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Uma análise sobre a geração de energia solar elétrica em escolas brasileiras, mostrando aspectos técnicos e financeiros, além da importância de aproveitar este recurso natural abundante no país. O texto aborda pesquisas sobre o consumo de energia em escolas, a importância de instalar painéis solares em áreas de telhado, a legislação vigente para concessão de créditos, entre outros assuntos. Palavras-chave: energia solar, energia elétrica, células fotovoltaicas, geração de energia, brasil.
O que você vai aprender
Tipologia: Notas de estudo
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LUIZ EDUARDO NUNES DE ALBUQUERQUE, Mestre, IESPLAN (ORIENTADOR)
KASSIO HENRIQUE DE SOUZA, Esp, IESPLAN (EXAMINADOR INTERNO) WILLIAM MACEDO PEREIRA, Engenheiro (EXAMINADOR EXTERNO) DATA: BRASÍLIA/DF, 08 de Dezembro de 2016.
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Dedico este trabalho aos meus pais, meu irmão e a todos os meus familiares, que estiveram ao meu lado, e me apoiaram em todos os momentos, sempre me incentivando a ser a uma pessoa melhor, mesmo em momentos de dificuldades.
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Agradeço a Deus em primeiro lugar por todas as bênçãos alcançadas. A minha família por todo amor, carinho e atenção nessa caminhada. Em especial à minha mãe que, mesmo diante das dificuldades que foram surgindo ao longo da jornada, não mediu esforços para a realização do meu sonho. Ao professor e orientador Luiz Eduardo Nunes de Albuquerque, por estar sempre a disposição e me aconselhar quais direções seguir na execução desse trabalho. A todos os professores que estiveram comigo no decorrer do curso, me transmitindo os ensinamentos necessários para chegar até aqui, com tanto profissionalismo e dedicação. Aos servidores da Secretaria de Educação, a equipe da DAE e do GMASP, em especial a Sra. Kátia da Gerência de Manutenção de Serviços Administrativos, que muito gentilmente me forneceu os materiais necessários, sempre que lhe solicitados. A minha prima Michelle, que dedicou parte do seu tempo me auxiliando na revisão desse trabalho.
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O aproveitamento solar atualmente, apesar de ser amplamente discutido, ainda não é aplicado de modo que sua capacidade seja totalmente utilizada. O sol é a fonte de energia mais abundante e intensa ao alcance das mãos dos homens em qualquer ponto da Terra. Esse trabalho tem a finalidade de se aliar a geração de energia fotovoltaica pelo sistema On Grid com a redução de custos, mostrando aspectos técnicos e financeiros, assim como a importância de se aproveitar esse recurso natural que é bastante abundante no Brasil. Os recursos utilizados para geração de energia vêm se apresentando cada vez mais escassos, e consequentemente seus custos elevados e repassados aos consumidores. Visto a crescente preocupação com as questões ambientais, têm-se nas energias renováveis (eólica e solar) uma solução bastante viável e sem alterações profundas no meio ambiente. Assim como a energia é necessária para o funcionamento e atendimento às necessidades da população e governos, a redução de gastos se mostra cada vez mais necessária para a diminuição do custo de vida das pessoas. O local definido para esse trabalho foi na região administrativa Guará, em Brasília, mais especificamente nas escolas classe do Guará I. Então para avaliar se a implementação de um sistema solar é viável, foram feitas pesquisas de consumo em kWh/mês nas escolas, do valor gasto mensalmente, da área de telhado disponível para instalação do painel fotovoltaico com melhor custo-benefício, da quantidade de painéis para atender a demanda, da posição e angulação que devem ser instalados, além de conhecer a legislação vigente para concessão de créditos. Concluindo que o valor necessário para investimento é quitado com menos de 9 anos, para 25 anos de geração com rendimento de no mínimo 80% dos módulos, além dos benefícios sociais e ambientais gerados, para toda a sociedade, pela instalação em empreendimentos púbicos. Palavras-chave : Geração de energia elétrica, Energia fotovoltaica, Células fotovoltaicas, Energia renovável.
