Estudo de implantação de um sistema de produção de energia solar através de painéis fotovoltaicos em um hospital

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ARTIGO ORIGINAL

DIAS, Damiana Pâmella da Silva [1]

DIAS, Damiana Pâmella da Silva. Estudo de implantação de um sistema de produção de energia solar através de painéis fotovoltaicos em um hospital. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. Ano 05, Ed. 05, Vol. 13, pp. 57-75. Maio de 2020. ISSN: 2448-0959, Link de acesso: https://www.nucleodoconhecimento.com.br/engenharia-mecanica/sistema-de-producao

RESUMO

A energia solar fotovoltaica vem ganhando espaço na mídia ao longo destes últimos anos, principalmente devido à sua possibilidade de uso em residências para geração própria de eletricidade, de modo que o usuário se tornaria independente da distribuidora de energia, ou, na maioria dos casos, passaria a trocar seu excedente de produção de energia por créditos com a sua concessionária distribuidora. Este trabalho tem como objetivo caracterizar os sistemas de geração fotovoltaicos conectados à rede elétrica e, a partir desses conhecimentos, realizar um estudo acerca da viabilidade técnica e econômica para instalação deste tipo de sistema no Complexo Hospitalar de Niterói, na cidade de mesmo nome, no estado do Rio de janeiro. Foi realizado um cálculo aproximado da área disponível para a instalação do sistema fotovoltaico, depois uma consulta aos dados de consumo energético e aos dados de radiação solar média da região, e, por fim, consultou-se o custo dos equipamentos para compor o sistema de geração fotovoltaico para a referida aplicação. Tais dados foram usados para realizar uma análise econômica a partir dos indicadores VPL, TIR, payback e ROI para definir a viabilidade econômica do referido sistema. Todavia, o sistema projetado consegue suprir apenas parte da demanda do Complexo Hospitalar de Niterói, demonstrando que um possível aumento do projeto seria desejável para elevar seu custo-benefício. Os resultados mostraram que o projeto se mostrou viável economicamente, com todos os indicadores apontando para este fato.

Palavras-chave: Energia solar fotovoltaica, viabilidade econômica, Complexo Hospitalar de Niterói.

1. INTRODUÇÃO

Os edifícios hospitalares, em sua maioria, tendem a possuir um elevado consumo de energia elétrica. Tal fato pode ser explicado pelo seu funcionamento ser ininterrupto, funcionando 24 horas por dia, durante os sete dias da semana, além de possuir exigentes padrões de qualidade do ar, de níveis de conforto térmico requeridos para os pacientes e exigências técnicas específicas a muitos dos equipamentos, o que os torna grandes consumidores de energia. Em suma, a segurança energética nesse tipo de instalação é considerada crítica, uma vez que inclui sistemas de suporte à vida que precisam funcionar mesmo em ocasiões de emergência ou da suspensão do suprimento energético. Assim, os gastos com o gerenciamento energético em hospitais tendem a ser elevados, sendo necessário que seu projeto energético inicial seja adequado ao dimensionamento de cargas da instalação.

Além disso, muitas vezes são implementados programas de eficiência energética para reduzir o consumo de energia elétrica e, por conseguinte, diminuir os custos da conta de energia elétrica (MERTENS, 2014). Todavia, no cenário brasileiro da geração de energia elétrica, a geração hidrelétrica é a mais utilizada, sendo que em momentos de baixa de reservatórios, há o uso das termoelétricas, que, além de serem mais poluentes, também geram uma energia substancialmente mais cara, o que encarece também as tarifas de energia elétrica para todos os consumidores (MERTENS, 2014). Nesse contexto, a utilização de energias alternativas, com destaque para a energia solar fotovoltaica, tem se revelado como uma das melhores opções para os consumidores, tanto para economia na conta de energia como para elevar a sustentabilidade.

Nessa conjuntura, é de grande importância o estudo sobre a uso da geração fotovoltaica aplicada no Complexo Hospitalar de Niterói, uma vez que a partir desta aplicação será possível verificar a viabilidade técnica e econômica deste tipo de geração nesse tipo de instalação. A partir deste contexto, este trabalho possuirá uma significativa relevância, uma vez que o estudo de caso da implementação de energia solar fotovoltaica no Complexo Hospitalar de Niterói pode servir como embasamento não somente para a efetiva aplicação deste sistema de geração de energia elétrica, mas também como base teórica para a implantação de outros sistemas do mesmo tipo em outras instalações similares. Assim, este trabalho procura responder ao questionamento se a energia fotovoltaica pode ser a solução para a diminuição dos gastos com energia elétrica no Complexo Hospitalar de Niterói.

2. REFERENCIAL TEÓRICO

2.1 ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA

A energia, em si, é tipicamente armazenada na forma de portadores como o carvão, o gás, a madeira, entre outros. Assim, esta energia dos portadores é normalmente chamada de energia primária. Todavia, para fins práticos, tal energia precisa ser convertida, como, por exemplo, em energia elétrica (MERTENS, 2014). Desse modo, quando a eletricidade é desejada, por exemplo, pode-se queimar o carvão em uma usina elétrica a carvão para gerar vapor quente, cuja pressão é utilizada para acionar um gerador que disponibiliza energia elétrica na saída da estação de força. Nesse exemplo, a energia elétrica é chamada de energia secundária (MERTENS, 2014). Já o processo de transporte dessa energia secundária para as casas, representando os consumidores finais, está sujeito a perdas de conversão relativamente altas, principalmente a partir dos cabos e estações de transformadores, sendo, também, somados às perdas de distribuição.

