DIMENSIONAMENTO SIMPLIFICADO DE UM SISTEMA SOLAR FOTOVOLTAICO CONECTADO À REDE ELÉTRICA PARA UMA RESIDÊNCIA UNIFAMILIAR

UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMIÁRIDO
DEPARTAMENTO DE CIENCIAS AMBIENTAIS E TECNOLOGICAS
BACHARELADO EM CIÊNCIA E TECNOLOGIA
APARECIDA BEZERRA DA SILVA
ENAILMA LUCIANA SILVA

DIMENSIONAMENTO SIMPLIFICADO DE UM SISTEMA SOLAR
FOTOVOLTAICO CONECTADO À REDE ELÉTRICA PARA UMA RESIDÊNCIA
UNIFAMILIAR

Mossoró
2013

APARECIDA BEZERRA DA SILVA
ENAILMA LUCIANA SILVA

DIMENSIONAMENTO SIMPLIFICADO DE UM SISTEMA SOLAR
FOTOVOLTAICO CONECTADO À REDE ELÉTRICA PARA UMA RESIDÊNCIA
UNIFAMILIAR

Trabalho

apresentado

no

curso

de

Bacharelado em Ciência e Tecnologia como
requisito para complementar a disciplina
Fontes Alternativas de Energia, UFERSA,
Campus Central.
Orientador: Profª. Dra. Fabiana Karla de O.
M. Varella

Mossoró
2013

LISTA DE SIGLAS
CC
CA
SFCR
FV
PRS

Corrente Contínua
Corrente Alternada
Sistemas Fotovoltaicos Conectados à
Rede
Fotovoltaico
Previsão de Retorno Simples

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 (a) Anotações de Fuller para Chapin sugerindo um modelo para as células solares
(KAZMERSKI, 2006); (b) Foto do primeiro módulo solar do Bell Laboratory (KAZMERSKI,
2006); (c) Extrato da patente da primeira célula solar, registrada em 1954 por D. M. Chapin e
colaboradores, do Bell Laboratories (BRITO, 2005). ................................................................ 8
Figura 2 – Célula de Silício Monocristalino ............................................................................ 10
Figura 3 – Célula de Silício Policristalino ............................................................................... 10
Figura 4 – Módulo Fotovoltaico de c-Si .................................................................................. 11
Figura 5 - Representação de uma célula HIT ........................................................................... 11
Figura 6 – Módulo Fotovoltaico .............................................................................................. 12
Figura 7 – Painel Fotovoltaico ................................................................................................. 12
Figura 8 – Representação de um sistema de geração de energia elétrica a partir de um sistema
fotovoltaico isolado .................................................................................................................. 13
Figura 9 – Representação de um sistema fotovoltaico híbrido ................................................ 14
Figura 10 – Exemplificação de um sistema fotovoltaico conectado a rede ............................. 14
Figura 11 – Sistema Fotovoltaico Distribuído ......................................................................... 15
Figura 12 – Central Solar com capacidade de 42MW em Moura, Portugal. ........................... 16
Figura 13 – Célula, módulo, série e arranjo FV. ...................................................................... 16
Figura 14 – Número de sistemas fotovoltaicos conectados à rede: (a) dois e (b) apenas um. . 17
Figura 15 – Configuração de um sistema fotovoltaico com inversor central. ......................... 17
Figura 16 – Configuração de um subsistema fotovoltaico com inversores string. .................. 18
Figura 17 – Configuração de um subsistema fotovoltaico com inversor multi-string............. 18
Figura 18 – Configuração de um subsistema fotovoltaico com micro-inversor integrados aos
módulos fotovoltaicos (módulos ca). ....................................................................................... 18
Figura 19 .................................................................................................................................. 19
Figura 20 .................................................................................................................................. 20
Figura 21 .................................................................................................................................. 21
Figura 22 – Especificações Físicas do Módulo Fotovoltaico SM-83KSM. ............................. 24
Figura 23 – Ilustração do Módulo Fotovoltaico SM-83KSM. ................................................. 24
Figura 24 – Arranjo do SFCR .................................................................................................. 26

LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Potência Total Instalada ......................................................................................... 21
Tabela 2 – Consumo de Energia Mensal ................................................................................. 22
Tabela 3 – Especificações Técnicas ......................................................................................... 23
Tabela 4 – Especificações Técnicas ......................................................................................... 23
Tabela 5 – Especificações Técnicas do Inversor Windy Boy 1200/1700 ................................ 24

SUMÁRIO
INTRODUÇÃO
OBJETIVOS
BREVE HISTÓRICO
DEFINIÇÕES E TECNOLOGIA
IMPACTOS
PANAROMA NACIONAL E MUNDIAL
DIMENSIONAMENTO
SIMPLIFICADO
DE
UM
SISTEMA
FOTOVOLTAICO CONECTADO A REDE PARA UMA RESIDÊNCIA
UNIFAMILIAR
8. PREVISÃO DE RETORNO DO INVESTIMENTO
9. CONCLUSÃO
10. REFERÊNCIAS
ANEXOS
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.

