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O NOSSO PROJETO
- SOLARE Autossustentaveis
- 28 de jun. de 2019
- 10 min de leitura
SOLARE - Autossustentáveis
Resumo
Este projeto buscou estudar a implementação de um sistema de placas fotovoltaicas em uma residência. Como a energia solar é uma energia limpa, ou seja, que não degrada o meio ambiente, a realização bem-sucedida do plano contribuiria para a preservação do planeta, favorecendo as futuras gerações, além de atualmente diminuir os gastos com a conta de luz e até mesmo render certo lucro com o tempo. Os principais objetivos a serem atingidos foram a realização de uma análise sore as possíveis dificuldades encontradas ao longo do processo e os cálculos precisos que englobam uma instalação assim. Para isso, foram utilizados os dados do sistema de placas fotovoltaicas presentes na Universidade Federal de Itajubá e, com auxílio do Engenheiro Flamarion Pieroni, foi estimado os valores proporcionais para a residência. Basicamente, o principal resultado obtido foi que o payback desse projeto, ou seja, o tempo que leva para o sistema render o dinheiro que foi gasto para sua construção é de cerca de 4 anos. Com isso, conclui-se que o payback desse tipo de sistema vem diminuindo ao longo dos anos, isto devido ao fato do aumento da tarifa de energia (conta de luz) e diminuição do preço de instalação.
Palavras-chave: Placas Fotovoltaicas; Energia Solar; Implementação; Payback.
Sumário
1 - Introdução.
2- A Energia Elétrica.
3- O Nosso projeto.
4- Porque a Energia Solar?
5- Sistemas fotovoltaicos on-grid e off-grid.
5.1- Sistema off-grid.
5.2- As principais vantagens de um sistema off-grid.
5.3- Sistema on-grid.
5.4- As principais vantagens de um sistema on-grid.
5.5- Sistema Hibrido.
5.6- As principais vantagens de um sistema hibrido.
6- Funcionamento do sistema Fotovoltaico.
6.1- Placas Fotovoltaicas.
6.2- Inversor Elétrico.
6.3- Medidor de Energia Bidirecional.
6.4- Cabos Elétricos.
6.5- Disjuntores.
7- Formulas e Resultados.
8- Conclusões.
9- Referências.
1- Introdução
Este projeto visou estudar a instalação de placas fotovoltaicas em uma residência com base no sistema já existente na Universidade Federal de Itajubá. O principal intuito foi analisar as possíveis dificuldades ao longo de uma implementação do tipo e calcular, em cima do rendimento dessas placas na cidade, em quanto tempo os gastos para a criação se converterão em lucro, ou seja, o payback das placas. O relatório foi dividido em uma breve introdução à energia elétrica em que é desenvolvido brevemente sobre o que ela é e sua importância no dia a dia. Em seguida, apresenta-se uma explicação mais aprofundada do projeto em que é discutido o porquê da escolha da energia solar como base para o sistema, o que é um sistema off-grid e um sistema on-grid, suas vantagens desvantagens e diferenças. Após, também há uma explanação de como ocorre o funcionamento de um sistema fotovoltaico e os componentes necessários para criá-lo. Em seguida, evidencia-se a energia gerada pelo sistema da Unifei, e utilizando as formulas em questão, os resultados gerais do projeto são obtidos. Por fim, está localizada uma breve análise dos dados encontrados e as conclusões desses resultados.
2- A Energia elétrica
Desde o surgimento da vida, a energia é de extrema importância para a existência e o desenvolvimento de todo o ecossistema do planeta terra. O Sol como fonte primária de energia, por exemplo, proporciona ao nosso planeta, condições favoráveis e essenciais para a manutenção da vida.
Com o avanço e desenvolvimento das ciências a definição de energia se tornou mais abrangente, hoje podemos considerar como básicas e fundamentais as energias Mecânicas, Elétricas, Térmicas e Químicas.