Assim, a energia final chega aos consumidores finais (MERTENS, 2014). A energia que chega aos consumidores finais, sejam eles residenciais, comerciais ou industriais, geralmente, está sujeita à altas perdas em seu longo caminho. Nesse sentido, a opção por produzir a própria energia se mostra como uma alternativa para aumentar o aproveitamento da energia como um todo. Além disso, no Brasil, o uso mais difundido de fonte para a geração de energia elétrica é a energia hidrelétrica, que, junto à energia eólica, à solar fotovoltaica, à biomassa, entre outras, provêm da radiação solar como fonte primária. Assim, as energias renováveis são aquelas que são naturalmente renovadas, como o vento que sopra todos os anos de novo e de novo, o sol que nasce todos os dias, entre outras.

Desse modo, a radiação solar é a base para uma grande variedade de energias, como o uso da energia hidrelétrica que depende da condensação da água e pela subsequente precipitação na terra, e, também, o movimento atmosférico que se origina, principalmente, devido à radiação solar, sendo a base para o uso da energia eólica, além disso, no caso dos produtos de biomassa, é novamente a luz solar que causa a fotossíntese, e, assim, o crescimento da biomassa é condicionado por ela (MERTENS, 2014). Já em relação ao uso direto da radiação solar, o mesmo pode se dar para a geração de calor, por exemplo, em um coletor térmico para água doméstica ou aquecimento de ambientes domésticos. Tem–se, também, as centrais térmicas solares que geram o calor e vapor do processo a partir da luz solar concentrada a fim de impulsionar os geradores para a produção de eletricidade.

E, por fim, a partir da energia fotovoltaica, a radiação solar é diretamente convertida em energia elétrica (MERTENS, 2014). Nesse contexto, pode-se citar as vantagens e desvantagens do uso das energias renováveis como um todo. Assim, uma das maiores vantagens é a quantitativa, pois em comparação aos portadores de energia não renovável, como o petróleo e o carvão, os portadores de energia renovável são praticamente inesgotáveis. Além disso, as energias renováveis praticamente não emitem gases de efeito estufa, quando comparadas a outras fontes não renováveis, como o carvão. Muitos países têm investido em energias renováveis como forma de alcançar o desenvolvimento sustentável, de modo que o uso de tais fontes de energia por empresas pode ser incentivado a partir de políticas públicas voltadas à redução de taxas e aos financiamentos facilitados.

Além disso, a opinião pública, muitas das vezes, considera que o uso de fontes renováveis como uma indicação da responsabilidade da empresa, o que pode funcionar para atrair novos clientes e manter os antigos.  Por outro lado, as densidades de energia em que as energias renováveis estão disponíveis são pequenas, ou seja, este tipo de energia está presente em grandes áreas. Assim, para que a coleta de energia seja viável, são demandadas grandes áreas, como por exemplo, áreas de módulos solares para energia fotovoltaica, áreas de rotor para turbinas eólicas, etc. Isso significa que, normalmente, os custos de investimento são altos, pois as grandes superfícies exigem o uso de muito material (MERTENS, 2014). Outra grande desvantagem é a variabilidade no fornecimento de energia, uma vez que é intermitente, seja em períodos do dia ou em estações do ano.

Nesse contexto, a energia fotovoltaica e a energia eólica são especialmente afetadas, assim, em muitos países, são utilizadas estações de energia de backup, onde são mantidas reservas de outras fontes para garantir um fornecimento constante. Somente a energia geotérmica não é afetada por este tipo de problema, podendo fornecer energia praticamente independentemente da hora do dia ou do ano. Já em relação à biomassa, a mesma é mais fácil de armazenar, como, por exemplo, o biogás no tanque (MERTENS, 2014). Desse modo, dentre todas as formas para se obter energia elétrica a partir de fontes renováveis, a fotovoltaica é a única que realiza a conversão diretamente da fonte primária, que é a radiação solar, sendo, por isso, a que tem maior potencial para diminuir as perdas do processo de transformação em energia elétrica.

Assim, mesmo que tenha fornecimento intermitente, tanto diariamente, pois não gera energia durante a noite, quanto sazonalmente, pois em estações em que o céu está constante nublado a geração de eletricidade é menor, esta fonte de energia ainda se mostra como uma grande aliada ao desenvolvimento sustentável.