6

1. INTRODUÇÃO
Com a crise do petróleo foi necessário pensar em outras fornas de produção de energia, e
com isso a energia solar foi sendo desenvolvida por estudiosos que viram no Sol uma
forma limpa e inacabável de energia, com isso cada vem mais as técnicas foram sendo
estudadas e hoje se torna indispensável do uso da energia solar, sendo ela responsável pela
principal forma de abastecer eletricamente alguns países.
No Brasil este método de energia ainda vem sendo incrementada nos tipos de
abastecimento elétrico, mas devido a grande abundancia da irradiação solar neste país, é
possível que em breve ela torne-se uma das principais fontes de energia do mesmo. Para
que isso aconteça faz- se necessário a elaboração de novas técnicas para que a energia
solar torne-se acessível as famílias brasileiras que ainda não possuem este bem
indispensável e para que a mesma possa melhorar a qualidade da energia já existente no
pais.

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2. OBJETIVOS
2.1. Objetivo Geral
Dimensionar um Sistema Fotovoltaico Conectado a Rede de uma Residência
Unifamiliar e verificar o tempo de retorno financeiro do mesmo.
2.2. Objetivo Específico





Aprofundar os conhecimentos com o tema proposto;
Caracterizar um Sistema Fotovoltaico Conectado a Rede;
Expandir o uso de energias limpas;
Minimizar consumo e gastos com eletricidade.

3. BREVE HISTÓRICO
Em 1839 Edmond Becquerel verificou pela primeira vez que placas metálicas, de platina
ou prata, mergulhadas num eletrólito causavam uma pequena diferença de potencial
quando sujeitadas à luz, nascia assim o que hoje se conhece como efeito fotovoltaico. No
ano de 1877, dois pesquisadores norte americanos, W. G. Adams e R. E. Day usaram as
propriedades fotocondutoras do selênio para elaborar o primeiro dispositivo de produção
de eletricidade por exposição à luz.
Mas a primeira célula solar só surgiu em Março de 1953 quando Calvin Fuller, um
químico dos Bell Laboratories (Bell Labs), em Murray Hill, New Jersey, nos Estados
Unidos da América, elaborou um processo de difusão que injetava impurezas em cristais
de silício, de modo a controlar as suas propriedades elétricas (um processo chamado
“dopagem”). Fuller construiu uma barra de silício dopado com uma pequena concentração
de gálio para que o mesmo pudesse tornar-se condutor, sendo conhecido como silício do
“tipo p” (por conter cargas móveis positivas). Baseando-se nas informações de Fuller, o
físico Gerald Pearson, experimentou mergulhar esta barra de silício dopado num banho
quente de lítio, criando na superfície dessa barra uma zona que continha elétrons livres em
excesso, este silício foi chamado de “tipo n” (por conter carga negativa). A junção entre as
regiões do silício “tipo n” fica em contato com o silício “tipo p” é denominada “junção pn”, esta região contem um campo elétrico constante. Quando analisou esta amostra
eletricamente, Pearson observou que era produzida uma corrente elétrica sempre que a
amostra entrava em contato com a luz, assim o físico acabará de inventar a primeira célula
de silício da história.
Ao observar sua descoberta, Pearson entrou em contato com um colega da Bell Labs, o
engenheiro Daryl Chapin que já estudava as células solares de selênio que já eram
bastante conhecidas, mas continham resultados insatisfatórios, sendo sua eficiência
máxima menor que 1 %. Ao avaliar as células de Pearson observou-se uma eficiência de
aproximadamente 4 %, o que a tornava mais vantajosa em relação à de selênio.
Os estudos de nova célula continuaram e Fuller usou uma difusão de fósforo para fazer
uma dopagem tipo n, e conseguiu uma junção p-n ainda mais eficaz que a antecedente.
Com isso o físico foi usando novas substâncias trocando o gálio por arsênio entre outras.
Os novos experimentos renderam para o estudioso, células com eficiência de 6 %.
Em 25 de abril de 1954 teve sua primeira publicação e pela primeira vez na história a
célula solar foi apresentada numa conferência de imprensa. Os resultados foram

8

publicados no Journal of Applied Physics e sendo registrada uma patente. A Figura 1
exibe um extrato de tal patente e ainda fotos históricas do primeiro módulo solar e mais
uma anotação extraída dos documentos de projeto do laboratório, em que Fuller indica a
Chapin um exemplo de como montar um módulo da célula solar.

