energia que determinam o montante de energia necessária para que haja a mudança: a banda de valência, a banda proibida e a banda de condução.
O nível de energia, que configura a forte influência do núcleo sobre o elétron, denomina-se banda de valência. Já a banda proibida refere-se à faixa que o elétron deve ultrapassar para alcançar a banda de condução. Os valores de banda são específicos de cada material. As bandas determinam se um material se apresenta como condutor ou isolante; maior é a facilidade de um elétron interagir com a vizinhança quanto menor for a banda proibida, já que será necessária pouca energia para que a transição eletrônica seja realizada (CRESESB, 2006).
Nos materiais semicondutores, a zero Kelvin, as bandas de valência apresentam-se cheias e as bandas de conduções vazias, semelhantes aos isolantes, porém com a diferença de estarem separadas por uma banda proibida muito menor (cerca de cinco vezes, por exemplo, entre o silício e o diamante). Como a banda proibida dos semicondutores é relativamente baixa, é possível excitar alguns elétrons da banda de valência para a banda de condução por meios térmicos ou luminosos. Sendo assim, pares elétron-lacuna são gerados, permitindo a condução de corrente. Num semicondutor intrínseco, esses pares elétron-lacuna são os únicos portadores de carga, o que mantém o cristal com uma elevada resistividade. Para melhorar a condutividade, são inseridos materiais dopantes, cujo efeito é atuar na estrutura de bandas, diminuindo a banda proibida, além de disponibilizar portadores de carga. Os cristais tipo-p ou tipo-n são produzidos dependendo dos dopantes doadores de elétrons (tipo n) ou receptores (tipo p). Na verdade, o uso dos dopantes representa o controle das propriedades elétricas nos semicondutores (RAMOS, 2007).
O efeito fotovoltaico ocorre quando os elétrons absorvem energia solar suficiente para que eles rompam a sua banda de valência e entrem na banda de condução, podendo, então, interagir eletronicamente com sua vizinhança, gerando um campo elétrico que acelera os elétrons favorecendo o deslocamento de cargas, e produzindo a corrente elétrica (CRESESB, 2006).
O material mais usado na fabricação de células fotovoltaicas é o silício, que deve ser da maior pureza possível. Isso pode ser conseguido através de sucessivas etapas químicas. Até nos dias de hoje, os fabricantes de células solares têm adquirido, majoritariamente, o material purificado através de restos da indústria eletrônica de semicondutores (CRESESB, 2006).
Somando-se elementos com cinco elétrons ao silício, que possui quatro elétrons por átomo, ao se ligarem aos seus vizinhos um dos elétrons ficará “sobrando”. Esse elétron não será trocado e ocorre o enfraquecimento da ligação ao átomo de origem. Isto acarreta pouca energia térmica e, portanto, insuficiência de energia para que esse elétron se livre e vá para a banda de condução. Dessa forma, é dito que o fósforo é um dopante doador de elétrons, sendo denominado “dopante n ou impureza n”.
O boro, por exemplo, é um tipo de átomo que possui três elétrons de ligação, que gera uma falta de elétron ao ser ligado com o silício. Essa ausência é denominada lacuna e significa que um elétron vizinho pode mudar de posição com pouca energia. Assim, o boro é conhecido como aceitador de elétrons ou dopante p (CRESESB, 2006).
Portanto, ao fazer a introdução de átomos de boro em uma célula de silício e fósforo, ocorre a junção pn, que é necessária para a ocorrência do efeito fotovoltaico. Essa junção forma uma zona de depleção: na qual os elétrons livres são atraídos para preencher as lacunas que os capturam. Dessa forma, gera-se o carregamento elétrico até que este seja capaz de barrar os elétrons livres remanescentes no lado n (CRESESB, 2006).
Se essa junção pn for exposta a fótons com energia maior que o gap, ocorrerá a geração de pares elétron-lacuna; se isso ocorrer onde o campo elétrico for diferente de zero, as cargas serão aceleradas, gerando uma corrente ao longo da junção, e consequentemente diferença de potencial, que conhecemos como Efeito Fotovoltaico. Se as duas extremidades do silício forem conectadas por um fio haverá uma circulação de elétrons. Esta é a base do funcionamento das células fotovoltaicas (CRESESB, 2006).
2.2 UTILIZAÇÃO DA ENERGIA SOLAR
2.2.1 UTILIZAÇÃO DA ENERGIA SOLAR NO MUNDO
Após a crise do petróleo nos anos 70, houve um aumento no interesse sobre a energia solar. Nos Estados Unidos, empresas do ramo petrolífero utilizaram o modelo de geração de energia fotovoltaica em sua área de atuação. Contudo para tornar-se economicamente viável, o custo das células solares deveria ser reduzido em até 100 vezes em relação àquelas que eram usadas em operações espaciais (CRESESB/CEPEL, 2014).
Anos depois, a produção de energia fotovoltaica ultrapassava 1 MWp/ano, sendo os EUA os maiores produtores. Ao final dos anos 90, políticas dos governos da Alemanha e do Japão aumentaram significativamente seus esforços no desenvolvimento e na aplicação da tecnologia de energia solar, medidas políticas que foram motivadas pelo compromisso dos países em reduzir os efeitos da poluição atmosférica (relatório de Kyoto) (CRESESB/CEPEL, 2014).
No fim dos anos 90, a produção mundial de células fotovoltaicas ultrapassava a marca de 150 MWp/ano. Sendo a produção chinesa, que apresentou um rápido aumento, responsável pela grande mudança do mercado fotovoltaico (CRESESB/CEPEL, 2014).
Ainda que abundante, a energia solar é pouco aproveitada. Fato que, aos poucos, vem mudando, a partir de fortes incentivos que países desenvolvidos têm concedido para instalação de sistemas fotovoltaicos (CRESESB/CEPEL, 2014).
No ano de 2012, foram geradas equivalentes a 36,2 GWp de energia fotovoltaica no mundo. O que corresponde a duas vezes e meia a potência da Usina de Itaipu. O crescimento anual médio da fabricação de células e módulos fotovoltaicos foi de 54,2% nos últimos dez anos (CRESESB/CEPEL, 2014).
Na Europa, encontram-se instalados 74% da produção mundial de módulos fotovoltaicos, sendo a Alemanha o maior mercado. Os sistemas fotovoltaicos representaram a produção de 2% da energia elétrica consumida pelos europeus em 2011, sendo 5% do montante produzido apenas pela Itália. Depois da Europa, os maiores produtores deste sistema estão nos Estados Unidos e no Japão (CRESESB/CEPEL, 2014).
Na Ásia, estão surgindo mercados com crescimento expressivo, sendo estes principalmente na China e Índia. Esse crescimento ocorre porque, nesses países, existem políticas de incentivo favoráveis, preços baixos e programas de geração elétrica em zonas rurais. A China visa mais a produção e exportação de módulos e células fotovoltaicas, tendo fabricado 23GWp em módulos fotovoltaicos e, assim, obtendo a marca de 64% da produção mundial no ano de 2012. Nesse mesmo ano, a Europa produziu 11% dos módulos fotovoltaicos, e os Estados Unidos produziu 3%. Para a redução de custos na produção, as empresas americanas e europeias se deslocaram para Ásia, devido à existência de uma cadeia de produção estabelecida, mão de obra barata e qualificados, e incentivos por meio de fontes de auxílio financeiro para a abertura de fábricas (CRESESB/CEPEL, 2014).