2.2 PRINCÍPIO DO FUNCIONAMENTO DAS CÉLULAS FOTOVOLTAICAS

As células fotovoltaicas são os dispositivos base usados para converter a radiação solar em energia elétrica a partir do efeito fotovoltaico. A arquitetura base das células fotovoltaicas segue o princípio da união de duas regiões semicondutoras com diferentes concentrações de elétrons, e, assim sendo, esses materiais podem ser do tipo n, ou seja, aqueles que possuem excesso de elétrons, ou tipo p, que são semicondutores com um excesso de cargas positivas, todavia, em ambos os casos, o material é eletronicamente neutro (LUCEÑO-SÁNCHEZ; DÍEZ-PASCUAL; PEÑA CAPILLA, 2019). Quando ambas as regiões, p e n, entram em contato a partir do fechamento do circuito elétrico, o excesso de cargas positivas flui da região p e dos elétrons da região n através da junção pn, esse movimento de cargas é chamado de corrente de difusão.

Já os íons fixos próximos à junção pn geram um campo elétrico na direção oposta à difusão, o que gera, também, uma corrente de desvio. Em equilíbrio, a corrente de difusão é balanceada pela corrente de desvio, de modo que a corrente líquida é zero, nessas condições, uma barreira potencial é estabelecida na junção pn (LUCEÑO-SÁNCHEZ; DÍEZ-PASCUAL; PEÑA CAPILLA, 2019). À medida que a radiação solar atinge a célula, a contribuição de energia dos fótons é absorvida pelos elétrons que podem romper suas ligações, produzindo, então, pares de elétrons-“holes”. Esses portadores de carga são empurrados pelo campo elétrico e conduzidos por meio da junção pn. Se uma carga externa estiver conectada, uma corrente elétrica e uma diferença de potencial entre os terminais da célula serão estabelecidas (LUCEÑO-SÁNCHEZ; DÍEZ-PASCUAL; PEÑA CAPILLA, 2019).

Quando a radiação solar incidente na forma de fótons atinge o material semicondutor, tais fótons são capturados pelos elétrons livres, resultando em maior conteúdo de energia e se um valor limiar chamado “gap” é excedido, os elétrons podem quebrar suas ligações e circular a partir desse material. Esse fluxo de elétrons gera uma diferença de potencial entre os terminais e, mediante a aplicação de um campo elétrico no semicondutor, os elétrons se movem na direção do campo, gerando uma corrente elétrica (MERTENS, 2014).

2.3 GERAÇÕES DE CÉLULAS FOTOVOLTAICAS

Conforme foram sendo criadas as tecnologias de células fotovoltaicas foram sendo, posteriormente, classificadas conforme sua antiguidade. Assim, existem quatro gerações de células fotovoltaicas, separadas em diferentes tecnologias. A primeira geração é baseada nas tecnologias de silício cristalino, tanto policristalino e monocristalino, como no arsenieto de gálio (GaAs). Desse modo, essas células eram chamadas de células laminadas (wafer based), fabricadas com silício de alta pureza (SAMPAIO et al, 2018). O silício monocristalino, por sua vez, atua de modo bastante eficiente em termos de conversão, mas apresenta altos custos de fabricação, maiores requisitos de energia durante seu ciclo de vida, maior tempo de retorno de energia e exige o uso de materiais muito puros (silício de grau solar) e de uma estrutura cristalina perfeita.

Já o silício policristalino possui custo de produção menor, se comparado ao anterior, além de ter melhor estética e consumir menos energia em seu ciclo de vida e na fabricação, todavia, é menos eficiente (SAMPAIO et al, 2018). E, por fim, as células do tipo GaAs possuem muitas vantagens, pois oferecem uma ampla gama de possíveis opções de projeto. As células baseadas em GaAs podem ter várias camadas com uma composição ligeiramente diferente que permite um controle mais preciso da geração e coleta de portadores de cargas que as células de silício, limitadas, portanto, às mudanças no nível de dopagem para alcançar os mesmos resultados. Além disso, o GaAs é bastante usado em células solares de junção múltipla, pois cada junção pn produz uma corrente elétrica em resposta à diferentes comprimentos de onda da luz (LUCEÑO-SÁNCHEZ; DÍEZ-PASCUAL; PEÑA CAPILLA, 2019).

Em relação à segunda geração, são incluídas as células solares de filmes finos de silício amorfo (a-Si) e silício microcristalino (µc-Si), telureto de cádmio/sulfeto de cádmio (CdTe/CdS) e células solares de selênio de cobre índio-gálio (CIGS) (LUCEÑO-SÁNCHEZ; DÍEZ-PASCUAL; PEÑA CAPILLA, 2019). A terceira geração envolve tecnologias baseadas em compostos mais novos, incluindo filmes nanocristalinos, pontos quânticos ativos, multicamadas em tandem ou empilhadas de inorgânicos baseados em materiais III-V, como GaAs / GaInP, células solares baseadas em polímeros células solares sensibilizadas por corantes, entre outros (LUCEÑO-SÁNCHEZ; DÍEZ-PASCUAL; PEÑA CAPILLA, 2019). Todavia, em relação às células da terceira geração, afirma-se que esta geração possui algumas definições ambíguas, mas que, em geral, abarca tecnologias mais eficientes no uso da radiação solar incidente, pois são baseadas em um único gap eletrônico, possuindo, por isso, baixo custo por watt, além de utilizarem materiais abundantes e de baixa toxicidade.