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Solar utilization, currently, although widely discussed, is not yet applied so that its capacity is fully utilized. The sun is the most abundant and intense source of energy within reach of men's hands anywhere on Earth. This work has, therefore, the aim of allying the generation of photovoltaic energy by On Grid system with the reduction of costs, showing technical and financial aspects, as well as the importance of taking advantage of this natural resource that is quite abundant in Brazil. The resources used for the generation of energy becoming increasingly scarce, and consequently having high costs and passed on to consumers, together with environmental concern, renewable energies (wind and solar) have proved to be a very viable solution and Environmentally friendly. As energy is needed for the functioning and meeting the needs of the population and governments, the reduction of spending is increasingly necessary for the relief of people's living costs. The place for this work was in the Guará, administrative region, in Brasília, specifically in Guará I, primary schools. In order to evaluate if the implementation of a solar system is feasible, energy consumption surveys were done in schools, how much is the Monthly cost, roof area available for installation, which photovoltaic panel has the best cost-benefit, number of panels to meet the demand, orientation of which position and angulation should be installed, besides knowing the current legislation for granting credits. Concluding that the price of investment is paid with less than 9 years, for 25 years with income generation of at least 80% of the modules, in addition to the social and environmental benefits generated for society as a whole, for installation in public enterprises. Keywords: Electricity generation, Photovoltaics energy, Photovoltaics cells, Renewable energy.
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Figura 2. 1 - Esquema de circuito elétrico simples. (HADDAD, 2004) Figura 2. 2 – Células fotovoltaicas mais comuns. (Handbook for solar PV systems, 2013) Figura 2. 3 – Sistema On Grid. (Fonte: Neosolar) Figura 2. 4 – Sistema Off Grid. (Fonte: Neosolar) Figura 3. 1 - Escolas Públicas no Guará I. (Fonte: Google Earth) Figura 3. 2 - Escolas Públicas no Guará II. (Fonte: Google Earth) Figura 3. 3 - Escolas Classe do Guará I (fonte: Google Earth) Figura 3. 4 - Imagem das escolas anexadas no AutoCAD. Figura 3. 5 - Formato de apresentação do programa SunData. Figura 3. 6 - Dados Irradiação Solar para Brasília (fonte: SunData) Figura 3. 7 - Dados Irradiação Solar com inclinação dos painéis (fonte: Sundata) Figura 3. 8 - Mapa mundial de irradiação solar em média anual de 1990 a 2014. (modificada
Figura 5. 8 - Ilustração para definição do espaçamento mínimo. (fonte: PINHO et al.,2008) Figura 5. 9 - Exemplo de instalação para telhado de fibrocimento (fonte: Portal Solar) Figura 5. 10 - Modelo esquemática da instalação. Figura 5. 11 - Esquema de ligação em série. Figura 5. 12 - Esquema de ligação em paralelo. Figura 5. 13 - Esquema de arranjo misto (série + paralelo).
xi Figura 5. 14 - Produtividade em função do tamanho relativo do inversor para sete inversores comerciais em Brasília (fonte: Macêdo, 2006) Figura 5. 15 - Etapas de acesso ao sistema de distribuição da CEB-D (fonte: NTD-6.09) Figura 5. 16 - Esquema de conexão do acessante (através de inversor) à rede (fonte: NTD- 6.09) Figura 6. 1 - Medição da tensão de circuito aberto no sistema. (fonte: Manual, 2014) Figura 6. 2 - Medição da tensão de circuito aberto no módulo. (fonte: Manual, 2014) Figura 6. 3 - Esquema de medição da corrente de curto-circuito do gerador. (fonte: Manual,
Figura 6. 4 - Evolução das tarifas de energia elétrica e do IPCA. (fonte: Nakabayashi,
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a-Si – Silício amorfo ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica c.a – Corrente alternada c.c – Corrente contínua c-Si – Silício cristalino CdTe – Telureto de Cádmio CEB – Companhia Energética de Brasília CEB-D – Companhia Energética de Brasília-Distribuidora CED – Centro Educacional CEF – Centro de Ensino Fundamental CENSOLAR – Centro de Estudios de la Energia Solar CEPEL – Centro de Pesquisas de Energia Elétrica CIGS – Disseleneto de cobre, índio e gálio cm² - centímetros quadrado COFINS – Contribuição para Financiamento da Seguridade Social CPV – Concentrated Photovoltaic CRESESB – Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sergio Brito DSSC – Dye Sensitized Solar Cell EC – Escola Classe EE – Eficiência Energética EPE – Empresa de Planejamento Energético FDI – Fator de Dimensionamento do Inversor GWh – Gigawatt-hora GTES – Grupo de Trabalho de Energia Solar h – hora(s) HSP – Horas de sol pleno Isc – Corrente de curto-circuito ICMS – Imposto sobre Circulação de Mercadorias e Serviços IEEE – Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrônicos INMETRO – Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia INPE – Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais km – Quilômetro