Figura 1 (a) Anotações de Fuller para Chapin sugerindo um modelo para as células solares
(KAZMERSKI, 2006); (b) Foto do primeiro módulo solar do Bell Laboratory
(KAZMERSKI, 2006); (c) Extrato da patente da primeira célula solar, registrada em 1954
por D. M. Chapin e colaboradores, do Bell Laboratories (BRITO, 2005).
Fonte: CÂMARA, 2011
Em 1955 foi o ano que se colocou em prática o uso das células solares, este procedimento
foi realizado em Americus, Georgia, sendo usado para alimentar uma rede telefônica da
região. Para tal efeito foram montados nove células de 30 mm de diâmetro cada.
Observou-se que mesmo sendo um método promissor os custos com as células era muito
alto, fazendo com que suas aplicações fossem limitadas a aplicações mais limitadas como
a produção de energia no espaço. O que logo ganhou o apoio da NASA, que em 1958
lançou ao espaço a primeira pilha convencional.
Daí em diante o governo espacial norte americano passou a usar as células solares como a
principal fonte de energia em seus satélites. Não custou para o governo soviético também
adotasse este método de energia e atualmente todos os veículos espaciais utilizam células
solares. Com todo o investimento vindo das empresas espaciais aumentou a tecnologia
desta fonte de energia nas décadas seguintes. Como por exemplo, a substituição do
contacto frontal único por uma rede de contactos cada vez mais fino, o que fez com que
diminuísse a resistência e aumentasse a eficiência.

9

Somente na década de setenta que começou a utilização das células em energia terrestre,
usando a energia solar fotovoltaicos para os sistemas de telecomunicação em regiões
remotas e para boias de navegação.
Em 1973 com o aumento do petróleo foi que começou a cogitar a utilização da energia
solar o que aumentou ainda mais os investimentos para baratear esta tecnologia. A década
de oitenta e noventa foi o auge do incentivo para este desenvolvimento e todos os países
financiavam estudos para conseguir a redução de custo e aumentar a eficiência, as
universidades recebiam verbas dos governantes para financiar estudos na área.
Os países que se destacaram foram à Alemanha, Estados Unidos e o Japão. E os países
sabem cada vez mais que para aumentar a produção desta energia não é necessário apenas
investimentos em células e módulos, mas é preciso a redução do custo unitário.
Em 1998 atingiu-se a marca recorde (24,7 %) de na eficiência com células de silício
monocristalino e em 2005 o grupo Fraunhofer Institut for Solar Energy Systems fez um
anuncio de 20 % de eficiência com celulas de silicio multicristalino. E hoje já é possível a
obtenção de células mais complexas como, por exemplo, as células em cascata (in
tandem) que é fornada com a sobreposição de muitas células semicondutoras, onde cada
uma tem a função de aperfeiçoar um dado comprimento de onda da radiação, o que
permite alcançar aproveitamento superior que 34 %.
4. DEFINIÇÕES E TECNOLOGIA
Através da energia solar foram desenvolvidos sistemas capazes de captar a radiação solar,
transformá-la em energia elétrica, consumi-la e armazena-la. Este tipo de sistema é
denominado de Sistema Fotovoltaico (FV). De maneira geral, um FV possui módulo
fotovoltaico, banco de baterias e controlador de carga, no caso de sistemas autônomos e
inversores. A seguir serão explicitadas algumas definições sobre as principais tecnologias
dos sistemas fotovoltaicos.
4.1. Tecnologias Disponíveis
Os principais semicondutores utilizados para o desenvolvimento das células
fotovoltaicas são: o silício cristalino c-Si, o silício amorfo hidrogenadao a-Si:H, o
Silício do tipo HIT, o teleruto de cádmio CdTe e os compostos relacionados ao
dissulfeto de cobre e índio CuInSe2 ou CIS.
Segundo Câmara, 2011, o C-Si é o que apresenta eficiência em termos de geração
fotovoltaica utilizados em aplicações terrestres. Apresenta na faixa de 15% em
relação aos módulos disponíveis no mercado.
4.1.1. Silício Cristalino (c-Si)
Os silícios monocristalinos e policristalinos são bastantes utilizados para a
produção de células fotovoltaicas. Os monocristalinos (Figura 2) são obtidos a
partir de barras cilíndricas de silícios produzidos em fornos especiais. As células
são obtidas por corte das barras em forma de pastilhas finas, com espessura atual
em torno de 200 µm (PROGRESS IN PHOTOVOLTAICS, 2008, apud
VARELLA, 2009). Os policristalinos (Figura 3) são obtidos a partir da fusão de
porções de silício puro em moldes especiais. Neste processo os átomos não se

10

organizam em um único cristal, formando-se uma estrutura policristalina com
superfícies de separação entre os cristais A eficiência deste tipo de célula, na
conversão de luz em eletricidade, é menor do que as células de silício
monocristalino, variando de 14% (IEA, 2008a) a 20,3% (PROGRESS IN
PHOTOVOLTAICS, 2008, apud VARELLA, 2009). A Figura 4 apresenta um
módulo fotovoltaico de silício.

Figura 2 – Célula de Silício Monocristalino
Fonte: Energia Solar Princípios e Aplicações, Cresesb.