Assim, são incluídas as células orgânicas, as de Pontos Quânticos (PQ), células multijunção, células solares sensibilizadas por corantes ou, no termo em inglês, Dye Sensitized Solar Cells (DSSC), entre outras (ELY; SWART, 2014). E, por fim, a quarta geração combina o baixo custo e flexibilidade de filmes finos de polímero com a estabilidade de novas nanoestruturas inorgânicas, como nanopartículas metálicas e óxidos metálicos ou nanomateriais orgânicos como nanotubos de carbono, grafeno e seus derivados (LUCEÑO-SÁNCHEZ; DÍEZ-PASCUAL; PEÑA CAPILLA, 2019). Assim, essas arquiteturas manterão a vantagem de dispositivos de fabricação barata, mas também incorporarão nanomateriais para melhorar a dissociação de carga e o transporte de carga dentro das células solares. Em particular, é dada ênfase especial ao grafeno (G), que se tornou o nanomaterial com as mais altas expectativas científicas e tecnológicas.

Além disso, os diferentes arranjos de favo de mel, como os átomos de carbono, levam a diferentes alótropos com diferentes dimensionalidades, como os Fulerenos de OD, nanotubos de carbono de 1D, grafeno 2D e grafite 3D (LUCEÑO-SÁNCHEZ; DÍEZ-PASCUAL; PEÑA CAPILLA, 2019). Desse modo, o grafeno é um material promissor para aplicações relacionadas à energia, tanto em células inorgânicas e orgânicas quanto em células híbridas e DSSCs, sendo usado, principalmente, como uma camada adicional em células funcionais de gerações anteriores, uma vez que permite obter dispositivos com propriedades melhoradas (LUCEÑO-SÁNCHEZ; DÍEZ-PASCUAL; PEÑA CAPILLA, 2019). Já os nanotubos de carbono (CNTs) são alótropos de carbono, existindo dois tipos principais de CNTs: CNTs de parede única (SWCNTs), que consistem em um único tubo de grafeno, e CNTs de paredes múltiplas (MWCNTs), que são compostos de vários tubos concêntricos de grafenos.

Os CNTs podem ser aplicados em células fotovoltaicas de três maneiras: como TCEs, atuando, portanto, como uma camada de transporte ou a partir de camadas ativas. Todavia, mesmo com a existência de várias gerações, e, com isso, acarretou-se as evoluções nas tecnologias das células solares, a maioria delas ainda possui custos proibitivos ao consumidor comum, seja por conta de materiais e fabricações mais caros ou por causa de baixa eficiência. Dessa maneira, as células de silício monocristalino, por serem de uma tecnologia da primeira geração, e, consequentemente, em razão do seu maior desenvolvimento na indústria e consolidação no mercado, além da disponibilidade de sua matéria prima na natureza, é a tecnologia mais usada comercialmente.

2.4 SISTEMAS FOTOVOLTAICOS

Os sistemas fotovoltaicos podem ser aplicados em escala local, como é o caso do estudo de caso deste trabalho, que será aplicado à geração fotovoltaica em um único local, onde é possível conectar à rede, sendo considerada uma geração distribuída ou pode-se, também, manter o sistema somente para o local, sendo, por isso, chamado de sistema isolado. Todavia, existe, também, a aplicação em larga escala, chamada de centralizada, onde grandes usinas de geração fotovoltaica são criadas em locais afastados dos grandes centros urbanos, uma vez que uma grande área é exigida.  Assim, em relação à geração distribuída, a tendência de baixa do valor do sistema fotovoltaico já permitiu que vários consumidores pudessem usufruir da autogeração de energia elétrica, sendo que o governo possui programas de incentivo ao uso deste tipo de energia, como a compensação de energia.

A compensação de energia elétrica é definida pela Resolução Nº 482 como o excedente do usuário que é enviado à rede elétrica. Esta configuração gera, para o consumidor, um aproveitamento da energia gerada quase total, já que ele é compensado pela concessionária pelo seu excedente e o consumidor pode utilizá-lo em momentos que não está produzindo energia (ANEEL, 2012).  A Resolução nº 482 define, também, que a microgeração distribuída é a central geradora de energia elétrica, conectada à rede de distribuição por meio de instalações de unidades consumidoras, e, assim, possui potência instalada menor ou igual a 100 kW, mas pode ser usufruída, apenas, pelo consumidor que utiliza fontes renováveis, como a solar, por exemplo (ANEEL, 2012).

Como a Resolução nº 482 levou a um grande aumento do número de instalações de sistemas de geração de energia, a mesma foi aprimorada, de maneira a ampliar e agilizar o acesso ao sistema de compensação de energia elétrica, e, a partir daí, foi criada a Resolução Normativa nº 687 (ANEEL, 2015). As regras da Resolução a nº 687 permitem que qualquer fonte renovável, e, também, a cogeração qualificada, seja usada no modelo de compensação de energia com as distribuidoras. Além disso, a microgeração distribuída passou a ter um limite superior de até 75 kW de potência instalada e a minigeração distribuída para o limite entre 75 kW e menor ou igual a 5MW (sendo 3 MW para a fonte hídrica), de modo que tais limites devem ser respeitados para que o autoprodutor possa participar do sistema de compensação com as redes de distribuição (ANEEL, 2015).