A expansão dos sistemas fotovoltaicos, em larga escala, continua sendo um desafio, porém a tecnologia vem se tornando cada vez mais competitiva, por conta dos esforços para baratear os custos e de seus baixos impactos ambientais além dos custos crescentes das demais fontes energéticas.
Figura 1 – Produção Mundial De Células Fotovoltaicas
2.2.2 UTILIZAÇÃO DA ENERGIA SOLAR NO BRASIL
Por possuir condições bastante favoráveis para a utilização da energia solar, o Brasil é o décimo colocado entre os maiores produtores mundiais deste tipo de energia. A alta incidência de sol e a detenção das matérias primas utilizadas na fabricação de equipamentos como cobre, silício, alumínio, aço inoxidável, vidro e termoplásticos faz com que nosso país tenha potencial para se consolidar como uma das principais lideranças no setor de energia solar (CRESESB/CEPEL, 2014).
Esses fatos fazem com que o Brasil seja um mercado muito atrativo para o investimento solar, existindo um grande espaço para o crescimento da energia solar fotovoltaica, aproveitada, não somente ao buscar atender às comunidades não contempladas com as redes de energia elétrica e o desenvolvimento regional, mas como uma opção viável e promissora para complementar e ampliar a geração de eletricidade, visto que a busca de outras fontes de energia é de grande necessidade, muito por conta de a energia fotovoltaica ser uma alternativa de geração de eletricidade com baixo impacto ambiental (CRESESB/CEPEL, 2014).
2.2.2.1 MATRIZ ENERGÉTICA BRASILEIRA
A energia hidráulica é responsável pela produção de 74% da matriz elétrica brasileira. Contudo as usinas hidroelétricas produzem um impacto ambiental parcialmente desconhecido. Estudos têm demonstrado que gases poluentes, principalmente o metano (CH4), são emitidos para atmosfera em consequência dos processos de degradação anaeróbica da matéria orgânica que ocorre nas grandes áreas cultiváveis que precisam ser alagadas. Além disso, as maiores bacias hidrográficas do Brasil, aquelas com capacidade para a geração hidroelétrica, já possuem sua capacidade esgotada nos principais centros consumidores do país. (ATLAS BRASILEIRO DE ENERGIA SOLAR, 2016).
A energia nuclear, que também é considerada uma fonte de energia limpa visto que não produz gases de efeito estufa, também é uma alternativa para cobrir o déficit de energia elétrica. Contando com a sexta maior reserva de urânio do mundo com apenas 25% do território mapeado, o governo brasileiro retomou o projeto de construção da usina nuclear de Angra III, com capacidade de 1.300 MW (ATLAS BRASILEIRO DE ENERGIA SOLAR, 2016).
A energia eólica, no que se diz respeito às fontes de energia elétrica renováveis, é a fonte que vem recebendo um volume maior de investimentos, por conta do Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica (PROINFA) coordenada pelo Ministério de Minas e Energia. O grande potencial eólico nacional, a capacitação tecnologia da indústria nacional e o custo cada vez menor da eletricidade proveniente da energia eólica, quando relacionados, mostram que a geração de energia eólica poderá ter um significante papel no Brasil, atuando principalmente como fonte descentralizada e complementar de energia conectada a rede elétrica. Porém, grande parte do território brasileiro, incluindo praticamente toda a região amazônica e central do Brasil, não apresenta condição de vento necessária para geração de eletricidade através da energia eólica (ATLAS BRASILEIRO DE ENERGIA SOLAR, 2016).
Do total da matriz energética brasileira, cerca de 0,0008% é gerada a partir de sistemas fotovoltaicos, segundo dados de 2015. Isso é um valor que não corresponde à capacidade de produção de energia solar no Brasil, mas é um país com maior taxa de irradiação solar no mundo, e em regiões como o nordeste, a incidência média diária varia entre 4,5 a 6 kWh.
Por outro lado, o Brasil possui um imenso potencial para o aproveitamento de energia solar durante todo ano. Sua utilização viabiliza o desenvolvimento de regiões mais remotas, onde o custo da eletrificação pela rede convencional é alto demais em comparação ao valor investido na infraestrutura. São diversas as alternativas para se aproveitar esse potencial de geração de energia solar: desde a implantação de pequenos sistemas fotovoltaicos até grandes centrais de energia (ATLAS BRASILEIRO DE ENERGIA SOLAR, 2016).
O aproveitamento do potencial da energia solar depende do desenvolvimento de uma tecnologia de armazenamento e conversão que seja competitiva em relação a outras fontes de energia e da política energética do país. Para ocorrer uma mudança em relação às fontes renováveis, é necessário o levantamento do potencial da energia solar no Brasil (ATLAS BRASILEIRO DE ENERGIA SOLAR, 2016).
2.2.2.2 HISTÓRICO DA ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA NO BRASIL
Na década 50, iniciou-se, no Instituto Nacional de Tecnologia (INT) e no Centro Tecnológico de Aeronáutica (CTA), o desenvolvimento dos módulos fotovoltaicos. E em 1958, foi realizada a primeira conferência Brasileira de Energia Solar (CRESESB/CEPEL, 2014).
Incentivado pela crise mundial do petróleo, já nos anos 70, o crescimento tecnológico no Brasil, na área de energia solar fotovoltaica, era semelhante ao que ocorria nos países de vanguarda no mundo. No ano de 1978, foi criada a Associação Brasileira de Energia Solar, com escritórios em diversos estados do país. Porém suas atividades foram temporariamente interrompidas uma década depois (CRESESB/CEPEL, 2014).
Duas empresas destinadas à produção de células fotovoltaicas de silício foram abertas no início da década de 80, porém, devido à falta de incentivo, as fabricas reduziram sua produção significativamente e os grupos de pesquisas direcionaram os seus trabalhos para outras áreas. Entre os anos 80 e 90, ocorreu o desenvolvimento de várias tecnologias relacionadas à purificação do silício para a fabricação e uso das células fotovoltaicas, em universidades e centros públicos de pesquisa, assim como em empresas privadas. A ascensão das atividades profissionais e de pesquisa no território brasileiro foi iniciada uma discussão entre os pesquisadores que atuavam na área para reorganização da Associação Brasileira de Energia Solar (ABENS) (CRESESB/CEPEL, 2014).
