Dimensionamento de placas fotovoltaicas para uma Câmara Fria

1. RESUMO

Este trabalho procura apresentar o dimensionamento de um projeto de energia solar fotovoltaica incluindo, princípio de funcionamento, determinação do recurso solar, estado da arte da tecnologia, principais aplicações, regularização de requisitos impostos pela concessionaria vigente, projeto, custos, impactos ambientais, bem como um panorama geral da utilização dos módulos fotovoltaicos.

De forma geral, o sistema solar dimensionado para a aplicação de câmara fria é on-grid, ou conectado à rede, possui um inversor que precisa reconhecer a frequência e a tensão para que ele possa injetar a energia na rede, isso significa que ele precisa estar conectado à rede para funcionar. Por isso, quando o sistema estudado dimensionado de forma equilibrada, é possível chegar a uma conta em que apenas o custo de disponibilidade precisa ser pago basicamente.  Uma questão importante, é que, devido a essa relação entre o sistema e o uso da rede da concessionária, caso essa pare de fornecer energia, o sistema em si também vai parar de injetar energia na rede evitando acidentes durante a manutenção da rede.

Palavras chaves:  energia solar, energia limpa

ABSTRACT

This work seeks to present the sizing of a photovoltaic solar energy project including, operating principle, determination of the solar resource, state of the art of technology, main applications, regularization of requirements imposed by the current concessionaire, project, costs, environmental impacts, as well as an overview of the use of photovoltaic modules.

In general, the solar system dimensioned for the cold room application is on-grid, or connected to the grid, it has an inverter that needs to recognize the frequency and voltage so that it can inject energy into the grid, which means that it needs be connected to the network to work. Therefore, when the studied system is scaled in a balanced way, it is possible to reach an account in which only the availability cost needs to be paid basically. An important issue is that, due to this relationship between the system and the use of the utility's grid, if the utility stops supplying energy, the system itself will also stop injecting energy into the grid, preventing accidents during grid maintenance.

Keywords: solar energy, clean energy

2. INTRODUÇÃO

Energia solar é um termo que se refere à energia proveniente da luz e do calor do sol. É utilizada por meio de diferentes tecnologias em constante evolução. Uma energia limpa e tecnicamente infinita. Uma volta inteira na Terra gera em torno de 1 410 W/m² de energia limpa, ou seja, 174 peta watts disso, aproximadamente 19% são absorvidos pela atmosfera e 35% é refletido pelas nuvens. Para converter essa enorme energia que o sol dispõe para nós é necessário utilizar painéis solares fotovoltaicos. A energia solar fotovoltaica é a energia obtida através da conversão direta da luz em eletricidade sendo a célula fotovoltaica, um dispositivo fabricado com material semicondutor, a unidade fundamental desse processo de conversão.

Criado com o objetivo de gerar energia elétrica a partir da energia solar, os sistemas proporcionam vantagens às empresas que opta por sua instalação. A redução na conta pode chegar até a 95%, já que a empresa fornecedora cobra uma taxa mínima chamada de Custo de Disponibilidade.

O Brasil apresenta grande potencial para geração de energia direta, oriunda dos raios solares, quando comparado com outros países, devido aos elevados índices de radiação. Nesse contexto, o uso da energia solar é, sem dúvida, uma das melhores alternativas para geração de energia, visto que é limpa, ecológica e abundante.

A manutenção do sistema é mínima e pouco onerosa para o consumidor. Afinal, é realizada duas vezes ao ano de maneira simples. Além disso, os equipamentos utilizados têm média de durabilidade de 25 anos.

2.1. OBJETIVO GERAL

Dimensionamento de microgeração distribuída para câmara fria permite que sua própria energia a partir de fontes renováveis como painéis solares, ao produzir a própria energia, além de utilizá-la para o próprio consumo, também é possível fornecer o excedente produzido para nossa rede ou para outra unidade que também esteja sob sua titularidade. Assim, será gerada uma compensação de energia elétrica, onde o excedente será devolvido na forma de um saldo equivalente, proporcionando descontos na sua conta de luz obtendo créditos com a geração fotovoltaica. Através da implantação de um projeto de microgeração distribuída composto por um sistema on-grid interligado a rede local. Com o objetivo deste estudo é dimensionar a implantação do gerador do ponto de vista técnico da concessionária de energia vigente, para cumprir com as exigências requisitadas.

2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

O dimensionamento de placas fotovoltaicas para Câmara fria. Estudaremos a implantação prática dos sistemas de microgeração, compostos por painéis solares, aterramento e isolação galvânica, cabos, string-box, disjuntores CC/CA, inversores CA/CC, seccionadoras, fusíveis, autotransformadores, estrutura de apoio, medidor bidirecional ou dois medidores aptos a registrar os eventos de geração e consumo.