Além disso, cabe ressaltar, ainda, nessa reflexão, que a quantidade de energia que o consumidor não utiliza em determinado mês, ou seja, aquela que foi gerada pelo mesmo e não foi consumida diretamente por esse consumidor e nem foi consumida a partir da energia da distribuidora, pode ser convertida, isto é, transformada em créditos a serem usados na distribuidora. Esses créditos, por sua vez, podem se acionados em até 60 meses, conforme a redação da Resolução nº 687. Ainda sobres tais créditos, é possível abatê-los em outras unidades consumidoras do mesmo titular situadas em outro local, desde que na área de atendimento de uma mesma distribuidora. Esse tipo de abatimento de energia é chamado de “autoconsumo remoto” (ANEEL, 2015).

Além disso, é preciso destacar, também, que os procedimentos para se conectar à micro ou mini geração ao sistema de compensação com a distribuidora são feitos a partir de regras para simplificar todo o processo, de modo que todos os formulários necessários à solicitação de acesso pelo auto produtor são padronizados e disponibilizados gratuitamente aos interessados. Tem-se, também, que o prazo total para que microgeradores se conectem às distribuidoras que, antes, era de 82 dias, foi reduzido para 34 dias. Outra facilidade adquirida em janeiro de 2017 pelos consumidores é que os mesmos poderão realizar a solicitação pela internet e, também, por meio dela, poderão acompanhar o andamento deste pedido (ANEEL, 2019).

Todavia, é preciso, também, obedecer às normas dos Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional (PRODIST). O PRODIST é dividido em módulos, que, por sua vez, correspondem às normas e padrões técnicos relacionados à diversos funcionamentos de um sistema de distribuição (ANEEL, 2017). Assim, para obedecer ao PRODIST, o projeto deverá considerar apenas as regras referentes ao módulo 3 – Acesso ao Sistema de Distribuição, que estabelece as condições de acesso à rede de distribuição, incluindo, também, a conexão ao sistema de distribuição que define os critérios técnicos e operacionais, requisitos do projeto, as informações, os dados e a implementação da conexão dos projetos (ANEEL, 2017).

3. METODOLOGIA

A metodologia se mostra como um meio de apresentação da maneira pela qual um dado estudo foi elaborado, explorado e desenvolvido, demonstrando o tipo de pesquisa utilizado no mesmo. É desse modo que os métodos de estudo e pesquisa utilizados nesse trabalho serão definidos. Esse artigo teve como finalidade apresentar e discutir sobre um estudo de caso realizado em um Complexo Hospitalar, na cidade de Niterói, a fim de verificar a viabilidade técnica e econômica da implantação de um sistema de geração fotovoltaica conectado à rede elétrica. Caracteriza-se esse estudo como uma pesquisa aplicada, uma vez que se dispõe a resolver um tipo de problema identificado pelo estudo, envolvendo conhecimentos já formulados em situações similares para a resolução de tal situação específica.

Assim, a “pesquisa que se concentra no estudo de um caso particular, considerado representativo de um conjunto de casos análogos, por ele significativamente representativo” (SEVERINO, 2007, p. 121). A partir da definição do que seria a pesquisa do tipo estudo de caso, foi possível inferir que o presente trabalho se enquadra neste tipo de pesquisa, sendo do tipo qualitativo, uma vez que procura descrever um caso particular, sem partir para a abordagens baseadas em amostras amplas, como seria o caso de uma pesquisa quantitativa. Para complementar, também se valeu de uma pesquisa bibliográfica. O objeto de estudo foi o Complexo Hospitalar de Niterói, sendo utilizado como instrumento de coleta de dados documentos da própria instituição sobre seu consumo de energia e seus gastos com tal insumo.

Além disso, fotografias do local e dados sobre a insolação da região também foram coletados, respectivamente, a partir do uso de uma câmera de smartphone e dos dados do site do Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio Brito (CRESESB) (2018) para a região do centro de Niterói, RJ. Quanto aos equipamentos escolhidos para a composição do sistema fotovoltaico, os mesmos foram encontrados em sites especializados da internet, como, por exemplo, Minha Casa Solar. Para a realização do dimensionamento do projeto de implantação de um sistema fotovoltaico de geração de energia no Complexo Hospitalar de Niterói, foi realizada a caracterização do local, tanto de sua estrutura física como de seu consumo de energia elétrica e da radiação solar incidente no local. Assim, a partir de tais dados, foi realizado o dimensionamento do referido sistema fotovoltaico por meio da escolha dos equipamentos a serem utilizados e da configuração dos mesmos.

Para o dimensionamento do sistema fotovoltaico proposto, optou-se pelo módulo fotovoltaico da Canadian Solar que possui a potência de 405 Wp, o qual apresenta uma área de 2,21 m² na tecnologia de silício policristalino, conforme as especificações técnicas recomendadas pela norma. O dimensionamento consiste, também, em quantificar a incidência solar no local de instalação do sistema fotovoltaico. Assim, a radiação solar global incidente na cidade de Niterói, Rio de Janeiro, foi determinada pelo site do CRESESB (Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio Brito), este que possui uma base de dados confiável que é muito utilizada para este tipo de projeto (PINHO; GALDINO, 2014). Para o cálculo do espaçamento mínimo entre as fileiras de módulos fotovoltaicos a equação 1 foi aplicada.