Nos anos 90, em 1994, o Programa de Desenvolvimento Energético de Estados e Municípios (PRODEEM) foi criado pelo Ministério de Minas e Energia com a finalidade de promover a eletrificação em áreas rurais. Essa ação envolveu universidades, centros de pesquisa, secretarias estaduais de pesquisa e concessionárias federais e estaduais, e foram implementados vários sistemas fotovoltaicos individuais e sistemas híbridos para o fornecimento de energia em ilhas e locais remotos da rede elétrica em todo o território brasileiro. Contudo, a propagação da tecnologia fotovoltaica, no Brasil, estava defasada em relação ao que ocorria no Japão, Alemanha e demais países europeus que destinavam significativos investimentos no desenvolvimento tecnológico e, também, no uso da energia solar fotovoltaica em residências. Com o avanço industrial na fabricação de células fotovoltaicas, principalmente na China, e o aumento do número de instalações de sistemas fotovoltaicos conectados à rede elétrica, o Brasil não foi capaz de seguir a tendência que estava ocorrendo no mundo. No final dos anos 90, era realizado, em vários centros de pesquisa, o desenvolvimento de células fotovoltaicas de silício com eficiência na ordem de 6% e 7% (CRESESB/CEPEL, 2014).
A Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) iniciou, em 2002, pesquisas para o estabelecimento de regulamentação das especificações técnicas necessárias para a instalação de Sistemas Individuais de Geração de Energia Elétrica com Fontes Intermitentes, com o objetivo de fornecimento de energia elétrica aos usuários que não tinham acesso à rede de distribuição de energia elétrica. Quase uma década depois, a ANEEL convocou 18 projetos de sistemas fotovoltaicos conectados à rede, com potências instaladas na faixa de 0,5MWp e 3MWp, resultando na potência total de 24MWp, pelo custo aproximado de R$ 400 milhões. A maior parte desses projetos foi realizada por concessionárias de energia elétricas públicas e privada, localizada em diversas regiões do Brasil (CRESESB/CEPEL, 2014).
Nos dias atuais, laboratórios e equipes de especialistas em universidades públicas e privada, empresas e centro de pesquisa, atuam no desenvolvimento de tecnologias de purificação de silício, componentes do sistema fotovoltaico, controladores de carga, assim como no estudo de aplicações da tecnologia fotovoltaica. Células fotovoltaicas de silício foram utilizadas no primeiro satélite brasileiro, e atualmente, no Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), estão sendo testadas células de tripla junção, para aplicações espaciais. Entretanto, o Brasil ainda não alcançou o nível tecnológico dos países desenvolvidos nessa área (CRESESB/CEPEL, 2014).
Em 2011, inaugurou-se a primeira empresa de energia solar em escala comercial no país, aberta na cidade de Tauá, estado do Ceará. A usina é capaz de gerar até 1 megawatt no pico de produção. A maior usina solar do país, construída pela Tractebel Energia, é composta por 19.424 painéis solares e está localizada em uma área de 10 hectares às margens da BR-101, no município de Tubarão, estado de Santa Catarina, e gera energia 3 MW, suficiente para abastecer cerca de 2.500 residências. O projeto faz parte de um investimento de pesquisa e desenvolvimento da ANEEL em parceria com a Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) (CRESESB/CEPEL, 2014).
A partir de 1° Março de 2016, entrou em vigor a resolução normativa 687/15 oferecendo mais incentivos para o mercado da geração distribuída como:
a) Estabelecimento das modalidades de autoconsumo remoto e geração compartilhada, abrindo as portas para a geração em terrenos afastados do local de consumo (mas ainda na área da mesma distribuidora) e para vizinhos que quisessem participar do sistema de compensação de energia;
b) Possibilidade de compensação de créditos de energia entre matrizes e filiais de grupos empresariais;
c) Sistemas de geração distribuída condominiais (pessoas físicas e jurídicas).
O potencial máximo permitido na geração distribuída para a fonte solar é 5 MW. Os créditos de energia elétrica podem ser utilizados dentro do prazo de 60 meses (CRESESB/CEPEL, 2014).
2.2.3 UTILIZAÇÃO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS NO BRASIL
Inicialmente, a produção de energia solar se concentrava em locais isolados e de difícil acesso, onde não ocorria o fornecimento de energia elétrica convencional, sendo muito importantes na eletrificação de propriedades rurais, comunidades isoladas, bombeamento de água e sistemas de comunicação. No entanto, apesar da importância desses sistemas fotovoltaicos autônomos, espera-se que uso da energia solar fotovoltaica se concentre nos sistemas ligados à rede elétrica.
É significativo o potencial de geração de energia fotovoltaica quando se consideram os sistemas de micro e minigeração de eletricidade em residências/comércios para a distribuição de baixa tensão. A ANEEL define as condições necessárias para essa ligação, sendo microgeração aquela com potência instalada menor ou igual a 75 quilowatts (kW); e minigeração, aquela com potência instalada superior a 75 kW e menor ou igual a 5 megawatt (MW), além de criar o Sistema de Compensação de Energia (ANEEL, 2012).
Sistema de Compensação de Energia dá a permissão para que formas renováveis de geração de energia com até 1 MWp instaladas em residências, empresas e sistemas fotovoltaicos sejam conectados à rede elétrica, atendendo o consumo local quando estiver gerando eletricidade e inserindo o excedente na rede, gerando, assim, créditos de energia. Ao final do mês, é verificada a quantidade de energia consumida e inserida. Se o consumo for inferior à geração de energia, computam-se os créditos de energia, que possuem o mesmo valor da eletricidade da rede e podem ser utilizados para abater o consumo, diminuindo, então, o valor da conta de energia nos meses seguintes e com 60 meses de validade, possibilitando ao usuário praticamente zerar sua conta de luz, sendo pago apenas o custo de disponibilização da rede. Esses créditos também podem ser utilizados para compensar o consumo de outras unidades previamente cadastradas para este fim e atendidas pelas mesmas distribuidoras. Quando o consumo for maior que a geração, a energia utilizada será a da rede elétrica (ANEEL, 2012).
2.3 TECNOLOGIA EMPREGADA NA CONVERSÃO
Na sua maioria, as células fotovoltaicas são constituídas de uma junção de p-n. Como citado anteriormente, essa junção produz o efeito fotovoltaico que transformará a radiação solar em energia elétrica na forma de corrente continua. Para a captação dessa eletricidade, são inseridos contatos metálicos nas extremidades dessa junção (JANUZZI et al, 2009).
Os experimentos iniciais que deram origem às primeiras células fotovoltaicas, em 1954, pelos pesquisadores Chapin, Fuller e Pearson, nos laboratórios da Companhia Bell Telephone, por meio de difusão térmica de dopantes, chegavam à eficiência de apenas 5,6%. Em 1959, impulsionados pela necessidade de fontes de alimentação para seus instrumentos de comunicação e navegação dos satélites durante os programas espaciais as células fotovoltaicas obtiveram um grande avanço em seu desenvolvimento. Embasadas por esse desenvolvimento, na década de 90, as células já chegavam a alcançar 23% a 24% de eficiência na conversão de energia (JANUZZI et al, 2009).
Diversos materiais podem ser adotados para fabricar as células solares, porém o silício é o material mais utilizado e comercializado atualmente por sua enorme abundância no planeta. Além de silício nas formas de monocristalino, policristalino e amorfo, as células fotovoltaicas também podem ser fabricadas com materiais como o disseleneto de cobre-índio (CIS) e telureto de cádmio (CdTe) (JANUZZI et al, 2009).