3. ELEMENTOS FÍSICOS

• Fonte geradora: Módulos fotovoltaicos do tipo Poli Cristalino (Si-Poly) que possuem como matéria prima o silício e através de reação com a luz solar produz energia.
• Fixação: Suportes de alumínio compostos por partes de aço inoxidável e galvanizado realizam a fixação da fonte geradora sobre o telhado do imóvel.
• Cabos: Cabos próprios para energia fotovoltaica com diâmetro nominal de 4mm² serão utilizados para a conexão entre os módulos e o inversor. Tais cabos são projetados para trabalhar externamente.
• Conexão: As conexões são realizadas através de conectores do tipo MC4 afim de reduzir emendas que possam apresentar mal contato através do tempo.
• Transformação: A fonte gera energia no padrão CC e se faz necessária a conversão e sincronização desta energia gerada com a energia fornecida pela rede, sistema esse que recebe o nome de On-grid e utiliza-se de um inversor próprio para esta função.
• Proteção: O sistema é protegido por DUAS caixas elétricas conhecidas como String-box e contam com disjuntor bipolar, no lado CA e Fusíveis de 16A, no lado CC, além de DPS de ambos os lados.
• Aterramento: Todo o sistema é devidamente aterrado afim de dar a proteção necessária ao equipamento e possíveis manutenções durante sua via útil.

3.1. Descrição do Sistema

O gerador fotovoltaico tem a capacidade de transformar a energia advinda de fótons emitidos pelo sol em eletricidade, tal geração ocorre de maneira limpa sendo este um dos vários benefícios desta solução que vem ganhando mais expansão a cada dia no Brasil.

Composição do gerador:

• • Módulos: Gera a energia em CC.
  • Micro inversor: Converte a energia CC em CA (mesma que nós utilizamos) e sincroniza com a rede da companhia.
  • Autotransformador 60 Kva
  • Estrutura: suporte para fixação dos módulos.
  • Cabeamentos: Cabos específicos para utilização externa, conta com várias proteções.
  • Quadro elétrico: Permite o comutar a energia que vai para a rede habilitando o equipamento para manutenções, e realiza a proteção do inversor contra possíveis danos que possam se propagar através da rede da companhia.

3.2. Módulos Painéis solares

Módulo fotovoltaico é a unidade formada por um conjunto de células solares, interligadas eletricamente e encapsuladas com o objetivo de gerar eletricidade. O equipamento utilizado e abordado neste projeto é o módulo de silício policristalino (p-Si), são células formadas por diversos cristais fundidos e solidificados direccionalmente, as bordas das partículas de cristais reduzem a eficiência dos módulos policristalinos quando comparados ao monocristalino, por outro lado, sua produção requer menor energia e material, resultando em um custo final menor.

O silício monocristalino é o material mais usado na composição das células fotovoltaicas, atingindo cerca de 60% do mercado. A uniformidade da estrutura molecular resultante da utilização de um cristal único é ideal para potenciar o efeito fotovoltaico. O rendimento máximo atingido em laboratório ronda os 24%, o qual em utilização prática se reduz para cerca de 15%. A produção de silício cristalino é cara.

O silício policristalino, constituído por um número muito elevado de pequenos cristais da espessura de um cabelo humano, dispõe de uma quota de mercado de cerca de 30%. As descontinuidades da estrutura molecular dificultam o movimento de electrões e encorajam a recombinação com as lacunas, o que reduz a potência de saída. Por este motivo os rendimentos em laboratório e em utilização prática não excedem os 18% e 12%, respectivamente. Em contrapartida, o processo de fabricação é mais barato do que o do silício cristalino. (Rui M.G. Castro, 2002)

3.3. Inversor

O papel principal do inversor fotovoltaico no sistema é converter a energia elétrica gerada pelos painéis, de corrente contínua (CC) para corrente alternada (CA) garantindo a segurança do sistema e sincronizando a energia CA com a energia fornecida pela concessionária, o inversor também é o responsável pelo controle de medição da energia gerada, afim de se ter um registro e comparar com o desconto fornecido pela companhia.

3.4. Autotransformador 60 kVA

O papel principal do autotransformador é adequar as tensões de linha de fornecidas pelo inversor 220 Vca para adequar de acordo com as exigências das máquinas ou instalações a serem alimentadas em 127 Vca e um ótima relação custo benefício compactos e indicados quando a instalação não requer isolamento entre primário e secundário.

3.5. Cabeamento

O cabo utilizado na parte fotovoltaica será o energyflex BR 0,6/1Kv (1500Vdc), material unipolar, flexível, com condutor de cobre estanhado, isolação em HEPR e cobertura em PVC com resistência a UVB para tensões até 1 Kv.

3.6. Quadro Elétrico

O quadro elétrico é o conjunto de componentes responsáveis pela segurança e manobra do sistema, os inversores contarão com o quadro elétrico CA E CC facilitando a manutenção caso necessária e aumentando a segurança do sistema. A proteção do lado CA contará com um disjuntor e DPS (Dispositivo de Proteção contra Surto) unipolar 45 kA. A caixa CC conta com fusíveis e DPS tripolar.