Figura 3 – Célula de Silício Policristalino

11

Figura 4 – Módulo Fotovoltaico de c-Si
Fonte: SunLab Power, 2013
4.1.2. Silício Amorfo Hidrogenado (a-Si)
A eficiência das células de a-Si, filmes delgados, é menor que a eficiência das
células de silício policristalino. Os processos de produção de produção de a-Si
ocorrem em temperaturas menores que 300°C, em processos de plasma, o que
possibilita que estes filmes finos sejam depositados sobre substratos de baixo
custo, como vidro, aço inox e alguns plásticos. Desta forma foram desenvolvidos
painéis solares mais flexíveis, inquebráveis, mais leves, semitransparentes, com
superfícies curvas, que estão ampliando o mercado fotovoltaico por sua maior
versatilidade. Eficiência estabilizada de 13% tem sido demonstrada para células
de pequena área (SHAH et al, 1999, apud CÂMARA).
4.1.3. Silício HIT
As células de Si baseadas em heterojunções, com filmes finos intrínsecos,
surgem como alternativa para fabricação de células solares. Esta célula combina
silício cristalino (c-Si) na forma de wafer e filme fino de silício amorfo
hidrogenado (a-Si:H) na mesma estrutura. A alta absorção na camada de a-Si
reduz a densidade de corrente de curto circuito das células HIT, então a camada
de a-Si tem que ser finas para reduzir perdas na absorção (Zhao et al., 2004).

Figura 5 - Representação de uma célula HIT
Fonte: Câmara, 2011

12

4.1.4. Módulos Fotovoltaicos
São formados por um agregado de células fotovoltaicas. As células produzem,
em geral, uma média de 0,7 Vcc sendo necessária associá-las em série adquirindo
um maior nível de tensão. Os módulos variam na sua forma de acordo com os
fabricantes, sendo conveniente escolhê-los a partir das especificações requeridas
em seu sistema fotovoltaico. Os módulos quando associados, em série ou em
paralelo, são chamados de painéis fotovoltaicos. A Figura 6 mostra um módulo
fotovoltaico e a Figura 7 à representação de um painel fotovoltaico.

Figura 6 – Módulo Fotovoltaico
Fonte: Alibaba, 2013

Figura 7 – Painel Fotovoltaico
Fonte: Energia Solar 2012, Wordpress.

13

4.2. Principais Componentes e Tipos de Sistemas Fotovoltaicos
Os sistemas fotovoltaicos podem ser isolados, híbridos e conectados a rede.
4.2.1. Sistemas Isolados
Sistemas isolados são compostos basicamente pelos módulos fotovoltaicos,
baterias, controladores de carga e inversores. Os módulos são responsáveis pela
captação da energia solar e pela transformação da mesma em energia elétrica. O
banco de baterias serve para armazenar energia para ser utilizada posteriormente,
mas existem alguns casos de sistemas isolados que não necessitam de baterias,
como exemplo há os sistemas fotovoltaicos para abastecimento de água. O
controlador de carga tem a função de comandar a carga e descarga da bateria a
fim de evitar possíveis defeitos na mesma. E os inversores são utilizados para
conversão de corrente contínua em corrente alternada. A Figura 8 representa um
sistema isolado.

Figura 8 – Representação de um sistema de geração de energia elétrica a
partir de um sistema fotovoltaico isolado
Fonte: Energia Solar, Aneel.

4.2.2. Sistemas Híbridos
Este tipo de sistema é mais complexo que os demais, pois possui mais formas de
geração de energia agregadas. Desta forma, a unidade de controle e
condicionamento de potência, irá maximizar a eficiência na entrega da energia
para o consumo. Estes sistemas são bastante utilizados em locais com consumo
de médio e grande porte. Além da unidade de controle há também inversores
para converter CC em CA. Uma simples representação deste tipo de sistema pode
ser visualizada através da Figura 9.

14

Figura 9 – Representação de um sistema fotovoltaico híbrido
4.2.3. Sistemas Conectados a Rede
Nestes tipos de sistemas não há armazenamento de energia e o consumo é
realizado instantaneamente. A potência máxima extraída da radiação solar é
injetada na rede e à medida que a demanda de consumo é maior que a potência
disponível pelo sistema, há a opção de consumo da rede elétrica. Por
conseguinte, quando a demanda de consumo é menor que a potência disponível
pelo sistema, a energia passa a ser injetada na rede sendo vendida para a
concessionária. Os sistemas conectados a rede têm uma grande vantagem que é a
não utilização de banco de baterias e de controladores de carga, reduzindo
bastante o valor final do projeto. Eles necessitam basicamente de módulos
fotovoltaicos e inversores. A Figura 10 mostra a configuração básica do mesmo.

Figura 10 – Exemplificação de um sistema fotovoltaico conectado a rede

15

4.3. Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede Elétrica
Os sistemas fotovoltaicos conectados à rede elétrica (SFCR) podem ser definidos de
duas formas: sistemas fotovoltaicos distribuídos conectados à rede elétrica e sistemas
fotovoltaicos centralizados conectados à rede elétrica.
4.3.1. Sistemas Fotovoltaicos Distribuídos Conectados à Rede Elétrica
São chamados sistemas distribuídos por serem instalados na residência, ou em
estabelecimentos comercias que se deseja o uso da tecnologia. A energia é
consumida diretamente e esta ainda pode ser vendida para a distribuidora. Um
exemplo deste tipo de sistema é mostrado na Figura 11.