A seguir tem-se a Tabela 1 que compara alguns dos diversos tipos de células que vêm sendo alvo de pesquisas.
| Tabela 1 – eficiência e custo de cada tipo de célula fotovoltaica | ||
| Tipo de Célula | Eficiência de Conversão | Custos |
| Silício Monocristalino | 15% | Relativamente Elevados |
| Silício Policristalino | 13% | Elevados |
| Silício Amorfo | 8% a 10% | Bastante baixos |
Fonte: Autor(a).
2.3.1 TIPOS DE CÉLULAS
Além de o silício ser o material mais abundante na terra utilizado na produção de células solares, ele é utilizado por seu baixo índice de contaminação e por possuir uma alta durabilidade, como também por já ser largamente utilizado na indústria de microeletrônica (CRESESB, 2006).
2.3.1.1 SILÍCIO MONOCRISTALINO
É o tipo mais adotado e comercializado como gerador de energia elétrica a partir da energia solar, tendo para sua fabricação um processo básico já muito bem constituído. Começando pela extração do cristal de dióxido de silício, e passando pela desoxidação em grandes fornos, são então purificado e solidificado. Ao final do processo, alcança-se um grau pureza entre 98% e 99% do material. Este silício para ser usado como célula fotovoltaica necessita ainda de outros semicondutores e de um grau de pureza ainda maior, chegando a 99,9999% (CRESESB, 2006).
O processo se dá fundido o silício juntamente com uma porção pequena de dopante, usualmente o boro, que é do tipo p. produzindo assim um grande cilindro de silício monocristalino levemente dopado, cortado em pastilhas finas (300 μm de espessura). Após o corte e limpeza de impureza das fatias, são introduzidas outras impurezas de tipo n para que se obtenha junção. Isso é feito a partir da difusão controlada, onde essas pastilhas são expostas ao vapor de fósforo num forno (CRESESB, 2006).
As fotocélulas obtidas pelo processo descrito têm uma eficiência na conversão de luz solar em eletricidade na ordem de 15% (CRESESB, 2006).
2.3.1.2 SILÍCIO POLICRISTALINO
Denominadas também como silício multicristalino, têm um custo menor que as células feitas de silício monocristalino em função de o processo de preparação ser menos rigoroso – refletindo em uma eficiência inferior (CRESESB, 2006).
Para a produção das células de silício policristalino, são utilizados blocos de silício obtidos por fusão deste material na forma pura em moldes. Uma vez moldados, ocorre a sua solidificação à medida que o insumo esfria. Durante o processo, os átomos se organizam em cristais diversos, dando origem à nomenclatura deste tipo de célula. Essa característica influencia na eficiência deste material, correspondendo à conversão de aproximadamente 13% da luz em energia elétrica (CRESESB, 2006).
O montante de material utilizado para produzir a célula policristalina é semelhante para obter as monocristalinas. O que muda radicalmente é a quantidade de energia necessária para produzi-las, que no primeiro caso é expressivamente menor (CRESESB/CEPEL, 2008).
2.3.1.3 SILÍCIO AMORFO
A célula de silício amorfo difere-se das acima citadas células mono e policristalinas por apresentar um alto grau de desordem na estrutura dos átomos. Por sua absorção da radiação solar e fabricação mediante a deposição de diversos tipos de substratos, sua utilização vem mostrando grandes vantagens nas propriedades elétricas e no processo de fabricação, sendo assim apresenta uma importante tecnologia para sistemas mais baratos (CRESESB, 2006).
Elas são obtidas por meio da deposição de camadas muito finas de silício sobre materiais em vidro ou metal. A eficiência do silício amorfo para converter luz solar em eletricidade é baixa, variando entre 5% e 7% (CRESESB, 2006).
Os principais obstáculos para a utilização dos filmes finos relacionam-se à sua confiabilidade quando comparados com células cristalinas. Segundo CRESESB/CEPEL (2008) no caso do silício amorfo, estes obstáculos estão relacionados, principalmente, com a estabilidade do material, sofrendo um processo de degradação logo nos primeiros meses de operação. Esse efeito, porém, tem sido reduzido adotando-se células de múltiplas camadas.
2.3.2 MÓDULOS FOTOVOLTAICOS
Um gerador de energia fotovoltaica pode ser composto por um ou mais módulos fotovoltaicos capazes de converter energia solar diretamente em energia elétrica, por meio das células solares. Outros equipamentos como o controlador de carga, o sistema de armazenamento de energia (baterias), o inversor, e outros equipamentos de proteção são opcionais, podem variar de acordo com a aplicação do sistema fotovoltaico CRESESB/CEPEL (2004).
Como uma célula fotovoltaica se caracteriza pela baixa tensão e corrente de saída, para obterem-se tensões e correntes de saída adequadas é necessário fazer um agrupamento de várias células formando um módulo fotovoltaico composto por painéis fotovoltaicos. Não agrupar as células em módulos é inviável, devido à pequena quantidade de energia gerada por uma célula individualmente, em torno de apenas 0,4 volts no ponto de máxima potência. Assim, com o arranjo das células, são alcançados níveis de tensão e corrente suficientes para o aproveitamento da eletricidade gerada CRESESB/CEPEL (2004).
A quantidade de células fotovoltaicas acopladas em um mesmo módulo e seu tipo de arranjo — podendo ser paralelo ou em série — depende da tensão e da corrente elétrica desejada CRESESB/CEPEL (2004).
2.3.2.1 ASSOCIAÇÃO EM PARALELO
Essa associação apresenta terminais do mesmo tipo ligados a um ponto em comum. Logo, seus terminais positivos compartilham o mesmo ponto, já os negativos são ligados a outro ponto. A tensão permanece a mesma e a corrente total é a soma das correntes individuais de cada célula. Pelas características típicas das células (baixa tensão e corrente) esse arranjo não é usualmente adotado, excepcionalmente em condições muito especiais CRESESB/CEPEL (2004).
2.3.2.2 ASSOCIAÇÃO EM SÉRIE
Nesse tipo de associação, o terminal positivo de um módulo é conectado à extremidade negativa de outro módulo.
Nesse caso, a corrente permanece a mesma e a tensão total é a somatória das tensões de cada módulo, tipo de associação mais comum, pois alcança tensão final de 12 v, possibilitando a carga de acumuladores (baterias), que também funcionam nessa faixa CRESESB/CEPEL (2004).
2.3.3 TIPOS DE SISTEMA
2.3.3.1 SISTEMAS ISOLADOS
São também conhecidos como autônomos. São independentes do sistema de energia elétrica convencional, podendo ou não armazenar a energia gerada. São integralmente fotovoltaicos, não possuindo fontes de energia complementares à conversão de energia de seus módulos (CRESESB, 2006).
Os sistemas isolados são indicados para o uso em instalações deliberadamente solares, devido a condições climáticas favoráveis ou por ser de relativo custo inferior ou pela vontade expressa de promover a proteção do ambiente através do desenvolvimento sustentável (CRESESB, 2006).