xiv kW – Quilowatt kWh/kWp – Quilowatt-hora por quilowatt-pico kWh/kWp.ano – Quilowatt-hora por quilowatt-pico ao ano kWh/mês – Quilowatt-hora por mês kWh/m² – Quilowatt-hora por metro quadrado kWh/m².dia – Quilowatt-hora por metro quadrado ao dia kWp – Quilowatt-pico kW/mês – Quilowatt por mês kW/m² – Quilowatt por metro quadrado m-Si – Silício monocristalino m² - metro quadrado MMA – Ministério do Meio Ambiente MME – Ministério de Minas e Energia MW – Megawatt N – Norte NTD – Norma Técnica de Distribuição NR – Norma Regulamentadora O – Oeste ONS – Operador Nacional do Sistema Elétrico OPV – Organic Photovoltaics PFV – Potência do gerador fotovoltaico PINV – Potência do inversor P&D – Pesquisa e Desenvolvimento PIS – Programa de Integração Social PL – Projeto de Lei PRODIST – Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional ProGD – Programa de Desenvolvimento da Geração Distribuída de Energia Elétrica p-Si – Silício policristalino RA – Região Administrativa RN – Resolução Normativa R$ – Reais R$/kWh – Reais por quilowatt-hora S – Sul SE/CO – Sudoeste/Centro Oeste
O primeiro relato sobre a possibilidade de se utilizar a radiação solar como fonte de energia foi descoberto por Edmond Becquerel em 1839, o qual observou o aparecimento de uma diferença de potencial nos terminais de uma célula eletroquímica advindo da absorção da luz, sendo considerado como o efeito fotovoltaico. Somente em 1956 com o crescimento da área de eletrônica é que se iniciou a produção industrial dos aparelhos fotovoltaicos. A partir desse crescimento e com o aumento da busca de fontes de energia para sistemas instalados em localidade remotas pelas empresas de telecomunicações, assim como, com a chamada “corrida espacial” entre 1957 e 1975, obteve-se um grande desenvolvimento dessa tecnologia, pois a célula fotovoltaica era, e continua sendo, o meio mais adequado (menor custo, peso e segurança) para fornecer a quantidade de energia necessária para longos períodos de alimentação de equipamentos eletroeletrônicos no espaço (PINHO & GALDINO, 2014). O principal material para a fabricação de células fotovoltaicas é o Silício (Si), visto que a tecnologia para a produção de células e módulos fotovoltaicos podem ser divididas em três gerações, sendo a primeira a mais utilizada e com 85% de representação no mercado com o silício monocristalino (m-Si) e o silício policristalino (p-Si), pois possui a melhor eficiência comercialmente disponível, além da tecnologia consolidada e confiável. A segunda geração com o silício amorfo (a-Si), o telureto de cádmio (CdTe) entre outros, tem pouca participação no mercado devido a disponibilidade dos materiais, vida útil e no rendimento das células. A terceira geração, ainda em fase de Pesquisa e Desenvolvimento (P&D) utiliza-se de células fotovoltaicas multijunção e célula fotovoltaica para concentração (CPV – Concentrated Photovoltaics) , células sensibilizadas por corante (DSSC – Dye- Sensitized Solar Cell ) e células orgânicas ou poliméricas (OPV – Organic Photovoltaics), no qual a tecnologia CPV tem apresentado um potencial para produção de módulos com alta eficiência, porém o custo ainda não seja competitivo em comparação com as tecnologias atuais.
A produção de células fotovoltaicas, apesar de ser considerada como de alto custo para geração de energia, vem se tornando cada vez mais competitiva, devido a procura contínua por fontes de energia alternativas, juntamente com os custos crescentes das formas de produção de energia atuais, além da frequente preocupação com o meio ambiente, sustentabilidade, redução de emissão de poluentes e o impacto ambiental, conciliando com os incentivos por parte dos governos, onde Alemanha, Itália, Japão e Estados Unidos são grandes geradores de energia fotovoltaica, tendo a China atualmente como o maior produtor de módulos fotovoltaicos. No Brasil, a coordenação e a supervisão da operação centralizada do Sistema Elétrico Nacional que é composto pelo SIN (Sistema Interligado Nacional), e pelos sistemas isolados, é de responsabilidade do ONS (Operador Nacional do Sistema), enquanto que o órgão regulador, a ANEEL (Agência Nacional de Energia Elétrica) procede sobre a normatização das políticas e diretrizes, e fiscalização dos serviços prestados. Para a realização de estudos necessários ao planejamento da expansão do sistema elétrico foi criada a EPE (Empresa de Planejamento Energético), e todo esse organismo fica sob a tutela do Ministério de Minas e Energia (MME), onde o sistema de produção e transmissão de energia elétrica é um sistema hidrotérmico de grande porte, com forte predominância das usinas hidrelétricas e com múltiplos proprietários (Atlas, 2005). As hidrelétricas sempre foram as maiores responsáveis pela geração elétrica, até pela grande capacidade hídrica presente no país, mas que vem apresentado constantes dificuldades de abastecer a demanda energética devido as mudanças climáticas, períodos de seca, crescimento urbano, expansão industrial. A falta de capacidade de geração elétrica suficiente afeta até o próprio crescimento econômico do país, além de causar transtorno a população, com os chamados “apagões”, e aumentos de tarifas devido a necessidade de ligar usinas termelétricas que apresentam custos elevados para geração, sem mencionar a poluição gerada. Na figura 1.1, de acordo com a EPE, exibe um gráfico que apresenta em percentuais a divisão da oferta interna de energia elétrica por fonte, observando o quão predominante é a utilização da energia hidroelétrica, e como a utilização da energia solar ainda tem muito a crescer aproveitando a capacidade de radiação que o Brasil apresenta.