Onde:

  • d: distância mínima a ser mantida entre as fileiras de módulos (m);
  • Fe: fator de espaçamento;
  • hob: altura do obstáculo (fileira) (m);
  • hi: altura de instalação do gerador fotovoltaico (m).

Assim, o fator de espaçamento para ao ângulo de 23º é de 2, e como os dados do módulo mostram que o mesmo possui as dimensões de 2,108 m x 1,048 m, o espaçamento resultante foi de 3,57 m. Somando este valo à projeção dos módulos inclinados à 23º identificou-se que a distância total foi de 4,13 m. Como a largura dos módulos é de, aproximadamente, 1 m, a área total requerida por módulo obtida foi de 4, 13 m².  Desse modo, basta dividir a área total disponível pela área de cada módulo, para, assim, obter a quantidade de módulos para este sistema. Logo, o resultado obtido foi de 1.161. Nesse contexto, pode-se utilizar a equação 2 para definir a potência de pico deste sistema, como mostrado a seguir (MARIANO, 2017)

Onde:

  • PP: potência fotovoltaica de pico instalada (Wp);
  • Pmód: potência dos módulos;
  • Nmód: quantidade de módulos;

Desse modo, a potência instalada será de 470.168 W, sendo de aproximadamente 470 kWp. Já em relação ao inversor, o mesmo será escolhido com base nos parâmetros dos módulos e da potência do sistema como um todo. Assim, como a potência instalada será de 470 kWp, o inversor deverá suportá-la. Todavia, como a quantidade de inversores é muito grande, 1161, será escolhido um inversor com uma potência um pouco menor, para que sejam utilizados ao menos 2 inversores, de modo a ligar todos os módulos. Nesse sentido, após pesquisa em sites da internet, nacionais e internacionais, foi escolhido o inversor PVS800-57-0250kW-A, cuja potência máxima é de 250 kW, sendo este valor um pouco abaixo da potência de pico do sistema, e, por isso, o inversor escolhido se mostra adequado para o uso de 2 unidades do mesmo.

Todavia, deve-se, também, analisar como os módulos podem ser conectados em série e em paralelo, de modo que a máxima tensão e a máxima corrente que o inversor suporta não sejam ultrapassadas. Considerando os dados apresentados, a partir da folha de dados do equipamento, visualiza-se que a corrente máxima é de 600 A e a tensão máxima é de 900 V. Necessita-se, também, dos dados do módulo, sendo sua tensão de pico igual a 35,5 V e sua corrente de pico igual a 8,48 A. Assim, a equação 3 mostra o máximo de painéis em série que este inversor suporta (GONÇALVES, 2018).

Onde:

  • Vmpmód: Tensão de pico do módulo;
  • Máxsr: Máxima quantidade de módulos em série;
  • Vmpinv: Tensão de pico do inversor.

Nesse contexto, utilizando-se dos dados dos componentes escolhidos para este sistema, o resultado é de 25 módulos em série para cada inversor. Assim, as fileiras terão uma quantidade máxima de 25 módulos com este tipo de conexão. Já em relação ao número de módulos em paralelo, a equação 4 mostra como a quantidade máxima pode ser calculada (PINHO; GALDINO, 2014).

Onde:

  • Cmpmód: Corrente de pico do módulo;
  • Máxpr: Máxima quantidade de módulos em paralelo;
  • Cmáx: Corrente máxima do inversor.

Desse modo, para os dados do sistema, a máxima quantidade de módulos que pode ser conectada em paralelo por inversor é de 71. Sendo assim, como serão necessários 1.161 módulos para compor o sistema e em razão de a quantidade de módulos em série ser de 25, serão usados 46 módulos em paralelo. Outros equipamentos essenciais para o funcionamento do sistema são os disjuntores, sendo que tais dispositivos devem ser escolhidos com base na corrente máxima suportada pelo sistema. Assim, para o lado CC, onde a corrente máxima é de 8,48 A, o disjunto escolhido foi o de 10 A, sendo usados 46 disjuntores.

Já para o lado da saída CA, deverá haver 1 disjuntor para cada saída de inversor, totalizando, assim, 2 disjuntores, sendo que cada um deverá suportar uma corrente de 485 A. O disjuntor com tal característica é o disjuntor industrial da marca WEG, modelo DWB800S500-3DA, que suporta até 500 A. Em relação ao cabeamento necessário, o mesmo não será calculado neste trabalho, uma vez que devido ao espaço ser limitado, o melhor modo de otimizar tal espaço seria com o uso de algum software de simulação para arranjos fotovoltaicos.

4. ANÁLISE E DISCUSSÕES DOS RESULTADOS

A partir dos cálculos apresentados na metodologia, mediu-se a geração de energia mensal que o sistema de geração fotovoltaica interligado à rede produzirá. Segue na tabela 1 a síntese dos resultados.