2.3.3.2 SISTEMAS HÍBRIDOS
Combinam outros tipos de fontes de energia que lhe assegurem carga em suas baterias durante períodos de ausência de sol. Energia eólica, geradores movidos a diesel, gás, gasolina e outros combustíveis são exemplos de tais fontes auxiliares de energia. Usualmente são adotados para sistemas de médio a grande porte, atendendo um maior número de usuários. Por trabalhar com cargas de corrente contínua, apresentam um inversor. Por sua grande complexidade de arranjos e multiplicidade de opções, requer um estudo particular em cada caso (CRESESB, 2006).
2.3.3.3 SISTEMAS INTERLIGADOS À REDE
São usados como fonte de energia complementar à rede elétrica ao qual se conectam. Normalmente não utilizam armazenamento de energia, pois a energia gerada é ligada à rede diretamente. Para tornar essa conexão possível, são necessários inversores especiais que satisfaçam severas exigências de segurança e qualidade. Sua potência fotovoltaica é muito variável, podendo atingir centenas de kWp em centrais fotovoltaicas e de dezenas de kWp para a alimentação de demandas domiciliares (CRESESB, 2006).
Geralmente tanto a energia gerada quanto o medidor do consumidor são bidirecionais, para que seja efetuado um balanço entre a energia gerada e a consumida (CRESESB, 2006).
2.3.4 CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS DOS MÓDULOS FOTOVOLTAICOS
Segundo CRESESB/CEPEL (1999) as principais características elétricas dos módulos fotovoltaicos são:
a) Tensão de Circuito Aberto (Voc): tensão entre os terminais de uma célula/módulo ou gerador fotovoltaico, quando a corrente em seus terminais é nula;
b) Corrente de Curto Circuito (Icc): corrente que circula por uma célula/módulo ou gerador fotovoltaico, quando a tensão em seus terminais é nula;
c) Potência Máxima (Pmax): Ponto da curva corrente vs tensão para o qual o produto tensão x corrente é máximo;
d) Tensão de Potência Máxima (Vmp): tensão que produz o ponto da curva corrente vs tensão de máxima potência;
e) Corrente de Potência Máxima (Imp): é a corrente que produz o ponto da curva corrente vs tensão de máxima potência.
2.3.5 FATORES QUE AFETAM AS CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS DOS MÓDULOS
O desempenho de um painel fotovoltaico pode sofrer interferências principalmente da intensidade luminosa e a temperatura das células. A corrente que o módulo gera aumenta proporcionalmente com o aumento da radiação solar. Contudo o aumento no nível de insolação na célula aumenta sua temperatura e faz com que sua eficiência caia (CRESESB/CEPEL, 2004).
Silva e Seraphim (2005) analisaram a eficiência na geração de energia elétrica de um sistema composto por módulos de silício policristalino. O pico de potência alcançava 45 Wp e variava de acordo com a incidência de luminosidade, obtendo uma eficiência máxima de 6.5% de conversão. O baixo valor, de acordo com os autores, pode ser explicado devido à mudança constante de irradiação solar que incide nos módulos, como suas temperaturas de operação.
Outro teste foi realizado por Fiorentino e Seraphim (2005), que determinara a eficiência de um módulo monocristalino aplicado a uma análise campo. Foi obtida uma eficiência energética de 13,32%, sendo que o informado pelo fabricante era de 14%.
Como a temperatura de operação das células demonstrou ser um fator primordial para a eficiência de conversão, Abdolzadeh e Ameri (2009) realizaram a análise da influência que um sistema de pulverização sobre os painéis pode proporcionar com a redução do calor. Foi observado que a utilização do spray de água sobre o sistema proporcionou um aumento da eficiência média em 3.23% e da eficiência total em 1,35%, comprovando que este é um parâmetro importante para a eficácia do sistema fotovoltaico.
Outro trabalho que verificou a influência da temperatura neste tipo de geração elétrica foi desenvolvido por Santos e Michels (2011). Os autores aplicaram um estudo de caso, composto por dois painéis policristalinos que eram utilizados para o bombeamento de água. O sistema foi verificado para a variação de temperatura de 25°C para 40°C, e foi observada uma diminuição da eficiência de geração em 5,55%, e a vazão do bombeamento de água também decresceu 4,23%, em média.
2.3.6 COMPONENTES DE UM SISTEMA FOTOVOLTAICO
Os elementos que compõem um sistema fotovoltaico são definidos, basicamente, pelos painéis e demais equipamentos que convertem e armazenam a energia gerada de modo que seja usada posteriormente em diversas aplicações (PRC-CRESESB, 2004). Um sistema fotovoltaico, em sua forma simples, é composto por:
a) Painéis fotovoltaicos: já descritos anteriormente;
b) SRSC (Sistema de Regulagem, Supervisão e Controle): deve ser entendido como sendo a integração elétrica dos painéis reguladores, baterias e sensores para alarme remoto, chaves e dispositivos para medição. (TELEBRÁS, 1984). Esse sistema serve para monitorar e preservar todos os componentes envolvidos na geração de energia de modo a preservar sua vida útil. São utilizados mecanismos que impedem a sobrecarga das baterias, dispositivos sonoros que avisam na ocorrência de anormalidades, entre outras funções;
c) Baterias (OPCIONAL): sua principal função é armazenar energia que se produz durante as horas de luminosidade a fim de poder ser utilizada à noite ou em períodos prolongados de mau tempo. Outra função é de estabilizar a corrente e a tensão ao alimentar cargas elétricas; Também pode prover uma intensidade de corrente superior àquela que o dispositivo fotovoltaico pode entregar — como no caso de um motor, que no momento do arranque pode exigir uma corrente de quatro a seis vezes sua corrente normal durante poucos segundos (PRC-CRESESB, 2004);
d) Inversor: equipamento que transforma a corrente contínua gerada no campo fotovoltaico em corrente alternada. O inversor tem o objetivo de garantir, instantaneamente, a operação do sistema em seu ponto máximo de potência, convertendo a corrente gerada nos módulos – de característica contínua (DC) – em corrente alternada (AC), adaptada para a rede elétrica, para ser injetada ou consumida em sistemas isolados (PRC-CRESESB, 2004);
e) Equipamentos complementares: chaves, fusíveis e disjuntores, que protegem pessoas e o equipamento de surtos de corrente e/ou tensão (PRC-CRESESB, 2004);
f) Quando um projeto possui tanto cargas CC quanto cargas CA para serem alimentadas, é preciso, também, utilizar um sistema de supervisão e determinar a prioridade de uso.
3. CONCEITOS E REGULAMENTAÇÃO
3.1 MICRO E MINIGERAÇÃO DISTRIBUÍDA
3.1.1 PROCEDIMENTOS PARA VIABILIZAÇÃO DE ACESSO
É necessário que algumas etapas sejam realizadas para que uma central geradora de energia seja denominada como micro ou minigeração. Entre elas, estão a de solicitar e a do parecer de acesso (CADERNOS TEMÁTICOS ANEEL, 2016).