4. GERAÇÃO FOTOVOLTAICO NO BRASIL

De acordo com os dados do Balanço Energético Nacional – BEN (2010), documento produzido pela Empresa de Pesquisa Energética (EPE), as fontes renováveis (produtos da cana-de-açúcar, hidroeletricidade, biomassa) responderam por 47,3% em 2009 na matriz energética brasileira, como ilustrado na figura, maior percentual desde 1992, e por 45,5% em 2010 (BEN, 2011).

Figura 1: Perfil da matriz energética brasileira – 2009 - Fonte: EPE. Resultados preliminares /BEN -2010.

Possui uma participação expressiva na matriz energética brasileira. Dessa participação, ao considerar o setor de geração interna de energia, compreende-se que a fonte hidrelétrica atua expressivamente. A mesma respondeu por um percentual superior a 76% da oferta de energia elétrica no ano 2009, como exposto na figura 4, e por 74% em 2010, conforme apresentado no BEN (2011).

5. PERSPECTIVA NO BRASIL

Pesquisas feitas nos últimos 10 anos, resultando em aumento da eficiência dos módulos e diminuição considerável nos custos de produção, sinalizam boas perspectivas futuras, inclusive para aplicações de maior porte. Este futuro depende também do aumento das pressões no Brasil e no Mundo para a utilização de fontes energéticas renováveis e limpas e a continuidade da linha de pensamento governamental dos países industrializados que buscam uma diversificação das fontes de suprimento energético.

5.1. DEMANDA FOTOVOLTAICA NO BRASIL

A demanda por oferta de energia tem se elevado no Brasil, como publicado pela EPE (Jan, 2011), em que o consumo médio no país passou de 150,1 kWh/mês em 2009 para 153,9 kWh/mês em 2010, ano em que o consumo residencial encerrou-se com um aumento de 6,3%. Recentemente, a EPE (Maio, 2012) divulgou que o consumo de energia elétrica na classe residencial apresentou um valor de 7,3% acima do resultado obtido há um ano. Tal elevação se dá em função da existência de um mercado aquecido nos últimos anos e pela oferta de crédito ao consumidor, que contribui no estímulo a aquisição de aparelhos elétricos e, conseqüentemente, no maior consumo de energia. É necessário destacar que o consumo médio de energia por consumidor possui relação com a renda da população e com PIB – Produto Interno Bruto. Se a população passa a ter maior poder aquisitivo, a tendência é que haja uma elevação do consumo de energia. Essa notação pode ser percebida no estudo feito pela EPE (Maio, 2011), o qual relata que de 2005 a 2009 foram incorporadas cerca de 20 milhões de pessoas à classe C.

6. CONCLUSÃO

O projeto de energia fotovoltaica visa viabilizar e dar as condições necessárias para a instalação do sistema de maneira segura e correta tanto para o cliente como para a concessionária. Todos os tópicos aqui citados foram analisados com base nesta instalação, podendo haver variações decorrentes de mudança climática e social. Vale ressaltar que a quantidade de energia gerado pelo sistema não é padronizado, sendo influenciado por diversos fatores de caráter incontrolável, caso o consumo do imóvel venha a subir após a implantação do sistema consequentemente haverá um aumento no valor da conta de energia, tal situação deve ser repassada e acompanhada com o cliente para a extinção de problemas futuros. Conclui-se que a obra de implantação é viável tanto do ponto de vista econômico quanto social e deve ser acompanhada de perto durante o início da entrada em funcionamento afim de verificar se a geração em campo condiz com a proposta informada e possíveis problemas na geração.

7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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Grupo de Trabalho de Energia Solar fotovoltaica – GTEF. Sistemas fotovoltaicos. Manual de Engenharia. 1 ed.  junho de 1995. Acesso em 24/10/2022.

Fraidenraich, N.; Lyra,F. Energia Solar. Fundamentos e Tecnologias de Conversão Heliotermoelétrica e Fotovoltaica. Ed. Universitária da UFPE.1995, 471p. Acesso em 24/10/2022.

Fadigas, E.AF.A Dimensionamento de fontes fotovoltaicas e eólicas com base no índice de perda de suprimento e sua aplicação para atendimento à localidades isoladas. Dissertação de Mestrado. Escola Politécnica, Universidade de São Paulo, São Paulo, 1993, 162p. Acesso em 24/10/2022.

Rui M.G. Castro. Energias Renováveis e Produção Descentralizada. UNIVERSIDADE TÉCNICA DE LISBOA, 2002.  Acesso em 25/10/2022.

III Congresso Brasileiro de Gestão Ambiental. VIABILIDADE ECONÔMICA X VIABILIDADE AMBIENTAL DO USO DE ENERGIA FOTOVOLTAICA NO CASO BRASILEIRO: UMA ABORDAGEM NO PERÍODO RECENTE, Goiânia/GO – 19 a 22/11/2012. Acesso em 25/10/22