Figura 11 – Sistema Fotovoltaico Distribuído
Fonte: Ecopower – Itália, apud Lisita, 2005.
4.3.2. Sistemas Fotovoltaicos Centralizados Conectados à Rede Elétrica
Os sistemas centralizados, como podem ser visualizados na Figura 12,
correspondem às grandes centrais geradoras de eletricidade através da radiação
solar. Elas não abastecem somente um consumidor, como nos sistemas
distribuídos, mas pode ser responsável pelo consumo até de cidades inteiras
dependendo da sua capacidade de geração de energia. Ficam localizadas a
grandes distâncias do ponto de consumo.

16

Figura 12 – Central Solar com capacidade de 42MW em Moura, Portugal.
Fonte: Zilles, 2012.
4.3.3. Gerador Fotovoltaico
O gerador fotovoltaico, por definição, é um conversor estático que transforma luz
em eletricidade. Fisicamente corresponde a uma variedade de dispositivos
capazes de realizar essa conversão, como as células fotovoltaicas, os módulos
fotovoltaicos ou algum tipo de combinação elétrica entre eles (ALMEIDA,
2012).
Dependendo da quantidade de energia que se pretende gerar, é necessária a
configuração de módulos em série, formando painéis. Ainda podemos associar
diversos painéis em paralelo para gerar ainda mais energia. De acordo com
Almeida, 2012, os módulos associados em série são chamados de Série FV
(fotovoltaico) e as séries de módulos associados em paralelo de Arranjo FV. A
Figura 13 ilustra estas configurações.

Figura 13 – Célula, módulo, série e arranjo FV.
Fonte: Almeida, 2012.

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4.3.4. Inversor Fotovoltaico
Um inversor fotovoltaico, ou simplesmente inversor, converte a potência em
corrente contínua proveniente do gerador fotovoltaico em potência em corrente
alternada que, em condições normais, é injetada na rede elétrica. Os inversores
modernos possuem alta eficiência, seguimento no ponto de máxima potência do
gerador fotovoltaico, medidas de segurança para desconexão da rede em
condições adversas, mecanismos de anti-ilhamento, medição de parâmetros
elétricos, dentre outas funções (ALMEIDA, 2012).
4.3.5. Configurações de Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede
Um sistema fotovoltaico pode ser configurado de duas formas: vários pontos de
conexões na rede ou apenas um. A Figura 14 ilustra estes dois tipos de conexões.
O sistema pode ainda apresentar vários inversores, conectados em paralelo no
caso de sistemas monofásicos, podendo existir vários subsistemas fotovoltaicos
interligados.

Figura 14 – Número de sistemas fotovoltaicos conectados à rede: (a) dois e (b)
apenas um.
Um subsistema pode apresentar a configuração do inversor de forma central,
string (série), multi-string ou módulo ca.
Os sistemas com configuração de forma central (Figura 15) é utilizada para
baixas potências, sendo sua principal vantagem à redução de custos.

Figura 15 – Configuração de um sistema fotovoltaico com inversor central.

18

A ligação do inversor na forma string permite a conexão de apenas uma série FV
proporcionando um aumento da eficiência energética e da confiabilidade do
sistema. A Figura 16 ilustra esta configuração.

Figura 16 – Configuração de um subsistema fotovoltaico com inversores string.
Na forma Multi-string, como pode ser visualizado na Figura 17, aumenta as
vantagens citadas para a forma string, pelo fato de permitir o controle individual
de tensão de operação de cada série fotovoltaica em apenas um inversor, que
possui um conversor cc/ca central (ALMEIDA, 2012).

Figura 17 – Configuração de um subsistema fotovoltaico com inversor multistring.
Fonte: Almeida 2012.
Os inversores no módulo ca (Figura 18), são assim chamados pois são microinversores integrados e sua utilização implica na inexistência de perdas devido as
associações dos módulos fotovoltaicos.

Figura 18 – Configuração de um subsistema fotovoltaico com micro-inversor
integrados aos módulos fotovoltaicos (módulos ca).
5. IMPACTOS
A utilização de Energia Solar como um todo implica em impactos socioeconômicos,
socioambientais, socioculturais e socioeducativos. Os socioeconômicos estão relacionados
com a baixa eficiência dos sistemas de conversão de energia, tornando necessária a
utilização de grandes áreas para a maior eficiência na captação de energia, os
socioambientais referem-se à energia limpa que ela produz, os impactos socioculturais e
socioeducativos estão ligados aos avanços tecnológicos, proporcionados às comunidades e
as redes de ensinos locais e as mudanças de hábitos de determinadas populações.
Os impactos, positivos e negativos, estão citados nos tópicos a seguir:

19



Impactos positivos: Gera energia mesmo em dias nublados; Gera energia de 12 volts
(corrente contínua); Sistema Modular levíssimo; simples instalação, com fácil
manuseio e transporte, podendo ser ampliado conforme sua necessidade; Grande vida
útil, acima de 25 anos; Compatível com qualquer bateria; funcionamento silencioso;
Manutenção quase inexistente; Não possui partes móveis que possam se desgastar;
Não produzem contaminação ambiental; Redução de perdas por transmissão e
distribuição de energia, já que a eletricidade é consumida onde é produzida; Redução
de investimentos em linhas de transmissão e distribuição; Baixo impacto ambiental; A
não exigência de área física dedicada; Fornecimento de maiores quantidades de
eletricidade nos momentos de maior demanda (ex.: o uso de ar-condicionado é maior
ao meio-dia no Brasil, quando há maior incidência solar e, consequentemente, maior
geração elétrica solar); Rápida instalação, devido à sua grande modularidade e curtos
prazos de instalação, aumentando assim a geração elétrica necessária em determinado
ponto ou edificação.



Impactos negativos: as células fotovoltaicas necessitam de tecnologia sofisticada para
sua fabricação; possuem custo de investimento elevado; o rendimento real de
conversão de um módulo é reduzido (o limite teórico máximo numa célula de silício
cristalino é cerca de 28%), face ao custo do investimento; Necessita de um
armazenador de energia; seu rendimento é dependente do índice de radiação,
temperatura, quantidade de nuvens, dentre outros.

6. PANAROMA MUNDIAL E NACIONAL
Nos países desenvolvidos a energia solar fotovoltaica já está em funcionamento a bastante
tempo, o que os leva a possuir uma tecnologia bastante desenvolvida em relação aos
países em desenvolvimento. O que os levou a utilizar este tipo de energia foi o fato de ser
uma fonte limpa de geração de energia e pela falta de outros recursos naturais. Dentre
estes países destacam-se os EUA, Espanha, Alemanha e Japão de acordo com a figura 1.

Figura 19 - Potência acumulada instalada de sistemas fotovoltaicos na Alemanha,
Espanha, Japão e EUA, em MW (1992-2007).
Fonte:IEA-PVPS, 2008b apud Jannuzzi, Varella, Gomes, 2009

20

De acordo com a figura1 observa-se que a energia solar vem aumentando a cada ano,
tornando-se responsável por aproximadamente 8000 MW de potencia em todo mundo,
sendo está energia conectada a rede ou isolada.

Figura 20 - Potência acumulada instalada de sistemas fotovoltaicos em países no mundo
conectados ou não à rede elétrica, em MW (1992–2007). Fonte:
Fonte: IEA-PVPS, 2008b apud Jannuzzi, Varella, Gomes, 2009
O Brasil está em fase de desenvolvimento neste tipo de tecnologia, levando em
consideração o grande potencial de irradiação solar do país (Figura 21) vem aumentando o
interesse em estudar e aplicar a energia solar. As principais formas de utilização são para
aquecimento de água, principalmente na região Sul e para o abastecimento de luz elétrica,
em especial nas regiões Norte e Nordeste, onde ainda é precário o sistema de iluminação
elétrica.

21

Figura 21 - Media anual de insolação diária no Brasil (horas)
Fonte: ANEEL, 2013.
7. DIMENSIONAMENTO SIMPLIFICADO DE UM SISTEMA FOTOVOTAICO
CONECTADO À REDE PARA UMA RESIDÊNCIA UNIFAMILIAR
A metodologia utilizada será baseada nos seguintes autores: Joaquim Carneiro (2009),
Valderi Silva (2013) e Marcelo Almeida (2012).
O dimensionamento de um SFVCR envolve uma série de etapas, entre as quais se
destacam aquelas associadas ao processo de cálculo da energia elétrica produzida pelo
gerador fotovoltaico. É conveniente determinar como será à saída de potência de cada um
dos módulos e, partir daí, entender como será o comportamento deles ao serem reunidos
dentro de um gerador em operação (ZILLES et al., 2012, apud SILVA, 2013).
O dimensionamento do sistema FV será realizado com base na potência instalada da
residência, consumo de energia e área disponível para instalação do sistema. A Tabela 1
mostra a potência total instalada na residência.
Tabela 1 – Potência Total Instalada
POTÊNCIA INSTALADA DA RESIDÊNCIA
Potência
Potência Final
Descrição
Quantidade
(W)
(KW)
Geladeira
85,00
01
0,09
Televisão
54,00
01
0,05
Lâmpada Fluorescente
98,00
07
0,69
Liquidificador
750,00
01
0,75
Computador
400,00
02
0,80
Microondas
700,00
01
0,70