O requerimento feito pelo consumidor para a distribuidora corresponde à solicitação de acesso. Essa etapa necessita do preenchimento de formulários padrões específicos, respeitando as normativas definidas pelos Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional (PRODIST) (CADERNOS TEMÁTICOS ANEEL, 2016).
Após o aceite do requerimento, as especificações técnicas, bem como os prazos a serem cumpridos para a instalação do sistema são definidos pelo parecer de acesso – documento forma e obrigatório — cuja emissão estará sob responsabilidade da distribuidora, assim que esta receba a solicitação de acesso; e que não deverá infligir custos ao acessante. Havendo a necessidade de alguma obra para atendimento, o parecer de acesso também apresentará o orçamento das obras, contendo a memória de cálculo dos custos orçados, do encargo de responsabilidade da distribuidora e da eventual participação financeira do consumidor. No máximo, a elaboração do parecer levará 15 dias para microgeração e 30 dias para minigeração. Deve-se destacar que a responsabilidade pela coleta das informações das unidades geradoras junto aos micros e minigeradores compete à distribuidora (CADERNOS TEMÁTICOS ANEEL, 2016).
3.1.2 SISTEMA DE MEDIÇÃO
O sistema de medição da microgeração ou minigeração distribuída deve atender às especificações que já são exigidas para as unidades consumidoras no mesmo nível de tensão, acrescida à medição bidirecional de energia elétrica (para medição de consumo e de geração), que poderá ser realizada por meio de dois medidores unidirecionais, sendo que um verifica a quantidade de energia gerada; e outro, a quantidade de energia consumida, pela alternativa de menor custo ou por haver a solicitação do titular da unidade consumidora (CADERNOS TEMÁTICOS ANEEL, 2016).
Para a microgeração, a distribuidora ficar responsável por adquirir e instalar o sistema de distribuição, bem como realizar as devidas manutenções e custos eventuais. O acessante não deve arcar com nenhum custo nessa fase. Já para a minigeração, o solicitante deve ressarcir a distribuidora com todos os cursos gerados pela adequação:
Por potência disponibilizada (inciso LX, art. 2º da Resolução Normativa nº 414/2010), considera-se a potência que o sistema elétrico da distribuidora deve dispor para atender aos equipamentos elétricos da unidade consumidora, calculada da seguinte forma:
a) unidade consumidora do grupo A: a demanda contratada, expressa em quilowatts (kW); e b) unidade consumidora do grupo B: a resultante da multiplicação da capacidade nominal de condução de corrente elétrica do dispositivo de proteção geral da unidade consumidora pela tensão nominal, observado o fator específico referente ao número de fases, expressa em quilovolt-ampère (kVA).
Para exemplificar o caso de consumidor do grupo B, se a capacidade do disjuntor da unidade consumidora for de 30 A (ampères), a tensão de atendimento for 220V (volts) e instalação trifásica, tem-se:
Potência disponibilizada = 30A x 220V x 3 = 19800VA = 19,8kVA.
Assim, para o exemplo apresentado, considerando-se um fator de potência de 0,92 para a instalação, pode-se instalar uma microgeração de até 18,216 kW (= 19,8 kVA x 0,92) nessa unidade consumidora atendida em baixa tensão. (CADERNOS TEMÁTICOS ANEEL, 2016).
3.1.3 CONTRATAÇÃO
É suficiente a emissão do Relacionamento Operacional para microgeração, fornecido pela distribuidora em anexo ao Parecer de acesso, para que seja celebrado o vínculo de uso e central de geração do sistema de compensação de energia. Para a minigeração, o Acordo Operativo apresenta o mesmo direito legal para o funcionamento do sistema fotovoltaico (CADERNOS TEMÁTICOS ANEEL, 2016).
Quando houver a necessidade de manutenção da rede de microgeração ou minigeração, a execução do serviço se dá pela distribuidora e deve preceder por documento assinado que especifica:
a) As etapas e o prazo de implementação das obras;
b) As condições de pagamento da eventual participação financeira do consumidor;
c) Além de outras condições vinculadas ao atendimento.
3.1.4 ANÁLISE DA RELAÇÃO CUSTO/BENEFÍCIO
Por ser do consumidor a iniciativa da instalação de micro ou minigeração distribuída, a ANEEL não determina o valor gasto para implementação do sistema ou eventuais condições de financiamento. Será do consumidor a responsabilidade de analisar a relação de custo/benefício para instalação do sistema, observando vários fatores a serem analisados nesta decisão, tais como:
a) Tipo da fonte de energia (painéis solares, turbinas eólicas, etc.);
b) Tecnologia dos equipamentos de geração;
c) Porte da unidade consumidora e da central geradora;
d) Localização (rural ou urbana);
e) Tarifa à qual a unidade consumidora está submetida;
f) Condições de pagamento/financiamento do projeto;
g) Existência de outras unidades consumidoras que possam usufruir dos créditos do sistema de compensação de energia elétrica (CADERNOS TEMÁTICOS ANEEL, 2016).
3.2 SISTEMA DE COMPENSAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA
3.2.1 DEFINIÇÕES
A Resolução Normativa nº 482/2012 permite que pelo Sistema de Compensação de Energia Elétrica, a energia que não é consumida pelo domicílio, possa ser injetada na rede de distribuição. Se a injeção for maior que o consumo, a unidade deve receber créditos em energia (kWh), com validade de 60 meses (ANEEL, 2016).
Outro benefício é que o consumidor pode adotar os créditos para abater o consumo de outras unidades, previamente cadastradas, que se caracterizam como geração compartilhada, autoconsumo remoto e condomínios (empreendimento com múltiplas unidades consumidoras).
a) Geração compartilhada: consórcio ou cooperativa determina a união de unidades consumidoras que compartilham a mesma área, e que haja a geração de energia por meio de microgeração ou minigeração distribuída;
b) Autoconsumo remoto: ocorre quando a unidade geradora de energia fotovoltaica se encontra em localidade distinta àquela onde a energia excedente será abatida. As unidades devem pertencer à mesma Pessoa Física ou Jurídica, e estar presente na mesma área de concessão/permissão;
c) Empreendimento com múltiplas unidades consumidoras (condomínios): é determinado pelo uso independente e fracionado da microgeração ou minigeração, na qual cada unidade consumidora esteja presente em uma mesma propriedade, ou compartilhem propriedades contíguas. As áreas comuns devem atender uma unidade consumidora distinta.
Vale ressaltar que, no caso de domicílios que se enquadrem na categoria de baixa tensão (grupo B), ainda que o consumo seja inferior à energia injetada, o valor referente à disponibilidade da rede deverá ser pago, variando do tipo de rede fornecida (monofásico, bifásico ou trifásico). O mesmo vale para unidades consumidoras do grupo A (alta tensão), que devem pagar o valor base de disponibilização do serviço (CADERNOS TEMÁTICOS ANEEL, 2016).