A energia elétrica é de fundamental importância para o desenvolvimento das sociedades atuais. Ela pode ser convertida para gerar luz, força para movimentar motores e fazer funcionar diversos produtos elétricos e eletrônicos que possuímos em casa (computador, geladeira, micro-ondas, chuveiro, etc.).[1]
Não há uma definição exata para energia, mas podemos dizer que ela está associada à capacidade de produção de ação e/ou movimento e manifesta-se de muitas formas diferentes, como movimento de corpos, calor, eletricidade etc. Segundo o Princípio de Lavoisier, a energia não pode surgir do nada e nem pode ser destruída. A única possibilidade que existe é a transformação de um tipo de energia em outro, como a energia da queda d´água nas hidrelétricas que é convertida em energia elétrica, e a energia proveniente do sol que pode ser convertida em elétrica em um sistema fotovoltaico.[2]
3- O nosso projeto
No começo do curso de Introdução de Engenharia Elétrica, fomos incentivados pelo professor Paulo Ribeiro a escolhermos um assunto para desenvolvermos o estudo, a equipe SOLARE Autossustentáveis, realizou pesquisas com o tema principal, Sistemas fotovoltaicos para residências, onde o nosso objetivo foi estudar, entender e projetar todo um sistema necessário na produção de energia elétrica para uma residência. Com os dados coletados em nossas pesquisas e com o auxílio do Engenheiro conseguimos planejar e dimensionar um sistema fotovoltaico baseado no projeto de uma casa com o consumo médio de 400kwh mês.
Nesse relatório, de modo geral, iremos apresentar todos equipamentos necessários para a instalação de um sistema fotovoltaico, os preços, tipos de sistemas com suas vantagens e desvantagens, payback e os fatores que podem influenciar na produção da energia elétrica utilizando as placas fotovoltaicas.
4- PORQUE A ENERGIA SOLAR?
Com o rápido e intenso crescimento da população mundial a necessidade de melhorias e ampliações dos sistemas de produção de energia foram inevitáveis. Por muitos anos o foco principal foi em sistemas onde a produção seria o mais eficiente possível, sem levar em consideração os riscos e impactos que poderiam causar ao meio ambiente.
No Brasil temos como principais produtoras de energia as Hidrelétricas que necessitam da inundação de uma região que será destinada a barragem responsável pela queda d’agua e as Termoelétricas que utilizam combustíveis como fonte de energia, emitindo poluentes no ar atmosférico.
As placas fotovoltaicas ainda são pouco comuns no cenário brasileiro por ainda ser uma tecnologia nova no nosso país, contudo, o aperfeiçoamento e as melhorias na produção das placas as tornaram mais eficientes e acessíveis ao consumidor. O principal fator que aponta os sistemas fotovoltaicos como sendo uma forma de produzir energia limpa é a capacidade de converter a energia proveniente dos raios solares em energia elétrica sem causar impactos ao meio ambiente.
Os fatos apontados, despertaram um grande interesse no grupo SOLARE, e nos levaram a escolher esse tema como o foco principal do nosso estudo e para o desenvolvimento desse projeto!
5- Sistemas Fotovoltaicos On-Grid e Off-Grid
Um sistema fotovoltaico pode ser divido em dois tipos, o primeiro um sistema mais autônomo denominado Off-Grid, e o segundo um sistema conectado à rede de distribuição de energia denominado On-Grid, também conhecido como Grid-Tie. Há também uma terceira opção, porém trata-se do uso conjunto dos sistemas On e Off-Grid, ou seja, o sistema fotovoltaico híbrido.
5.1- Sistema Off-Grid: esse gerador fotovoltaico isolado, como o próprio nome diz, é independente da rede de distribuição de energia e, para que o seu funcionamento se sustente, são necessárias baterias que funcionam como um dispositivo de armazenamento. Para sua implementação são necessárias as placas solares, cabos, inversores (converter corrente (CC) em corrente (AC)), controladores de cargas e as baterias. O excedente de energia é direcionado as baterias para o uso em dias de pouca incidência solar e para a noite.
5.2- As principais vantagens de um sistema Off-Grid são: como eles são independentes podem ser utilizados em regiões mais remotas e não é necessário pagar conta de luz, uma vez que o sistema produz sozinho toda a energia utilizada e possui um sistema capaz de armazenar energia para certos períodos. Já as desvantagens são: baterias e controladores de cargas são necessários para sua implementação, o que eleva demais o seu custo, além de ser menos eficiente que os outros modelos.
