Artigo Lincoln Final _2

ENGENHARIA/ENGINEERING
55
ESTUDO DA VIABILIDADE ECONÔMICA DA IMPLANTAÇÃO RESIDENCIAL DE
PAINÉIS FOTOVOLTAICOS AUTÔNOMOS NO MUNICÍPIO DE UBERABA/MG
CUNHA, G.H.B 1; GOUVÊA, L.R 2
1
Mestre em Engenharia Elétrica, Faculdade de Engenharia Elétrica – FEELT da Universidade Federal de Uberlândia,
Uberlândia (MG), e-mail: [email protected].
2
Pós-Graduando em Geração de Energia, Faculdades Associadas de Uberaba, Uberaba (MG), e-mail:
[email protected].
RESUMO: Nas últimas décadas o consumo mundial de energia tem se tornado um dos grandes desafios a ser superado
pelo homem. A busca por fontes de energias renováveis e não poluentes tem sido uma das estratégias de diversificar a
matriz energética de países, de modo que estes atinjam uma produção sustentável e independente. O Brasil possui várias
alternativas de fontes renováveis e pouco exploradas de energia, nos colocando em uma posição privilegiada perante
outros países. A posição geográfica do nosso país destaca o nosso potencial de energia solar fotovoltaica, até então pouco
explorado. O presente trabalho visa apresentar o tempo de retorno financeiro em projetos de aplicação de painéis
fotovoltaicos como opção para redução do consumo de energia elétrica convencional em uma residência com consumo
médio mensal de 190 kWh em nosso município.
PALAVRAS CHAVE: Energia solar fotovoltaica. Fontes de energias renováveis. Viabilidade econômica.
ECONOMIC FEASIBILITY STUDY OF THE IMPLEMENTATION OF RESIDENTIAL PHOTOVOLTAIC
PANELS IN THE MUNICIPALITY OF INDEPENDENT UBERABA / MG
ABSTRACT: In recent decades, global energy consumption has become a major challenge to be overcome by man. The
search for renewable energy sources and clean has been one of the strategies to diversify the energy mix of countries, so
that they achieve a sustainable and independent. Brazil has several alternatives of renewable energy and little explored,
putting us in a privileged position against other countries. The geographical position of our country highlights our potential
for solar photovoltaics, hitherto unexplored. This paper presents the turnaround time financial application projects
photovoltaic panels as an option for reducing consumption of conventional electricity in a residence with average monthly
consumption of 190 kWh in our municipality.
KEY WORDS: Economic viability. Renewable energy sources. Solar photovoltaic energy.
INTRODUÇÃO
O crescimento da população mundial, agregado ao
desenvolvimento tecnológico e o aumento acelerado da
demanda de energia elétrica por parte das indústrias, a
necessidade de diminuir a dependência de combustíveis
fósseis e a preferência por fontes de energia que não
poluem tem levado à busca de novas fontes de energia.
Embora ainda tímidas e com participação muito
reduzida na matriz energética mundial, o uso das fontes
alternativas vem crescendo muito em todo planeta
(VILLALVA; GAZOLI, 2012).
Relatório da Agência Internacional de Energia
mostra como tem crescido o consumo de energia elétrica
no mundo desde 1980 e faz uma previsão de como será
esse consumo até 2030. Em 1980 o mundo todo consumia
cerca de 7.000 GWh de eletricidade. Segundo previsões
desta mesma agência, esse número vai subir para quase
30.000 TWh em 2030.
Uma das possíveis soluções para o problema é a
cogeração de energia elétrica, apresentando-a como uma
solução para o futuro, pois a partir das novas tecnologias é
possível, no próprio local de consumo, transformar e
disponibilizar energia elétrica em quantidade suficiente
FAZU em Revista, Uberaba, n.10, p. 55-59, 2013
com alta eficiência já que não ocorrem perdas por
transporte de energia em alta tensão.
Sendo assim, a disponibilização de energia elétrica
a partir do aproveitamento da energia solar através de
painéis fotovoltaicos, e a sua conexão com a rede elétrica
de distribuição, é uma realidade em diversos países e vem
crescendo e se consolidando como uma forma sustentável
de obtenção de eletricidade (LISITA, 2005),
caracterizando-se como um processo de cogeração.