3.2.2. FATURAMENTO DA MICRO OU MINIGERAÇÃO DISTRIBUÍDA INSTALADA NO LOCAL DE CONSUMO
O art. 7º da Resolução Normativa nº 482/2012 define como deve funcionar o faturamento para o sistema de compensação de energia, sendo:
A compensação de energia ocorre para determinado posto tarifário quando há a injeção de energia neste mesmo posto, compensando a energia consumida. O excedente, quando houver, deve ser usado na compensação de outro posto horário.
O valor faturado corresponde à diferença entre a energia consumida e a injetada, sendo que o custo de disponibilidade deve ser respeitado (caso o valor seja inferior à demanda). Se após compensar a energia consumida com a energia injetada, ainda houver créditos disponíveis, esses podem ser utilizados no abatimento do consumo de outras unidades – a escolha do consumidor. Os créditos excedentes possuem prazo de validade de 60 meses após ser faturado (CADERNOS TEMÁTICOS ANEEL, 2016).
3.2.3 FATURAMENTO DA MICRO OU MINIGERAÇÃO DISTRIBUÍDA INSTALADA EM LOCAL DIFERENTE DO CONSUMO
Novamente, a normativa que estabelece as diretrizes de faturamento da compensação em locais diferentes do consumo é o art. 7º da Resolução Normativa nº 482/2012, que define:
Para os casos de autoconsumo remoto e geração compartilhada, a diferença entre a energia injetada e a consumida corresponde à energia excedente. Para condomínios, o excedente equivale à energia injetada.
É dever do titular da unidade consumidora contemplada com micro ou minigeração informar á distribuidora a quantidade de energia excedente que deve ser distribuída entre as demais unidades consumidoras, sejam elas autoconsumo remoto, geração compartilhada ou condomínio (CADERNOS TEMÁTICOS ANEEL, 2016).
4. VIABILIDADE DA INSTALAÇÃO DE UM SISTEMA FOTOVOLTAICO PARA MICROGERAÇÃO DE ENERGIA EM RESIDÊNCIA
4.1 LEVANTAMENTO DE DADOS DO LOCAL
O estudo de caso será feito em uma residência na Rua Firmino Gameleira, no bairro de Olaria. Será analisada a viabilidade de microgeração fotovoltaica, visando reduzir o valor das contas de luz. Será feito o levantamento de dados, no que se refere à disponibilidade de radiação solar; ao consumo médio mensal de energia elétrica e à potência necessária a ser gerada. A partir desses dados, especificaremos os equipamentos necessários para instalação de um sistema de microgeração de energia.
4.1.1 DISPONIBILIDADE DE RADIAÇÃO SOLAR
A disponibilidade local de radiação solar é o ponto mais importante para o projeto de um sistema fotovoltaico. A escolha de qual modelo fotovoltaico será adotada depende da incidência solar no local, pois não adianta possuir o painel solar mais eficiente, se não existir radiação solar suficiente no local.
O índice de radiação solar foi obtido através do programa SunData, disponibilizado através do CRESESB. No gráfico da figura 18, vemos o índice de radiação solar no local:
Figura 2 – Índice De Irradiação Solar No Bairro De Olaria
O índice de irradiação solar é de 4,82kWh/m² por dia, o que resulta em um bom aproveitamento da energia solar nos painéis fotovoltaicos.
4.1.2 CONSUMO MÉDIO MENSAL
A análise do consumo de energia elétrica foi feita a partir das contas de luz que foram fornecidas pela concessionária de energia elétrica no período de novembro de 2013 até outubro de 2014. Nesse período, o consumo total de energia foi de 7662 kWh, a média do consumo foi de 638 kWh por mês.
4.1.3 POTÊNCIA NECESSÁRIA A SER GERADA
Para o cálculo da potência necessária a ser gerada pelos painéis solares, foi realizada a seguinte solução:
Considerando o tempo de insolação diária de 4,8 horas temos
Considerando os dados obtidos, será escolhido o modelo de painel fotovoltaico que seja mais eficiente e que tenha o custo mais adequado, para atender a necessidade do sistema e a realização de sua instalação.
4.2 ESCOLHAS DE EQUIPAMENTOS
4.2.1 ESCOLHA DO PAINEL SOLAR
Para esse sistema foi escolhido o painel solar de silício policristalino de 250 wp da marca yingli, como podemos ver na figura 19, com área de 1,6 m², e eficiência de 15%.
Durante um mês, a quantidade de energia produzida por um módulo fotovoltaico é de 34,70 kWh. Para isso, a quantidade de painéis para gerar 638 kWh/ mês será de:
Dezenove painéis de 250 W serão usados para suprir a capacidade de potência de 4,5 kWp instalada no sistema. Os painéis ocuparão, aproximadamente, 32m² da área disponibilizada pela residência e deverão ser instalados voltados para norte, com um ângulo de inclinação de 23°.
4.2.2 ESCOLHA DO INVERSOR
O inversor deve possuir certificação INMETRO ou certificação de tipo por empresas nacionais e internacionais creditados pelo instituto, desde que cumpram os pré-requisitos. E seu dimensionamento deve ser feito através da especificação da potência do mesmo.
Para este sistema foi escolhido o inversor Fronuis IG Plus 55 V-1com potência de 5kW, o mesmo é um inversor Grid Tie e trabalha em sincronia com a rede elétrica reduzindo a conta de energia da unidade consumidora.
4.2.3 MEDIDOR BIDIRECIONAL
Como visto anteriormente, para medir a energia consumida e a energia injetada na rede, será necessária a instalação de um medidor bidirecional. Poderá ser instalado um medidor bidirecional ou dois medidores unidirecionais instalados em série, sendo um medidor para o fluxo direto e outro medidor para o fluxo reverso em relação à rede.
Para clientes existentes, a concessionária promoverá a substituição do medidor instalado pelo medidor adequado, e a diferença entre o custo do medidor bidirecional e o medidor convencional é de responsabilidade do cliente.
4.3 FUNCIONAMENTO DO SISTEMA ATRAVÉS DO MÉTODO DE COMPENSAÇÃO DE ENERGIA
Os dados sobre o consumo da residência foram inseridos no programa Simular Solar, desenvolvido pelo Instituto Ideal. O programa, considerando a radiação média mensal e a potência instalada na residência, realizou o cálculo da eletricidade que seria gerada a partir do sistema de energia solar.