5.3- Sistema On-Grid: este tipo de gerador precisa necessariamente estar conectado na rede de energia. Tirando as baterias, os equipamentos necessários são similares com a diferença que nele os inversores, além da função básica, sincronizam com o sistema da rede pública para caso haja uma produção de energia maior que o consumo, esse excedente retorne a rede, girando o relógio no sentido contrário.
5.4- As principais vantagens de um sistema On-Grid são: o fato dele dispensar o uso de baterias para o seu funcionamento, possibilita o consumidor conseguir créditos de energia, ou seja, caso ele produza mais do que use, a energia excedente é enviada a rede distribuidora e ele recebe uma quantia de energia a ser gasta futuramente sem custos, além dele ser mais eficiente que o outro modelo. Já as desvantagens são: a dependência da rede distribuidora, não haver a possibilidade de armazenamento de energia, logo estar sujeito a quedas de energia eventualmente e a necessidade de pagar conta de luz quanto o gasto for maior que a produção e não houver mais créditos disponíveis.
5.5- Sistema híbrido: este gerador pode ser projetado de duas formas, com as baterias com função principal ou secundária. No primeiro caso, as baterias são o centro do sistema e são carregadas pelas placas solares. O inversor utilizado possui duas saídas, a primeira é ligada a rede e funciona normalmente, a segunda é ligada a um quadro elétrico secundário que alimenta diretamente os equipamentos eletrodomésticos, mantendo-os ligados até em caso de falta de energia (drenando a energia das baterias). Já no segundo caso, o inversor é o centro do sistema e é carregado pelas placas solares. As baterias são ligadas no inversor e em caso de falta de energia, a casa, por exemplo, é abastecida através da energia acumulada nas baterias.
5.6- As principais vantagens de um sistema híbrido são: permite armazenar energia e gastá-la em certos momentos, reduzindo os possíveis gastos com a rede de distribuição e há uma certa independência da rede que possibilita o uso das cargas em caso de falta de energia da rede. Já as desvantagens são: um custo mais elevado devido à necessidade das baterias, a instalação é mais complexa, necessita de mais espaço e, dependendo do inversor e de sua capacidade, pode limitar o uso de eletrodomésticos simultaneamente.
6 -Funcionamento do sistema fotovoltaico
6.1- PLACAS FOTOVOLTAICAS
As placas fotovoltaicas são constituídas por celular feitas de cristais de silício, que através de uma reação físico-química, transforma a luz solar em energia elétrica, ela representa mais da metade do custo da placa e por serem muito fáceis de quebrar, elas são protegidas por um vidro especial, que reflete bem menos luz e tem uma alta resistência.
Esses componentes estão o dia todo a exposição do sol, chuva e humidade, pra protege-los da degradação e envelhecimento, eles são revestidos por um filme encapsulante especial para as fotovoltaicas. Para proteger os componentes internos é colocado o backsheet, agindo com um isolante térmico.
Para conectar todas placas eletricamente é usado a caixa de junção, possuindo diodos para garantis a segurança e o bom funcionamento do sistema. Com a moldura de alumino são juntados todos esses componentes, garantindo uma maior segurança e estabilidade.
Os raios solares são repletos de fótons e quando chagam em grande intensidade nas células fotovoltaicas entram em contato com os átomos de silício provocando o deslocamento de seus elétrons, de um átomo para o outro, esse fluxo de elétrons da origem a uma corrente elétrica até acabar a incidência do sol na placa.
6.2- INVERSOR ELÉTRICO
O inversor elétrico vai receber a corrente elétrica produzida nas placas fotovoltaicas em corrente continua e transforma-la em corrente alternada de qualidade. Depois da inversão, faz a sincronização com a rede pública de eletricidade, ou seja, garantem que a energia solar produzida seja fornecida exatamente como aquela que recebemos da rede elétrica.
Além disso o inversor garante a segurança de todo o sistema com os resistores, realiza monitoramento, e é responsável pela otimização de energia produzida garantindo que a forma de onda da corrente resultante tenha mínima distorção, ou seja, que se aproxime da forma senoidal.