22

Aparelho de DVD
Ventilador
TOTAL

420,00
240,00
2747,00

01
03
17,00

0,42
0,72
4,22

O consumo mensal foi tomado com base nos dados do ano de 2012 (ANEXO). A Tabela
2 apresenta os valores de consumo da residência no ano de 2012. O custo com o consumo
de energia anual da residência foi igual a R$ 1.047,27 (Dado obtido a partir dos valores
cobrados nas faturas pela concessionária, ver ANEXO).
Tabela 2 – Consumo de Energia Mensal
CONSUMO DE ENERGIA DA
RESIDÊNCIA
Mês

Consumo (kWh)

Janeiro
Fevereiro
Março
Abril
Maio
Junho
Julho
Agosto
Setembro
Outubro
Novembro
Dezembro
ANUAL

263,00
225,00
274,00
256,00
275,00
266,00
249,00
286,00
292,00
299,00
250,00
250,00
3.185,00

A residência possui 6,80 m de comprimento e 5,90 m de largura com uma área total de
40,12 m².
7.1. Dimensionamento do Gerador Fotovoltaico
Em primeiro lugar deve ser escolhido o local de instalação do sistema. Deve ser livre
de sombra de árvores e edifícios vizinhos para que o sol seja aproveitado durante todo
o dia. Para este dimensionamento será levado em conta à instalação do sistema no
telhado da residência, ocupando entre 15 m² e 16 m².
Em segundo lugar deve ser analisada a potência do gerador. Segundo ALVARENGA
apud SILVA (2013), cada KW instalado necessita de 10 m², de um investimento de
R$ 6.000,00 a R$ 10.000,00 e gera em média 1,3 a 1,5 MWh/ano. Com base nestas
informações estipula-se que o gerador proposto com, aproximadamente, 15 m² de
área necessitará de um investimento de R$ 15.000,00. Com um potência de 1,5 KW, a
geração estimada será de 1,95 MWh/ano (1,3 MW/ano x 1,5 KW), ou seja, 162,5
KWh/mês.
7.2. Módulo Fotovoltaico

23

O módulo fotovoltaico de ser escolhido com o certificado de qualidade
Procel/Inmetro, ISO 9001 e disponibilidade no mercado (SILVA, 2013). O módulo
selecionado para este sistema fotovoltaico possui o fabricante Kyocera, SM-83KSM.
As Tabelas 3 e 4 apresentam as especificações técnicas do módulo fotovoltaico SM83KSM.
Tabela 3 – Especificações Técnicas

Fonte: Koycera, 2013.
Tabela 4 – Especificações Técnicas


24

A área total do módulo fotovoltaico SM-83KSM, 0,623 m², é ilustrado na Figura 21
através de suas dimensões e a Figura 22 ilustra o mesmo.

Figura 22 – Especificações Físicas do Módulo Fotovoltaico SM-83KSM.

Figura 23 – Ilustração do Módulo Fotovoltaico SM-83KSM.
7.3. Inversor
O inversor deve estar de acordo com as normas da ABNT NBR 5410/04 e normas da
concessionária local (frequência, tensão, aterramento etc.). O inversor é especificado de
acordo com a disponibilidade no mercado, preço por watt etc. (SILVA, 2013).
O Inversor utilizado na proposta será o Windy Boy 1200/1700 da SMA com o custo
aproximado de R$ 4.000,00 e potência máxima de 1850 W. As principais especificações
técnicas do inversor estão citadas na Tabela 5.
Tabela 5 – Especificações Técnicas do Inversor Windy Boy 1200/1700

25

Fonte: SMA, 2013.
7.4. Configuração dos Módulos Fotovoltaicos e do Inversor
Segundo Silva (2013), a potência nominal total de módulos ligados em cada inversor
não pode ser maior que 110% da potência máxima de corrente contínua do inversor:
Pmódulos = 1,1 x Pinversor
Pn = 1,1 x 1850
Pn = 2035 W
Cada painel tem potência de 83 W. Quando se divide a potência total de 1850 W pela
máxima potência máxima de cada módulo encontra-se a quantidade máxima de
módulos poderão ser ligados ao inversor, ou seja, de acordo com a área disponível
para a instalação do sistema e o gerador dimensionado, será ligados um inversor, 14
módulos.
Os painéis só podem ser ligados em série se a soma das tensões de curto circuito
aberto (19,7 V para o gerador Koycera proposto) não pode ser maior que 90% da
tensão de corrente contínua máxima do inversor. A tensão máxima de cada inversor é
igual a 480 V, então:
Tensão = 0,9 x Tinv
Tensão = 0,9 x 480 V
Tensão = 432 V

26

Assim, dividindo 432 V por 33,2 V concluímos que apenas 21 módulos podem ser
instalados, na forma string, no inversor.
O arranjo do Gerador está ilustrado na Figura 24. O SFCR utilizará apenas um
inversor da SMA – Windy Boy 1200/1700, com 14 módulos Koycera no inversor.