A tabela 2 demonstra como funcionaria o sistema de compensação de energia na residência:
| Tabela 2 – Sistema De Compensação De Energia Na Residência | ||||
| Mês | Eletricidade Total Consumida | Eletricidade Gerada pelo Sistema | Eletricidade Fornecida pela Rede | Créditos Gerados |
| Janeiro/14 | 669,00 kWh | 494,70 kWh | 174,30 kWh | 0,00 kWh |
| Fevereiro/14 | 1.085,00 kWh | 494,23 kWh | 590,77 kWh | 0,00 kWh |
| Março/14 | 943,00 kWh | 528,60 kWh | 414,40 kWh | 0,00 kWh |
| Abril/14 | 780,00 kWh | 482,29 kWh | 297,71 kWh | 0,00 kWh |
| Maio/14 | 653,00 kWh | 438,82 kWh | 214,18 kWh | 0,00 kWh |
| Junho/14 | 519,00 kWh | 406,05 kWh | 112,95 kWh | 0,00 kWh |
| Julho/14 | 458,00 kWh | 399,43 kWh | 58,57 kWh | 0,00 kWh |
| Agosto/14 | 385,00 kWh | 480,05 kWh | 0,00 kWh | 95,05 kWh |
| Setembro/14 | 439,00 kWh | 442,40 kWh | 0,00 kWh | 3,40 kWh |
| Outubro/14 | 488,00 kWh | 497,45 kWh | 0,00 kWh | 9,45 kWh |
| Novembro/13 | 507,00 kWh | 470,77 kWh | 36,23 kWh | 0,00 kWh |
| Dezembro/13 | 736,00 kWh | 478,21 kWh | 257,79 kWh | 0,00 kWh |
| Total Anual | 7.662,00 kWh | 5.613,00 kWh | 2156,90 kWh | 107,90 kWh |
Fonte: Autor(a).
Na segunda coluna da tabela, são demonstrados os valores do consumo mensal no último ano. A terceira coluna exibe a projeção da quantidade de energia gerada através do sistema fotovoltaico. Na quarta coluna, demonstra-se a quantidade de eletricidade que seria consumida diretamente da rede elétrica; e a última coluna exibe os créditos que seriam acumulados no respectivo mês. Na última linha, apresentamos os valores totais dos dados.
Como a energia gerada através do sistema fotovoltaico seria maior do que a energia consumida nos meses de Agosto, Setembro e Outubro num sistema de compensação de energia, os créditos seriam acumulados nesses meses.
A ANEEL, através da resolução 456/2000, estabeleceu os valores mínimos para cada perfil de unidade consumidora residencial. Para as unidades monofásicas e bifásicas com dois condutores, o valor a ser pago será o equivalente a 30kWh, mesmo que não tenha consumo. Para as unidades bifásicas a cobrança mínima será correspondente a 50kWh, e para unidades trifásicas o valor corresponderá a 100kWh (ANEEL, 2000).
Na tabela 3, pode-se averiguar o quanto é consumido atualmente, e o que seria consumido com o sistema fotovoltaico instalado na residência.
| Tabela 3 – Comparativo Consumo X Consumo Com Sistema Fotovoltaico | ||
| Mês | Consumo Mensal
(kWh atualmente pagos) |
Consumo Mensal com Sistema Fotovoltaico Instalado
(kWh pagos com sistema FV) |
| Janeiro/14 | 669,00 kWh | 174,30 kWh |
| Fevereiro/14 | 1.085,00 kWh | 590,77 kWh |
| Março/14 | 943,00 kWh | 414,40 kWh |
| Abril/14 | 780,00 kWh | 297,71 kWh |
| Maio/14 | 653,00 kWh | 214,18 kWh |
| Junho/14 | 519,00 kWh | 100,00 kWh |
| Julho/14 | 458,00 kWh | 100,00 kWh |
| Agosto/14 | 385,00 kWh | 100,00 kWh |
| Setembro/14 | 439,00 kWh | 100,00 kWh |
| Outubro/14 | 488,00 kWh | 100,00 kWh |
| Novembro/13 | 507,00 kWh | 100,00 kWh |
| Dezembro/13 | 736,00 kWh | 257,79 kWh |
| Total Anual | 7.662,00 kWh | 2,562,10 kWh |
Fonte: Autor(a).
Através das contas de luz fornecidas pela concessionária de energia no último ano, foi verificado que o valor pago pela geração de energia por meio da rede elétrica de 7662 kWh chegou a R$4.107,89 reais. Com o sistema fotovoltaico instalado a energia, que seria gerada através da rede elétrica, diminuiria para 2.562,10 kWh, e o valor pago para suprir esse consumo foi reduzido para R$1.156,39 reais.
O benefício financeiro gerado por esse sistema foi analisado comparando o valor pago atualmente com o valor que seria pago com o sistema fotovoltaico, sendo assim a diferença do valor que não seria mais pago à concessionária seria o de R$ 2.951 reais.
Os dados obtidos e calculados sobre os equipamentos e a quantidade de painéis que serão necessários foram disponibilizados para empresas de instalação de sistemas fotovoltaicos. A melhor proposta foi enviada através da empresa Energia Pura. O valor da instalação incluindo os painéis fotovoltaicos, condutores necessários, mão de obra e o inversor chegaram ao valor de R$ 37.000 reais, valor esse fornecido pela empresa.
O tempo de retorno para o investimento foi calculado considerando, apenas, o investimento inicial e o retorno obtido no ano. As taxas de juros foram desconsideradas para este cálculo. Para o valor do tempo de retorno simples foi realizado o seguinte cálculo:
5. CONCLUSÃO
Nessa monografia, foi realizado um estudo para avaliar a viabilidade da microgeração fotovoltaica numa residência comum de cinco moradores, onde se observou um alto consumo e, consequentemente, elevados gastos mensais na conta de energia elétrica da concessionária.
São diversos os fatores que exprimem a viabilidade de adotar-se um sistema de microgeração fotovoltaica. Dentre eles, o investimento necessário, a eficiência esperada, os dados sobre a radiação solar local, além das condições de tarifas de energia elétrica adotadas pela distribuidora.
O custo total do sistema depende do custo de compra do módulo, interconexão dos cabos em forma de painel ou arranjo, reguladores de carga, estrutura de sustentação, reguladores de carga, inversores etc.
No sistema proposto, o custo dos equipamentos e de sua instalação chegou, aproximadamente, ao valor de R$ 37.000 reais, sendo considerado alto se comparado a outras formas de geração de energia elétrica. Por outro lado, o custo da manutenção é baixo, devido ao sistema não possuir partes móveis, sendo necessária uma limpeza periódica nos módulos como a única medida necessária.
Dada à economia de R$2.951 reais nas contas de energia do ano avaliado graças ao sistema proposto, o tempo de retorno do investimento inicial seria de aproximadamente 12,5 anos, porém é preciso levar em conta que, neste tempo, deverá ser realizada, em período anual, a manutenção preventiva da placa, mas a residência ainda terá gastos com a energia ainda gerada da rede elétrica.
Vistos os dados mencionados, chega-se à conclusão de que o sistema de microgeração de energia fotovoltaica para a residência estudada não é viável devido ao alto custo de instalação e o tempo de retorno do investimento. Contudo, nesse trabalho, não foi abordada a possibilidade de haver políticas de incentivos à geração distribuída. A redução dos custos necessária para que a tecnologia fotovoltaica seja capaz de competir economicamente com as fontes convencionais dependerá não apenas da evolução tecnológica, como também do aumento do mercado que poderá ser conseguido através de incentivos governamentais.
REFERÊNCIAS
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[1] Graduada Em Engenharia Elétrica.
[2] Mestrado em Engenharia Elétrica. Graduação em Engenharia Elétrica.
Enviado: Abril, 2020.
Aprovado: Maio, 2020.