Nos painéis fotovoltaicos, a radiação solar que
incide sobre o planeta Terra, de forma abundante, podendo
inclusive ser considerada uma fonte inesgotável, é
absorvida por um conjunto de células fotovoltaicas. Essas
células são compostas por uma mistura de material
semicondutor (silício) e uma substância dopante, a
exemplo do Boro, que ao receber radiação solar, resulta no
deslocamento de elétrons e em decorrência disso a geração
de corrente elétrica.
Atualmente a energia solar fotovoltaica no Brasil é
empregada principalmente em pequenos sistemas isolados
ou autônomos instalados em locais não atendidos pela rede
elétrica, em regiões de difícil acesso ou onde a instalação
de linhas de transmissão de energia elétrica não é
economicamente viável (VILLALVA; GAZOLI, 2012).
ENGENHARIA/ENGINEERING
56
É possível determinar para uma latitude geográfica
um ângulo de inclinação que possibilite uma boa produção
média de energia ao longo do ano (VILLALVA; GAZOLI,
2012).
O objetivo deste trabalho é verificar a viabilidade
econômica de um projeto de conversão de energia solar em
energia elétrica para uma residência que apresenta um
consumo elétrico médio mensal de 190 KWh a partir da
utilização de painéis fotovoltaicos no município de
Uberaba/MG.
Figura 1 – Variação do consumo mensal de energia elétrica
em KWh no período de maio de 2012 a abril de 2013.
MATERIAL E MÉTODOS
Para o desenvolvimento deste artigo foi realizado
um estudo do local para implantação do sistema
fotovoltaico sendo identificado como uma residência
familiar, localizada na cidade de Uberaba/MG, residência
esta espaçada de regiões de sombreamento, o local
caracteriza-se como uma área disponível para instalação de
painéis fotovoltaicos de 100,00 m² correspondentes à área
de cobertura da residência.
A determinação do consumo médio mensal e diário
de energia elétrica desta residência, custos com pagamento
pelo consumo de energia elétrica e demais informações
foram extraídas das faturas mensais referentes ao período
compreendido entre o mês de maio do ano de 2012 ao mês
de abril do corrente ano, conforme demonstrado na Tab. 1.
Tabela 1 – Detalhamento do consumo de energia elétrica
no período.
Consumo
médio
(KWh)
Custo
(R$)
Dias de
Consumo
mês
Média
diária
(KWh/dia)
maio
214
150,85
31
6,9
jun.
192
122,36
30
jul.
210
146,98
31
Mês
Para um melhor aproveitamento do potencial
energético solar, os painéis fotovoltaicos devem ser
posicionados de forma adequada.
Considerando que o município de Uberaba/MG está
localizado no hemisfério sul, a orientação solar favorável
para os painéis é que os mesmos sejam instalados com a
sua superfície direcionada para o norte geográfico.
A TAB. 2 mostra o ângulo de inclinação
recomendado para diversas faixas de latitude geográfica.
Não se recomenda a instalação com ângulos de inclinação
inferiores a 10º para evitar o acúmulo de poeira sobre as
placas.
Tabela 2 – Escolha do ângulo de inclinação do módulo
solar.
Latitude geográfica
do local
Ângulo de inclinação
recomendado
6,4
0º a 10º
α=10º
6,77
11º a 20º
α=latitude
α=latitude + 5º
ago.
159
106,18
31
5,12
21º a 30º
set.
185
124,30
30
6,17
31º a 40º
α=latitude + 10º
out.
202
141,27
31
6,51
41º ou mais
α=latitude + 15º
nov.
191
127,23
30
6,37
dez.
168
112,90
31
5,42
jan.
201
139,80
31
6,48
fev.
169
101,62
28
6,03
mar.
189
103,28
31
6,09
abr.
199
107,31
30
6,64
Somatório
2279
1484,08
365
-
Média
189,92
123,67
30
6,24
A partir do gráfico representado pela FIG. 1 pode-se
verificar a variação do consumo de energia elétrica na
residência no período.
FAZU em Revista, Uberaba, n.10, p. 55-59, 2013
Fonte: Installation and Safety Manual of the Bosch Solar
Modules, 2013.