Tabela 1: Energia mensal produzida para 1 ano

Mês Dias  

Potência Instalada (Kwp)

 

Radiação Solar (kWh/m2)

 

Rendimento do Inversor

 

Energia mensal produzida (kWh)

Janeiro 31 470.168,47 6,18 0,98 88.273.377,63
Fevereiro 28 470.168,47 6,38 0,98 82.311.077,25
Março 31 470.168,47 5,15 0,98 73.561.148,03
Abril 30 470.168,47 4,44 0,98 61.373.911,16
Maio 31 470.168,47 3,59 0,98 51.278.547,85
Junho 30 470.168,47 3,32 0,98 45.892.203,84
Julho 31 470.168,47 3,35 0,98 47.850.455,51
Agosto 31 470.168,47 4,22 0,98 60.277.290,23
Setembro 30 470.168,47 4,41 0,98 60.959.222,57
Outubro 31 470.168,47 5,08 0,98 72.561.287,76
Novembro 30 470.168,47 5,22 0,98 72.155.814,47
Dezembro 31 470.168,47 6,05 0,98 86.416.494,28
Total 802.910.830,60

Fonte: Elaborado pela autora (2020)

A partir dos dados da tabela, é possível inferir que a produção mensal de energia se manteve relativamente estável nos meses de maior insolação no litoral do estado do Rio de Janeiro, que são entre outubro e março. Já nos meses de abril a setembro a produção cai até praticamente metade, o que ocorre no pior mês, que seria junho. Todavia, como na maior parte do ano a cidade de Niterói recebe uma radiação solar acima de 4 kWh/m2, a produção média possui um valor razoável, resultando em uma produção anual acumulada de aproximadamente 800 MWh. Isto posto, pode-se fazer um comparativo com o trabalho de Mariano (2017), cujos resultados de energia acumulada em um ano foram próximos aos encontrados no presente trabalho, uma vez que um dos sistemas propostos pela autora possuía uma potência instalada de 645,81 kWp, sendo localizado na cidade de Curitiba – PR.

Estimou-se que esse sistema gerou 855,46 MWh/ano, sendo um pouco maior do que a potência estimada para o sistema fotovoltaico do presente trabalho, que é de 802,91 MWh/ano, mostrando que a localização do sistema deste estudo de caso contribui bastante para que o mesmo possua um custo benefício melhor do que o localizado em Curitiba, uma vez que um sistema de potência instalada de 470,17 kWp gera quase a mesma energia anual do que um sistema de 645,81 kWp. Além disso, a comparação é válida uma vez que as equações que deram origem aos resultados das energias mensais e anuais de ambos os sistemas são análogas. Todavia, o valor do rendimento nominal do inversor se mostra mais elevado do que a taxa de desempenho prevista no trabalho de Mariano (2017), o que também pode ter influenciado no melhor resultado do presente trabalho.

Além disso, como o sistema fotovoltaico proposto não é capaz de atender a demanda total do Complexo Hospitalar de Niterói, a tabela 2 mostra as porcentagens que tal sistema consegue suprir em relação às demandas total e por unidades.

Tabela 2: Porcentagem das demandas atendidas pelo sistema fotovoltaico

Mês %Total %U4/5 %U2 %U1
Janeiro 10% 37% 498% 14%
Fevereiro 9% 33% 416% 12%
Março 7% 28% 428% 10%
Abril 6% 21% 360% 9%
Maio 6% 21% 411% 8%
Junho 5% 18% 362% 8%
Julho 6% 21% 517% 9%
Agosto 7% 25% 635% 10%
Setembro 7% 22% 586% 11%
Outubro 8% 26% 568% 12%
Novembro 8% 23% 566% 11%
Dezembro 9% 29% 506% 14%

Fonte: Elaborada pela autora (2020)

Conforme mostra a tabela 2, somente a unidade U2 consegue ter sua demanda totalmente suprida pelo sistema de geração fotovoltaico proposto, inclusive com sobra de mais do que o dobro de tal demanda. Todavia, para as unidades restantes, o sistema não consegue suprir nem a metade da demanda, chegando no máximo a 37% no mês de janeiro para a unidade U4/5. Assim sendo, é natural que o referido sistema não chegue a cumprir a demanda total do Complexo Hospitalar de Niterói, chegando, inclusive, a valores percentuais baixíssimos, menores do que 10%.

Desse modo, pode haver a futura necessidade de um novo dimensionamento, caso se tenha mais espaço disponível para a instalação de mais módulos. O trabalho de Mariano (2017) mostra um novo dimensionamento para o aumento da potência gerada pelo sistema fotovoltaico preexistente. Conforme o trabalho desta autora, é preciso um maior rigor em relação ao dimensionamento do possível sombreamento a que os módulos seriam submetidos, de modo a obter a maior eficiência possível do sistema como um todo. Isto posto, é possível calcular a projeção global para o sistema fotovoltaico deste trabalho, conforme é mostrado na tabela 3.