Figura 24 – Arranjo do SFCR
7.5. Produção de Energia
De acordo com SOLENERG, apud SILVA (2013), a estimativa de produção pode ser
encontrada utilizando as seguintes expressões:


Geração anual (MWh/ano) = Potência de cada módulo (Wp) x número de
módulos x nível médio de radiação solar (h) x eficiência global x 365 dias x
10-6



Geração anual (MWh): Estimativa da geração de energia elétrica injetada na
rede;



Potência de cada módulo (Wp): Potência nominal do módulo selecionado em
Wp;



Número de módulos: Quantidade de unidades de módulos fotovoltaicos;



Nível médio de radiação solar (h): Nível médio anual de radiação solar do
local de instalação, plano inclinado igual à latitude, em horas de insolação
máxima ou kWh/m²/dia;



Eficiência global (pu): Performance ratio – Fator que leva em conta as perdas
nos módulos fotovoltaicos, no inversor, na instalação etc. e que poderá ser
otimizado e calculado pelo software. Valor típico: 0,7 a 0,8. Utilizamos para
cálculos preliminares o valor de 0,8.

27



De acordo com o programa Sundata, o nível médio da radiação solar obtido no
plano horizontal para a cidade de Mossoró, latitude 5,187500º Sul e longitude
37,344166º, foi 5,50 kWh/m²dia. Aplicando a expressão, temos:
Geração anual = 83 Wp x 14 x 5,50 h/dia x 0,8 x 365 x 10-6
Geração anual = 1,9 MWh/ano ou 158,33 Wh/mês

8. PREVISÃO DE RETORNO DO INVESTIMENTO
A estimativa de custos, segundo SOLENERG, apud, SILVA (2013), pode ser feita com
um cálculo simplificado do MWh gerado usando-se a expressão:
Custo (R$/MWh) = valor do investimento x (taxa anual de juros + taxa
de depreciação + taxa de depreciação)/100 )/Geração
Para o valor do investimento (MWh/ano), deve ser considerado o custo do projeto e
instalação acrescendo um valor entre 20% a 25% dos custos dos módulos e dos
inversores. A taxa anual de juros reais poderá ser considerada uma taxa real subsidiada de
3% ao ano e sem inflação. A taxa de depreciação será de acordo com a vida útil do
gerador que está em torno de 30 anos, ou seja, uma taxa de 3,33%ao ano. Para a
manutenção do sistema FV, vamos considerar uma taxa de 1% ao ano (SOLENERG, apud
SILVA, 2012).
O custo estimado para os módulos foi R$ 1.000,00, portanto, como o SFCR será instalado
com 14 módulos temos um total de R$ 14.000,00 e o inversor custa, aproximadamente,
R$ 4.000,00.
Logo, o custo total para investimento do sistema fotovoltaico conectado à rede elétrica,
acrescido de mais 20% da instalação é de R$ 21.600,00.
Para avaliação da viabilidade econômica, serão utilizados os dados fornecidos pela Aneel
e Cosern.
Custo Tarifa Convencional (B1-Residencial): 363,73 R$/MWh
O objetivo é calcular o custo do MWh gerado pelo sistema FV e compará-lo com o valor
do MWh da concessionária Cosern. Calculando o custo do MWh do sistema FV temos:
Custo (R$/MWh) = R$21.600,00 x ( 3% +3,33% + 1% ) / 100 / 1,9
Custo (R$MWh) = R$ 1.583,28 / 1,9 MWh
Custo = 833,31 R$/MWh ou 0,833 R$/kWh
O prazo necessário para recuperar o investimento realizado, LISITA (2005), resulta da
relação entre o investimento inicial em eficiência energética e as economias obtidas a cada
ano, logo:
PRS (Previsão de Retorno Simples) = Investimento R$ / Economia por ano R$
Na Tarifa Convencional = 1,9 MWh x 363,73 R$/MWh = R$ 691,09

28

Considerando os custos das tarifas praticadas pela Cosern, haverá uma economia de R$
691,09 por ano e calculando o PRS,
PRS = R$ 21.600,00 / R$ 691,09 = 31 anos e 3 meses
O retorno do investimento está previsto para 31 anos e 3 meses, ou seja, a instalação do
sistema fotovoltaico conectado à rede não é viável..
Os valores foram encontrados considerando apenas a tarifa verde de consumo na ponta
disponível no Manual de Orientação da Cosern.

29

9. CONCLUSÃO
Com a possibilidade de interligação de sistemas conectados à rede, tornou-se possível
mais uma forma de redução de custos com consumo de energia. Este tipo de tecnologia
está se desenvolvendo no país e tem capacidade de tomar conta do mercado.
O Brasil possui ótimos índices de radiação por toda a sua extensão, mas os custos ainda
são vistos como desvantagens ante ao leque de recursos disponíveis para exploração de
outras fontes alternativas de energia. Daí, com a aprovação da Resolução normativa n°
482 (ANEEL, 2012) torna-se promissor o investimento SFCR.
Apesar de promissora, ainda não é vantajosa à instalação de sistemas fotovoltaicos
conectados à rede, pois o tempo de retorno de investimento é muito alto. Não compensa a
instalação de um sistema visto que sua vida útil se torna menor que o tempo de retorno
previsto.

30

10. REFERÊNCIAS

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