Considerando que o município de Uberaba/MG está
situado com latitude sul de 19º, o ângulo de inclinação dos
painéis fotovoltaicos deve ser também de 19º.
O sistema de painéis fotovoltaicos autônomos
utilizados no projeto é composto por baterias de chumbo
ácido de 12 V com descarga máxima de profundidade de
50% e que armazenam energia por dois dias de uso, utiliza
um controlador de carga convencional do tipo liga/desliga,
ainda o sistema é formado por módulos fotovoltaicos do
modelo LD135R9W do fabricante LG, a tensão de
alimentação dos equipamentos é de 127 V e a tensão do
banco de baterias é de 24 V.
Conforme a FIG. 2, o município de Uberaba/MG
está localizado em uma região que recebe uma insolação
anual média diária de 7 horas.
ENGENHARIA/ENGINEERING
57
Figura 2 – Insolação diária, média anual
PM = Potência do módulo [W]
H s = Horas diárias de insolação [horas]
A potência do módulo é calculada pela Eq. 2:
PM = ISC * VBAT
(2)
sendo:
ISC = Corrente de curto circuito do módulo [A]
VBAT = Tensão da bateria ou banco de baterias [V]
Para esse caso a potência produzida pelo módulo
será:
PM = 81,96W
E a energia média produzida pelo mesmo módulo
diariamente será:
Fonte: Atlas Solarimétrico do Brasil, 2000.
Primeiramente será realizado o cálculo da energia
produzida por cada módulo fotovoltaico utilizando o
método da corrente máxima do módulo.
Segundo Villalva e Gazoli (2012, p. 137), o método
da corrente máxima do módulo considera-se que não é
possível ter o aproveitamento máximo da energia solar,
pois o sistema fotovoltaico não está equipado com o
recurso de MPPT (rastreamento do ponto de máxima
potência do módulo).
Para esse cálculo da energia produzida pelo
módulo, utilizaremos características do módulo em sua
folha de dados.
Para o desenvolvimento desses cálculos será
utilizada as características NOCT (condições normais de
operação do módulo), conforme apresentado pela Tab. 3.
Essas condições condizem de forma apropriada para o
presente estudo.
Tabela 3 - Características em NOCT do módulo
LD135R9W.
Potência máxima
98,23 W
Tensão de máxima potência
Corrente de máxima
potência
15,54 V
Tensão de circuito aberto
19,99 V
Corrente de curto circuito
6,83 A
A energia consumida diariamente pelo sistema
fotovoltaico autônomo em pauta conforme a Tab. 1 é de
6,24 KWh, logo a energia média armazenada pelo banco
de baterias é:
E A = 12,480 KWh
Determinar o número de baterias em série, para isso
utilizaremos a Eq. 3:
N BS = VBANCO / VVBAT
(3)
sendo:
N BS = Número de baterias ligadas em série
VBANCO = Tensão do banco de baterias [V]
VVBAT = Tensão da bateria utilizada [V]
Logo o número de baterias ligadas em série no
nosso sistema será:
6,32 A
N BS = 2
Fonte: Folha de dados Off-grid Solar Module LD135R9W
/ LD130R9W / LD125R9W
O cálculo da energia produzida pelo módulo por
esse método é feito pela Eq. 1:
E P = PM * H s
E P = 573,72Wh
(1)
sendo:
E P = Energia produzida pelo módulo diariamente
A capacidade do banco de baterias é determinada
pela Eq. 4:
C BANCO = E A / VBANCO
(4)
sendo:
C BANCO = Capacidade de carga do banco de
baterias em ampere hora [Ah]
E A = Energia armazenada no banco de baterias
[Wh]
VVBANCO = Tensão do banco de baterias [V]
[Wh]
FAZU em Revista, Uberaba, n.10, p. 55-59, 2013
ENGENHARIA/ENGINEERING
58
Logo a capacidade do banco de baterias empregado
será:
C BANCO = 520 Ah
A energia armazenada também pode ser calculada
pela Eq. 5:
E A =E C / PD
(5)
sendo:
E C = Energia consumida [Wh]
PD = Profundidade de descarga permitida [%]
Logo a energia armazenada pelo banco será:
E A = 12,480 KWh
Determinar o número de baterias em paralelo para
constituir o banco com a capacidade desejada utilizando-se
a Eq. 6:
N BP = C BANCO / C BAT
(6)
sendo:
N BP = Número de conjuntos de baterias ligados em
paralelo
C BANCO = Capacidade de carga do banco de
baterias em ampere hora [Ah]
C BAT = Capacidade de carga de cada bateria em
ampere hora [Ah]
Logo o número de conjuntos de baterias ligados em
paralelo no nosso sistema, utilizando-se baterias com
capacidade de carga de 240 Ah será:
N BP = 2,16
O número 2,16 pode ser alterado para 2 ou 3, neste
projeto utilizaremos 3 conjuntos de baterias ligados em
série.