Tabela 3: Projeção global para o sistema fotovoltaico

Fonte: Elaborado pela autora (2020)

Desse modo, a partir da tabela 3, é possível notar, principalmente pela coluna de saldo, que o sistema rapidamente consegue se pagar, uma vez que os valores negativos da referida tabela não chegam ao décimo ano. E, por fim, a partir da realização da projeção global do sistema, foi possível definir os parâmetros da análise econômica do projeto. Os cálculos foram feitos no Excel, pois, na plataforma, existe a fórmula pronta para o cálculo de VPL e TIR, e, assim, bastou determinar os fluxos de caixa desejados e a taxa anual, e, dessa maneira, as contas foram feitas automaticamente. Os cálculos de Payback e ROI foram realizados conforme as definições de ambos, também no Excel. Dessa forma, os resultados obtidos são demonstrados na tabela 4.

Tabela 4: Análise econômica

TAM 11,23%
VPL R$ 1.670.246,66
TIR 19,38%
Payback simples 5,08
Payback descontado 9,02
ROI 49,8%

Fonte: Elaborado pela autora (2020)

Conforme mostra a tabela 4, em relação ao VPL, nota-se que o mesmo teve um valor positivo, o que mostra como este projeto é viável em à este indicador, visto que o mesmo possui, inclusive, um alto valor. Nesse sentido, pode-se citar o trabalho de Gonçalves (2018), pois apontou-se que resultado do VPL foi ainda maior, com um valor de R$ 4.331.810,53, todavia, a taxa mínima de atratividade do trabalho de Gonçalves (2018) foi de 7%, o que explica esta diferença entre os valores. Já em relação ao TIR, nota-se que o mesmo é maior que a TAM, o que significa que o rendimento deste projeto supera a taxa de atratividade mínima desejada, tornando o mesmo viável em relação à este indicador.

Citando ainda o trabalho de Gonçalves (2018), o valor deste autor foi também maior do que o do presente trabalho, pois chegou a 22,04%, porém deve-se destacar que a TAM definida por este autor também influencia nesse resultado aparentemente melhor. Considerando os Paybacks deste projeto, ambos são menores do que a metade do tempo de vida útil do painel, que é de cerca de 12,5 anos, mostrando que este projeto tem um grande tempo para gerar lucros para o consumidor, uma vez que o payback simples foi de cerca de 6 anos e o descontado de apenas 9 anos. E, por fim, o ROI resume o que foi demonstrado pelos outros indicadores, pois mostra um retorno de praticamente 50% para este projeto, destacando o quanto o mesmo pode vir a gerar economia, caso seja implantado.

CONSIDERAÇÕES FINAIS

O presente artigo procurou não só avaliar a viabilidade econômica da implementação de um sistema de produção de energia elétrica por meio de painéis fotovoltaicos no Complexo Hospitalar de Niterói, mas também descrever a teoria base da energia solar fotovoltaica, de modo que o dimensionamento do sistema de geração de energia fosse corretamente entendido e realizado, para que, assim, a viabilidade econômica do projeto fosse evidenciada. A primeira parte deste trabalho, a partir da caraterização do sistema de geração fotovoltaico, mostrou que tal sistema consiste de mais elementos do que apenas o painel solar e que o funcionamento deste depende de uma série de fatores além da própria radiação solar, o que se mostrou útil para que a etapa do estudo de caso fosse corretamente realizada.

A metodologia usada para a realização deste trabalho se mostrou adequada ao que se propôs, uma vez que o projeto do estudo de caso foi corretamente realizado a partir da consolidação do conhecimento teórico adquirido na etapa da revisão bibliográfica. Quanto aos resultados, pode-se destacar que o sistema cumpriu sua função técnica ao gerar a energia requerida. Também o mesmo se mostrou viável economicamente, vide os seus resultados para VPL de R$ 1.670.246,66 para TIR de 19,38%, sendo esse maior que a taxa mínima de atratividade de 11, 23%, e, em relação ao payback simples, o mesmo foi de aproximadamente 5 anos e o payback descontado foi de cerca de 9 anos, e, por fim, o ROI de 50% resumiu a evidente viabilidade econômica do projeto.

Todavia, é preciso considerar que foram feitas simplificações neste estudo de caso, de modo que foi realizado a partir de uma estimação baseada em médias de valores de radiação solar na cidade de Niterói, além da eficiência do sistema como um todo possa ter sido superestimada. Além disso, a relação da geração para abatimento de consumo ponta não é 1:1, o que não gera uma economia tão expressiva quanto desejado. Sendo assim, para uma análise mais criteriosa, é preciso de um estudo que inclua outras variáveis, como, por exemplo, incentivos governamentais de financiamento para implantação de sistemas fotovoltaicos residenciais, encargos previstos nas faturas de energia, simulações computacionais sobre o possível sombreamento dos módulos, entre outros.

Portanto, como sugestão para pesquisas futuras, tem-se a caracterização de uma possível ampliação desse sistema de geração de energia, incluindo um estudo que discorra sobre os possíveis locais para a colocação de mais módulos, de modo a aumentar ao máximo a potência gerada, para que, dessa forma, a demanda atendida seja a mais próxima possível da total.

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[1] Graduada em Engenharia Mecânica pela Universidade Estácio de Sá.

Enviado: Outubro, 2019.

Aprovado: Maio, 2020.

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