geração, até 75 kW, e a mini geração, superior a 75 kW e a menor ou igual a 5 MW^1 , entre outras definições. Em dezembro de 2015 foi criado o ProGD (Programa de Desenvolvimento da Geração Distribuída de Energia Elétrica) pelo Ministério de Minas e Energia com o intuito de fomentar o estímulo à geração de energia pelos próprios consumidores, com intenção de movimentar pouco mais de R$ 100 bilhões em investimentos até 2030. Alguns pontos de interesse do ProGD é a criação de políticas de para ampliar a geração distribuída como isenção de ICMS, já adotada por estados como São Paulo, Goiás e Pernambuco, isenção de PIS/Cofins, redução de imposto de importação, entre outros. 1.2 JUSTIFICATIVA Com a preocupação crescente com as questões ambientais, tem-se procurado cada vez mais fontes de energia renováveis para geração de eletricidade. No Brasil, apesar de ter em sua matriz uma grande parcela de geração de energia por hidrelétricas, ainda não é capaz de suprir sua demanda por fontes não poluidoras, uma vez que para a construção de hidrelétricas (seja de pequeno ou grande porte), há modificações ambientais profundas devido a necessidade de colocação de barragens, o que gera alagamentos de grandes áreas ao redor, impactos na fauna e flora na região, além de poder causar a desocupação em massa de famílias de seus lares, o qual o fator psicológico e ambiental é devastador. A utilização de energia solar vem se tornando uma alternativa cada vez mais viável para a solução da crise elétrica, pois não é necessário a utilização de áreas desocupadas, assim, aproveita-se áreas de telhados já construídos e que não precisará de mais grandes interferências na área a ser disponibilizado, neste caso em escolas, sendo que elas possuem áreas relevantes que podem ser melhor aproveitadas. Ao se utilizar a colocação de placas solares em escolas públicas, onde temos grandes áreas construídas, pode-se ter um aproveitamento significativo das áreas de telhado para geração de energia elétrica, auxiliando até nas finanças da escola, com a redução de contas de luz, e caso gere mais do que o necessário, são concedidos crédito com o excedente, podendo ser aproveitado até mesmo em outras unidades. (^1) Até 5 MW para fontes renováveis de energia elétrica não-hídricas, para fontes hídricas fica limitado até 3 MW.
E se aplicando esse sistema de geração fotovoltaica em escolas, há a possibilidade de se compartilhar esse conhecimento aos alunos até de um modo mais prático, sendo orientados como se procede a transformação da radiação solar em energia elétrica, os benefícios gerados por esse sistema, os componentes utilizados, agregando a consciência de preservação do meio ambiente. Se a conscientização do melhor aproveitamento do espaço urbano, juntamente com a inserção de conhecimento sobre novas tecnologias estiverem mais presentes no dia a dia dos jovens em formação, acredita-se que as novas gerações venham ter uma maior conscientização ambiental para o futuro e interesse em tecnologias limpas. 1.3 OBJETIVOS 1.3.1 OBJETIVO GERAL Este trabalho tem como objetivo avaliar econômica e estruturalmente se a implementação de painéis fotovoltaicos para a geração de energia em ambientes escolares será uma solução viável as necessidades vigentes. 1.3.2 OBJETIVO ESPECÍFICO Pesquisar as placas e outros componentes fotovoltaicos existentes no mercado, assim como suas qualificações pelo órgão regulador, suas características como tamanho das placas, eficiência energética, capacidade máxima de geração, tecnologia aplicada (monocristalino ou policristalino), bem como os valores para cada modelo e marca, além da disponibilidade dos materiais. Projetar o sistema fotovoltaico ON GRID mostrará as necessidades e especificidades para cada ambiente em particular, qual o potencial solar para região, qual o consumo existente, qual a geração necessária, quanto de área útil de telhado disponível para implantação do sistema, qual o melhor posicionamento e angulação para instalação das placas fotovoltaicas, dimensionamento do inversor de corrente, além do tempo de retorno do investimento. Expor a legislação vigente acerca da utilização da energia fotovoltaica, sendo a NR 482/2012 a mais atual, e os programas de incentivo do governo, tendo o ProGD como