Devemos calcular o número de módulos utilizados
no sistema, o qual é determinado pela Eq. 7:
N = Ec / EP
(7)
sendo:
N = Número de módulos empregados no sistema
Logo o número de módulos empregados no sistema
será:
N = 10,87
FAZU em Revista, Uberaba, n.10, p. 55-59, 2013
O nosso sistema será composto por 10 módulos
fotovoltaicos, considerando que para o modelo de módulo
LD135R9W obrigatoriamente serão utilizados 2 módulos
em série, visto que a tensão de operação é de 12 V e a
tensão de operação do sistema é de 24 V.
Por fim devemos dimensionar o controlador de
carga a ser utilizado em nosso sistema, as especificações
do controlador de carga leva em conta dois parâmetros,
sendo a tensão de operação e a corrente elétrica máxima
fornecida pelos módulos.
A corrente máxima fornecida por cada módulo
LD135R9W, de acordo com a folha de dados do
fabricante, é a corrente de curto circuito na condição STC
(condições padrão de teste do módulo), que neste caso tem
um valor de 8,41 A, conforme informações apontadas pela
TAB. 4.
Tabela 4 - Características em SCT do módulo LD135R9W.
Potência máxima
Tensão média de pico a
pico
Corrente média de pico a
pico
17,25 V
Tensão de circuito aberto
21,80 V
Corrente de curto circuito
8,41 A
Eficiência do módulo
135 W
7,90 A
13,70 %
Fonte: Folha de dados Off-grid Solar Module LD135R9W
/ LD130R9W / LD125R9W
O conjunto de 10 módulos fotovoltaicos, possui 2
módulos em série e 5 conjuntos de módulos em paralelo, o
que resulta uma corrente elétrica máxima de 42,05 A.
A corrente máxima fornecida pelos módulos pode
ser corrigida com um fator de segurança de 30% para
garantir que a corrente máxima do controlador
especificado não será excedida em nenhuma hipótese
(VILLALVA; GAZOLI, 2012).
Neste projeto a corrente máxima será de 42,05 *
1,3, totalizando 54,67 A.
O controlador de carga empregado nesse sistema
deve operar na tensão de 24 V e suportar a corrente
máxima de 54,67.
Neste plano empregaremos um controlador de carga
com as especificações de 24 V e 60 A e um inversor de 24
VCC/127 VCA/1000 W.
A organização do nosso sistema é composta por:
10 módulos LG, modelo LD135R9W
6 baterias de 240 Ah/12 V
Um controlador de carga 24 V/60 A
Um inversor 24 VCC/127 VCA/1000 W
RESULTADOS E DISCUSSÃO
A TAB. 5 nos demonstra a variação da energia
elétrica gerada pelos painéis ao longo do período deste
estudo, observa-se que esta alteração ocorre devido a
modificação de horas diárias de insolação durante os meses
de maio à abril. Esses valores permitem estimar a energia
gerada mês a mês pelos painéis, a partir do emprego da Eq.
ENGENHARIA/ENGINEERING
59
1 com os dados extraídos da Tab. 5. Os resultados são
apontados na tabela abaixo:
Tabela 5 – Estimativa de energia fornecida mensalmente
pelos painéis fotovoltaicos
Mês
Média de
Dias de
horas
Consumo
diárias de
mês
insolação
Potência
instalada
(KWh)
Energia
(KWh/mês)
203,26
maio
31
8
819,6
jun.
30
8
819,6
196,7
jul.
31
8
819,6
203,26
ago.