6.3- MEDIDOR DE ENERGIA BIDIRECIONAL
O medidor bidirecional é um componente fundamental para os sistemas de energia solar fotovoltaica, pois mede a energia consumida por uma instalação, e a quantidade de energia injetada na rede elétrica. No caso da casa que possui energia solar, o medidor bidirecional fará a medição de toda a energia em kWh que foi injetada na rede, no dia e no mês, pelas placas fotovoltaicas instaladas na residência, assim como, a energia que foi consumida
.
6.4- CABOS ELÉTRICOS
São cabos de cobre revestidos com borracha, que é um isolante elétrico, responsáveis pela condução da corrente elétrica em todo o sistema.
6.5- DISJUNTORES
Sua principal função é proteger todo o sistema elétrico da casa de uma sobrecarga de corrente. Assim, quando ele detecta esse aumento de energia, passando do seu limite máximo, o disjuntor desarma, protegendo os equipamentos elétricos da casa de uma possível queima.
7- Formulas e resultados
Projeto (Cálculos)
Primeiro foi escolhido uma residência para ser utilizada como exemplo, e essa foi a selecionada:
Próximo passo é calcular o número de placas fotovoltaicas necessárias e a potência do inversor para o projeto. Usando o conceito da física “Energia = Potência x tempo” foi decidido que a fórmula para o cálculo da potência do sistema é “Potência total dos painéis = Energia de geração / (Tempo de exposição x Rendimento)”. Em seguida foi analisada as contas de luz dessa residência de 12 meses, morando 4 pessoas na casa, usando a média o valor de consumo médio mensal da casa é 408 kWh.
Com isso foi calculada a “Energia de geração diária = Energia de geração mensal / 30”.
Segundo passo foi analisar que as placas não tomam 6 horas exatas de Sol por dia, com isso foi acessado o site http://www.cresesb.cepel.br/index.php#data e com os valores de latitude e longitude de São José dos Campos (cidade que a casa fica) e com a ajuda do gráfico a seguir o valor médio de horas de insolação das placas é 4,57 horas.
Em seguida foi calculado o rendimento das placas uma vez que não existe uma máquina com 100% de rendimento.
Como foi utilizado como exemplo as placas da UNIFEI (Universidade Federal de Itajubá) os valores das placas foram utilizados nas contas e a Potência de cada placa é 330 W. Assim o número de placas utilizadas no projeto foi calculado através da seguinte fórmula:
Em seguida foi calculada a potência do inversor que é dada por ± 10% da potência total do sistema.
Assim a potência do inversor é de 3,5 kW e a sua tensão é de 220 V.
O último passo foi calcular o Payback do projeto, o investimento inicial foi de R$20.000 reias. O Payback foi calculado com a seguinte fórmula:
Com o resultado das contas foi montada a seguinte tabela e plotado o gráfico:
Como pode ser notado o Payback é de 4 anos mostrando que com o passar dos anos o tempo de Payback vem diminuindo devido ao aumento da tarifa de energia e a diminuição do preço de instalação.
8- Conclusões
Analisando todos os dados apresentados e levando em consideração as informações obtidas nas pesquisas, o grupo SOLARE conclui que a Energia Elétrica produzida a partir de sistemas Fotovoltaicos é um dos sistemas que mais contribuem para a preservação da natureza, a realização bem-sucedida do plano contribuiria para a preservação do planeta, favorecendo as futuras gerações, além de atualmente diminuir os gastos com a conta de luz e até mesmo render certo lucro com o tempo.
O investimento nessa forma de produção de energia está se tornando cada vez mais barato e acessível a toda população. Com o aumento constante nos valores das tarifas cobradas pelas distribuidoras de energia, e a diminuição nos preços dos equipamentos necessários para a instalação de um sistema fotovoltaico, o valor de Payback está se tornando cada vez menor, chegando a 4 anos, em um projeto de 408kwh mês.
Portanto, concluímos que a energia solar, é o melhor meio de produção de energia, não acarretando problemas ao meio ambiente e cada vez mais se tornando acessível a toda população.
9- REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
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