31
8
819,6
203,26
set.
30
7
819,6
172,11
out.
31
7
819,6
177,85
nov.
30
7
819,6
172,11
dez.
31
5
819,6
127,04
jan.
31
6
819,6
152,45
fev.
28
6
819,6
137,7
mar.
31
7
819,6
177,82
abr.
30
7
819,6
172,11
Energia gerada durante o período
2095,72
A partir das informações fornecidas pela Tab. 1, a
qual nos apresenta o consumo anual de energia elétrica e o
somatório dos custos mensais pelo consumo desta mesma
energia durante o período, verifica-se que o custo médio
por KWh foi na grandeza de R$ 0,65.
De acordo com a TAB. 5, no período do mês maio
do ano de 2012 ao mês abr. do ano de 2013 o sistema
forneceu 2095,72 KWh de energia elétrica para a
residência, gerando uma economia de R$ 1362,22, ou seja,
esse valor representa uma economia de 92% com os custos
com pagamento de tarifas de energia elétrica convencional
à concessionária.
Os custos de aquisição dos equipamentos somam
R$ 7000,00 para a compra dos 10 painéis fotovoltaicos, R$
1500,00 para a compra do inversor de frequência, R$
1300,00 para a compra do controlador de carga e R$
5400,00 para a compra de 06 baterias. Não foram
contabilizados no presente estudo os custo com a mão de
obra de instalação dos equipamentos e demais agregados.
O custo total com a compra dos equipamentos
somou a quantia de R$ 15200,00 e valor economizado
anualmente pela utilização da energia produzida pelo
sistema na ordem de R$1362,22, calculando o tempo
retorno, o investimento inicial realizado será amortizado
em 11 anos. Considerando que os painéis fotovoltaicos
utilizados neste projeto de acordo com o fabricante
possuem uma vida útil de 25 anos de conversão de energia
solar em energia elétrica é economicamente viável a sua
implantação.
CONCLUSÃO
O aumento da preocupação em relação as questões
ambientais, a busca por uma maior eficiência energética e
FAZU em Revista, Uberaba, n.10, p. 55-59, 2013
a procura de novas soluções para geração de energia
elétrica, os sistemas solares fotovoltaicos autônomos estão
se tornando uma alternativa.
O emprego do potencial energético solar para
aquisição de energia elétrica se apresenta como alternativa
sustentável para a matriz energética, por se tratar de uma
fonte de energia considerada inesgotável e que, em
comparação com as fontes energéticas convencionais, a
exemplo da energia elétrica obtida em usinas hidrelétricas
e termelétricas, gera menos resíduo e causa impactos
ambientais em menor escala.
O estudo apresentou que devido a posição
geográfica de nosso município, o sistema empregado
apresentou um alto rendimento para a geração de energia
elétrica, verificou-se também que o tempo de amortização
do investimento financeiro representa menos de 50% da
vida útil dos painéis fotovoltaicos.
Diante do exposto esta alternativa de gerar energia
elétrica no nosso município sem dúvida é extremamente
viável a sua implantação.
REFERÊNCIAS
LG. Off-grid Solar Module: LD135R9W / LD130R9W /
LD125R9W. Coreia: [s.n.], 2011. Disponível em:
<http://www.lg-solar.com>. Acesso em: 04 jun. 2013.
LISITA, O. Sistemas fotovoltaicos conectados à rede.
Estudo de caso – 3 KWp instalados no estacionamento do
IEE-SP. 2005. 87 f. Dissertação (Mestrado em Energia) –
Instituto de Física, Universidade de São Paulo, São Paulo,
2005.
RUTHER, R. Edifícios solares fotovoltaicos : o potencial
da geração solar fotovoltaica integrada a edificações
urbanas e interligada à rede elétrica pública no Brasil.
Florianópolis: UFSC, 2004. 114 p.
TIBA, C. de et al. Atlas solarimétrico do Brasil: banco de
dados Solarimétrico. Recife:Universidade Federal de
Pernambuco, 2000. 111 p.
VILLALVA, M. G.; GAZOLI, J. R. Energia solar
fotovoltaica: conceitos e aplicações - sistemas isolados e
conectados à rede. São Paulo: Érica, 2012. 224 p.